具有普適性和特殊性的電鏡操作培訓(xùn)實踐

權(quán)茂華，　孫建林，　毛璟紅，　薛潤東

(北京科技大學(xué) 材料國家級實驗教學(xué)示范中心，北京 100083)

0　引　言

隨著人們對微觀世界探究的不斷深入，大型精密儀器設(shè)備在科研工作中的重要地位日漸提升[1-5]。例如，透射電鏡、掃描電鏡(下文簡稱電鏡)。因此，國內(nèi)各大高校紛紛開設(shè)了相應(yīng)的電鏡教學(xué)課程[6-7]。在大型精密儀器設(shè)備價格昂貴、數(shù)量有限的背景下，制約了大型儀器開放共享[8-12]。為了改變這一現(xiàn)狀，進一步提升大型精密儀器設(shè)備的使用效率，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才和普及儀器操作技巧是必然的戰(zhàn)略選擇。

1　電鏡操作培訓(xùn)的主要特征

1.1　電鏡操作培訓(xùn)的普適性

自20世紀60年代以來，電子顯微學(xué)的基本理論和實驗技術(shù)的迅速發(fā)展，加速材料科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)在原子尺度上探究微觀世界的迅速發(fā)展。電鏡作為主要的測試儀器，80年代在我國還是一種稀缺資源，至今已普及到高校、科研單位以及企業(yè)。在材料學(xué)科本科實驗教學(xué)中，電鏡實驗教學(xué)課程是必修課。此外，電鏡是科研工作者常用的測試工具。因此，推廣電子顯微分析技術(shù)和實驗技巧是普及電鏡、實現(xiàn)開放共享的有利舉措。開設(shè)培訓(xùn)班是一種比較常用的方法。實際上，電鏡的操作面板比較復(fù)雜,同一生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的電鏡即使型號不同，但是所使用的數(shù)據(jù)處理軟件以及硬件配置的標識具有一致性。因此，為了便于在實驗教學(xué)中推廣，易于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握操作技巧，在電鏡操作培訓(xùn)中需要建立統(tǒng)一的實用電鏡操作流程。

1.2　電鏡操作培訓(xùn)的特殊性

2　電鏡操作培訓(xùn)

隨著微納級材料關(guān)注度的提升，使用電鏡的人數(shù)逐年遞增，在儀器數(shù)量、實驗技術(shù)人員有限的條件下，提升了電鏡使用效率變得更為迫切。為了提升電鏡的使用率，實現(xiàn)大型儀器的開放共享，國家級實驗教學(xué)示范中心建立了電鏡操作培訓(xùn)體系，在培訓(xùn)中實踐了實用電鏡操作流程。為了解決由電鏡硬件標識差異而延長增加培訓(xùn)周期的難題，在電鏡培訓(xùn)中以儀器原理為講解的主線，儀器間差別作為實踐內(nèi)容貫穿其中。形成了以普適性為主，特殊性為輔的交叉培訓(xùn)方式。

2.1　培訓(xùn)方式

(1)提交申請。有意向參加電鏡技術(shù)操作培訓(xùn)的學(xué)生(不限年級)、教師均可提交申請，經(jīng)導(dǎo)師(如為學(xué)生需經(jīng)導(dǎo)師同意)、負責儀器管理的實驗技術(shù)員認可后，即可參加培訓(xùn)。通常當提交申請的人數(shù)達至5人，由儀器管理員組織開始培訓(xùn)。

(2)理論培訓(xùn)。由于被培訓(xùn)人對電鏡的認知程度差異，首先需要進行理論培訓(xùn)，普及電鏡的基礎(chǔ)知識和實驗注意事項。主要介紹實驗室安全注意事項、儀器的基本結(jié)構(gòu)、成像原理、功能、適用范圍、樣品的制備要求等，讓學(xué)生初步認識和了解儀器。然后結(jié)合儀器工作原理詳細講解儀器的每個旋鈕以及其功能。最后重點講解儀器操作步驟。為了縮短培訓(xùn)周期，依據(jù)已經(jīng)發(fā)布的國際/國家標準[13-15]，針對電鏡的每個功能制定了實用操作流程。以透射電鏡為例，低倍形貌像拍攝步驟見圖1。實用操作流程固定了操作順序，雖然缺乏靈活性，但方便電鏡的初學(xué)者快速掌握。

圖1透射電鏡低倍形貌像拍攝流程

(3)演示和實踐操作。電鏡操作培訓(xùn)中，實踐是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先由教師對儀器的功能逐一演示、講解。然后鼓勵學(xué)生上機實踐。一對一指導(dǎo)，直到每個學(xué)生對每個旋鈕的功能和使用技巧完全了解為止。為了推動校際間大型儀器共享，讓電鏡培訓(xùn)不局限于單一型號的儀器。在實踐操作環(huán)節(jié)中，雖然面對一臺儀器講解，但是穿插講解其它型號儀器的相應(yīng)功能鍵的標識和調(diào)節(jié)方法(見圖2)。

(4)獨立上機操作。在教師指導(dǎo)下，獨立上機完成測試內(nèi)容。在培訓(xùn)中，與學(xué)生交流心得體會，指導(dǎo)學(xué)生如何應(yīng)對各種類型的樣品。儀器的使用是以其正常運轉(zhuǎn)為前提，在培訓(xùn)中不僅教授學(xué)生旋鈕的使用方法，重要的是培養(yǎng)學(xué)生維護儀器的意識[16]和嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。在培訓(xùn)中不斷地提示學(xué)生觀察儀表數(shù)據(jù)變化，正確判斷電鏡的運行狀態(tài)。

圖2JEM-2010和G2F-20部分功能鍵標識的對比

2.2　操作資格認定方法

為了縮短培訓(xùn)周期，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將操作資格認定分為甲、乙兩類。甲類是具有完全獨立操作資格。乙類是在儀器管理員在崗前提下的獨立操作資格。甲類學(xué)生具有一定的儀器維護和異常情況的處理經(jīng)驗，其對儀器的獨立使用在500機時以上。且通過上機資格認定考核。乙類學(xué)生可以獨立操作儀器完成實驗內(nèi)容，但是不具備處理異常情況的能力。且通過上機資格認定考核。因此，這類學(xué)生盡管通過了上機資格認定考核，仍需要儀器管理員在崗時使用儀器。

全部GD患者均伴頸部血管雜音，其中26例患者為GD伴雙側(cè)頸部血管雜音，31例患者為GD伴單側(cè)頸部血管雜音。雙側(cè)血管雜音患者男5例，女21例，單側(cè)血管雜音男6例，女25例。其中，甲狀腺右葉上極聞及雜音43處，右葉下極14處，甲狀腺左葉上極雜音37處，左葉下極11處。血管雜音I級47例，血管雜音Ⅱ級10例。其中試驗組I級雜音23例，Ⅱ級雜音5例；對照組I級雜音24例，Ⅱ級雜音5例。

為了更好地使用和維護儀器設(shè)備，設(shè)立了嚴格的操作資格認定考評方法。由儀器管理員、專業(yè)技術(shù)人員、電鏡研究領(lǐng)域相關(guān)的教師組成考評小組，對學(xué)生進行甲級獨立操作資格認定考核。乙級獨立操作資格認定考核由儀器管理員單獨考評?？荚u采用靈活機動的形式，由考評人員臨時出題，主旨是考核學(xué)生對儀器功能的掌握情況，考察學(xué)生的操作技能以及異常情況的處理方法。

3　運行效果分析

(1)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能，鍛煉學(xué)生的應(yīng)用能力。在電鏡的操作培訓(xùn)中，以學(xué)生為主體，最大程度地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。電鏡的操作培訓(xùn)采用自主報名形式，參與培訓(xùn)的學(xué)生大部分對電鏡具有濃厚興趣，其中也包括參與電鏡相關(guān)科研工作的博士生。在培訓(xùn)中，學(xué)生不僅學(xué)到專業(yè)技能，其對所學(xué)知識的應(yīng)用能力也得到相應(yīng)的提高。例如：經(jīng)過電鏡培訓(xùn)的2012級博士生朱賀，獨立操作透射電鏡獲取的實驗結(jié)果于2016年發(fā)表在國際頂級雜志AM上。學(xué)生上機操作，不僅減輕實驗技術(shù)人員測試服務(wù)負擔,可以在實驗教學(xué)、儀器管理和相關(guān)的技術(shù)開發(fā)上投入更多的時間和精力。

(2)縮短培訓(xùn)周期，擴大電鏡培訓(xùn)范圍。由于實用電鏡操作流程的應(yīng)用，擴大了電鏡培訓(xùn)的范圍，培訓(xùn)不再局限于研究生和具有電鏡操作經(jīng)歷的學(xué)生，而是將培訓(xùn)范疇擴展至本科生。這項舉措有利于培養(yǎng)更多的通用型人才。讓即將跨入研究生行列的學(xué)生，具備了一定的實驗基礎(chǔ)。通過電鏡操作培訓(xùn)的學(xué)生，不僅可以使用本校的電鏡，也可以使用其他科研單位相同型號的電鏡，實現(xiàn)了大型儀器的校內(nèi)、校外共享。例如，2012級材科專業(yè)(本科生)李科均同學(xué)接受了電鏡操作培訓(xùn)，畢業(yè)后赴日留學(xué)。此外，通過實用電鏡操作流程培訓(xùn)的學(xué)生，可以在1個月以內(nèi)掌握電鏡的基本操作，完成測試內(nèi)容。如需熟練掌握需要100機時的練習(xí)。通過電鏡培訓(xùn)，獲得獨立操作資質(zhì)的學(xué)生可獨立操作電鏡完成測試內(nèi)容。因為儀器設(shè)備具有單一操作的特性，不同專業(yè)、年級的學(xué)生可輪流使用，利用中午、晚上、周末以及假日等實驗技術(shù)人員非工作時間進行測試。為此SEM的單日使用機時高達14 h，有時TEM單日使用機時可達10 h。

(3)維護儀器高效、精準運轉(zhuǎn)，便于數(shù)字化、信息化管理。儀器的高效、精準的運行是提升其使用率的前提。因此，要想用好儀器，首先必須要維護好儀器。電鏡培訓(xùn)在講解操作步驟時，為了強化學(xué)生對操作步驟的記憶，培訓(xùn)教師從儀器原理和儀器維護的兩個角度進行了解釋。經(jīng)過電鏡培訓(xùn)的學(xué)生不僅具有電鏡操作技能，同時也具有一定的儀器維護知識。經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生根據(jù)自己的使用心得為儀器的維護獻計獻策。

在儀器全面開放共享的前提下，其運行數(shù)據(jù)和各個學(xué)科、專業(yè)使用儀器的情況，形成了巨大的數(shù)據(jù)庫，為建設(shè)科學(xué)、規(guī)范的儀器設(shè)備購置、管理體系提供了數(shù)據(jù)支持。

4　結(jié)　語

經(jīng)過多年的實踐和經(jīng)驗總結(jié)，解決了電鏡數(shù)量有限、操作步驟繁瑣等因素的制肘，建立了以具有普適性的實用電鏡操作流程為主，不同類型儀器特殊性培訓(xùn)為輔的交叉電鏡培訓(xùn)體系。有效地提升了電鏡的使用效率，開闊了學(xué)生的視野，為挖掘?qū)I(yè)技術(shù)人才提供了平臺。同時減輕了實驗技術(shù)人員的測試服務(wù)負擔，為新技術(shù)研發(fā)和儀器管理提供了時間保障。電鏡操作培訓(xùn)體系的運行模式和實踐經(jīng)驗，為大型精密儀器培訓(xùn)體系的建設(shè)提供有益的參考，同時有利于加強校際合作和大型精密儀器開放共享平臺的建設(shè)。

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