測試技術(shù)課程中電子顯微技術(shù)的教學(xué)探討

陳 娟，周衛(wèi)東，胡茂志，王赪胤

(揚州大學(xué)測試中心，江蘇 揚州 225127)

隨著社會進步和科技的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代分析測試技術(shù)成為科研創(chuàng)新和工程實踐中不可或缺的一部分。從高端武器研發(fā)到日常生活中的食品安全監(jiān)測，無不用到現(xiàn)代分析測試技術(shù)[1-2]?，F(xiàn)代分析測試技術(shù)中電子顯微技術(shù)的應(yīng)用從材料科學(xué)和生命科學(xué)開始，如今已經(jīng)發(fā)展到覆蓋冶金、化工、生物、環(huán)境、園植、醫(yī)學(xué)等幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域。因電子顯微技術(shù)能直觀觀測到材料的形貌和結(jié)構(gòu)，并且能結(jié)合材料的成分和性能，對材料進行綜合分析與評價，使得該技術(shù)成為科學(xué)研究和工程應(yīng)用中必不可少的檢測手段。然而如此重要的測試技術(shù)在高校設(shè)置的課程中所占比例少之又少。我校僅針對研究生開設(shè)了一門名為《現(xiàn)代分析測試技術(shù)與儀器》的公共課，共48學(xué)時，其中電子顯微技術(shù)共10學(xué)時。為了讓學(xué)生能在如此少的學(xué)時中掌握到知識要點并且能將所學(xué)技術(shù)真正應(yīng)用于以后的科研工作中，本文將就該課程中電子顯微技術(shù)模塊教學(xué)過程中存在的問題進行剖析，并探討相應(yīng)的解決措施。

1 《現(xiàn)代分析測試技術(shù)與儀器》課程中電子顯微技術(shù)模塊教學(xué)中存在的問題

1.1 課堂講授內(nèi)容沒有及時更新

科技發(fā)展日新月異，電子顯微技術(shù)不斷更新，電子顯微技術(shù)在材料和生物等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也在不斷拓展。而課堂展示內(nèi)容沒有及時將新技術(shù)和新應(yīng)用補充上來。

1.2 學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高

理論教學(xué)課堂上很多學(xué)生或低頭玩手機等電子設(shè)備或與同桌竊竊私語，不能較好的緊跟老師講授的內(nèi)容；而實驗教學(xué)過程中因受到場地限制，往往只是以老師示范操作、而學(xué)生觀看的模式教學(xué)，大型儀器的操作步驟往往復(fù)雜繁瑣，學(xué)生很難完全跟上老師的教學(xué)節(jié)奏，站在后面的同學(xué)更是因看不到老師的操作而索性放棄聽課。

1.3 教學(xué)成效不夠理想

雖然有很多研究生學(xué)習(xí)了這門課程，但是當(dāng)他們真正做測試時，對于電子顯微技術(shù)的基本知識知之甚少，沒有達到開設(shè)這門課程的理想成效。

2 電子顯微技術(shù)的教學(xué)探討

為針對性的解決上述問題，現(xiàn)作出如下探討：

2.1 教學(xué)內(nèi)容需與時俱進[3]

教學(xué)內(nèi)容中加入電子顯微技術(shù)在近些年的發(fā)展情況。如最近十幾年里電子顯微鏡的分辨率得到了重大突破，如今的透射電鏡的分辨率達到原子級，能看到物質(zhì)中原子的排列。又如人們將電子顯微技術(shù)用于觀察含水的生物樣品時，面臨如下難題：電鏡需要在真空環(huán)境下工作，而生物樣品必須保持在有水的環(huán)境中，水在真空中很快會蒸發(fā)。如何在電鏡中觀察到含水的生物樣品是科學(xué)家近些年來致力解決的技術(shù)難題。起初科學(xué)家們考慮先將樣品冷凍起來，再進入電鏡觀察，但是帶來了一系列新的問題，如輻照損傷和冰晶對樣品的破壞等。對于樣品的輻照損傷問題，科學(xué)家提出低劑量成像加上疊加多幅圖像的圖像處理技術(shù)等解決方案。雖然利用很低劑量的電子束拍照會有很低的信噪比，但是疊加幾萬甚至百萬張照片可以提高信噪比。另外，科學(xué)家們利用三維重構(gòu)技術(shù)，將二維圖像重構(gòu)出三維樣品的結(jié)構(gòu)。通過三維重構(gòu)、快速冷凍樣品、低劑量成像以及圖像分析技術(shù)，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson攻克了生物樣品的輻照損傷難題，這三位科學(xué)家于2017年將冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用到溶液中的生物分子，高分辨觀測到生物分子結(jié)構(gòu)，并獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

2.2 結(jié)合多樣化的教學(xué)方式和多元化的教學(xué)成果考核，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

2.2.1 案例教學(xué)和實踐教學(xué)等多樣化的教學(xué)方式能使課堂生動起來

(1)案例教學(xué)

案例教學(xué)，即結(jié)合身邊的科研實例，特別是拿出已獲得較好結(jié)果的科研實例進行講授。如我?；瘜W(xué)化工學(xué)院的刁國旺教授借助電子顯微鏡技術(shù)、小角散射技術(shù)表征了柱芳烴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，幫助其闡述了柱芳烴的作用機理，該研究成果在國際頂級期刊nature communications上發(fā)表。授課老師也可以和學(xué)生分享以往測試樣品的過程中遇到的問題以及解決這一問題的方法。如透射電鏡觀測高分子材料等不耐照樣品時，為避免樣品被電子束燒掉，可以通過降低電壓、減小電子束強度等方法解決。講解在沒有冷凍電鏡等先進儀器設(shè)備時，也可以通過如下的簡單負染方法制備生物樣品：使用重金屬鹽(如磷鎢酸)作為染色劑，先將磷鎢酸等重金屬鹽覆蓋并滲透到生物大分子內(nèi)，再將樣品烘干脫水。樣品中的蛋白質(zhì)分子在烘干過程中可能被破壞或者被分解。但是干燥后的鹽保留了大分子在干燥前的外部輪廓。而負染樣品的缺點是無法獲得高分辨圖像。

(2)實踐教學(xué)

對于大型貴重儀器的實踐教學(xué)在各高校中始終是蜻蜓點水[4-5]。這源于大型儀器的精密與貴重，學(xué)生的一個誤操作可能導(dǎo)致儀器受到大的損傷；另外一個同樣重要的原因是大型儀器往往比較繁忙，無法空出機時讓學(xué)生分成小組分別進行學(xué)習(xí)。為克服這些困難，對大型儀器的虛擬仿真設(shè)計是一個好的解決問題的方法。如我校設(shè)計的針對蔡司掃描電鏡Supra55的虛擬仿真軟件，可以讓學(xué)生戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套，親自操作掃描電鏡做樣的全過程。包括將樣品放入樣品艙、調(diào)節(jié)電鏡控制臺上各功能按鈕并觀測樣品以及將樣品從樣品艙中取出三個過程。因此，采用虛擬仿真手段進行實踐教學(xué)，學(xué)生不僅都能親自操作儀器，而且避免了誤操作給大型貴重儀器帶來的損害，甚至節(jié)省了實踐課上所需的耗材。

(3)多媒體教學(xué)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，讓課堂告別了傳統(tǒng)沉悶的黑板板書式教學(xué)，多媒體設(shè)備被普遍引入高校教室[6]。在課堂上，教師通過融合文字、動畫、視頻和圖片等素材進行教學(xué)。將枯燥的基礎(chǔ)理論知識采用動畫演示的方式激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時動畫讓知識更易理解，更能強化學(xué)生的記憶。教師將電鏡觀察樣品的過程制作成視頻，學(xué)生通過觀看視頻可以更直觀的看到電鏡的操作過程。將以往拍的很好的典型照片展示給學(xué)生，讓學(xué)生對哪些是電鏡照片的細節(jié)以及什么樣的照片才是合格的電鏡照片等方面有基本印象。另外，教師給學(xué)習(xí)電子顯微技術(shù)的學(xué)生們建立微信群，并在群中及時推送最新的電子顯微技術(shù)進展報道，這讓平時不會主動關(guān)注電鏡技術(shù)的同學(xué)也能了解電子顯微技術(shù)的研究前沿。學(xué)生在微信群中可以自由提問，針對學(xué)生提出的問題，老師組織大家進行討論和解答，使得學(xué)生的問題得以及時解決，也激起了學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的興趣。利用這樣的多媒體社交平臺增加了教師和學(xué)生之間的互動，建立了學(xué)生對教師的信任。

結(jié)合案例教學(xué)、實踐教學(xué)和多媒體教學(xué)等，讓課堂擺脫沉悶，讓空泛的理論知識開始具體化，并更好的展示知識的實用性，這種多樣化的教學(xué)模式能將學(xué)生更好的帶入到課堂中。

2.2.2 多元化的教學(xué)成果考核能將學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情進一步激發(fā)出來

老的教學(xué)成果考核方式往往是在課程全部結(jié)束后對所有技術(shù)手段的掌握情況一起考核，這會讓學(xué)生僅僅在考前突擊，而在學(xué)習(xí)每門單獨技術(shù)時積極性不高。對于電子顯微技術(shù)模塊，通過以下五項進行綜合考核：(1)平時考勤成績。每堂課上課前都點名，并將學(xué)生的考勤情況轉(zhuǎn)化為平時成績；(2)讀書看文獻后書寫讀后感。讓學(xué)生在課外查閱電子顯微技術(shù)相關(guān)文獻，通過仔細閱讀和自身消化，轉(zhuǎn)化為讀書報告等；(3)學(xué)生自己做PPT講述學(xué)習(xí)心得。學(xué)生將學(xué)習(xí)心得制作成PPT并在課堂上分享，讓學(xué)生能在課堂上適度緊張，較好的處于聽課狀態(tài)，并能在很短的時間內(nèi)吸取其他同學(xué)通過較長時間的閱讀獲得的感悟；(4)操作儀器后的擬寫操作步驟說明。這個要求不僅促使學(xué)生在操作儀器的過程中認真學(xué)習(xí)，而且有利于學(xué)生及時復(fù)習(xí)儀器操作流程，操作步驟說明作為一個記錄文件，以后能常常復(fù)習(xí)強化記憶；(5)期終考試成績。將所有的現(xiàn)代測試技術(shù)課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，考察學(xué)生對電子顯微技術(shù)的掌握情況。將五項加在一起的綜合考核，讓學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)的只要期終考試考不好便否定了其前期的所有努力的這一狀況，更能公平公正的考察學(xué)生的真實水平。同時，這種考核方法使得學(xué)生在課堂上和實踐中，一直都有緊迫感和參與感，能最大限度的激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.3 提高教師的教學(xué)水平，保證課堂教學(xué)質(zhì)量

教師的教學(xué)水平可以通過鼓勵教師做科研、指導(dǎo)青年教師講授技巧以及教師自發(fā)學(xué)習(xí)獲得教學(xué)技能這三個途徑進行提高。

2.3.1 鼓勵教師做科研

教師投身科研后，對科研過程需要的基礎(chǔ)知識更加了解，更加能緊跟前沿，更新技術(shù)知識。并且能更多的站在學(xué)生做科研的角度講述電子顯微技術(shù)，真正讓學(xué)生掌握電子顯微技術(shù)的選用原則。教師自身做科研，更能從具體的從某種材料出發(fā)講解材料的顯微形貌或結(jié)構(gòu)特點，并將其延伸至探討材料顯微組織結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系，理清科學(xué)研究的思路，提前給學(xué)生營造科學(xué)研究氛圍。教師投身科研，做科研過程中積極進取的狀態(tài)能促使教師希望更好的講授好一門課程，更好的對學(xué)生負責(zé)。

2.3.2 指導(dǎo)青年教師講授技巧

剛從學(xué)校畢業(yè)的青年教師從學(xué)生身份直接轉(zhuǎn)換成老師身份，對于如何教好一門課程缺乏經(jīng)驗。如果讓青年教師通過自身摸索，慢慢總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，在摸索初期可能會因為很多因素沒有周全考慮而影響教學(xué)效果。因此可以組織一對一和一對多的培訓(xùn)。一對一培訓(xùn)，即給青年老師指定一個教學(xué)資質(zhì)較老的教師作為其教學(xué)導(dǎo)師，該教學(xué)導(dǎo)師從備課、上課、出試卷、改試卷等全方位角度指導(dǎo)青年教師教學(xué)，這種方式也有助于青年教師在教學(xué)過程中遇到問題時能找到對應(yīng)的導(dǎo)師求教。一對多

培訓(xùn)，即一個授課能力優(yōu)秀的教師對一批青年教師的集體培訓(xùn)。在培訓(xùn)過程中，培訓(xùn)教師傳授其在長期的教學(xué)過程中凝練的經(jīng)驗及技巧，并對青年教師中普遍存在的教學(xué)問題進行剖析和糾正，助力青年教師提升教學(xué)水平。

2.3.3 青年教師自發(fā)學(xué)習(xí)獲得教學(xué)技能

首先，青年教師每上完一堂課，就要認真總結(jié)這一堂課的教學(xué)過程中出現(xiàn)哪些問題，分析出現(xiàn)這些問題的原因，并馬上列出解決問題的方案，并在下一堂課中實施該解決方案，確定該解決方案是否可行，若可行，則繼續(xù)推行，若不行，則馬上擬出可能適合的另一套方案并實施。這樣通過不斷的自我總結(jié)和調(diào)整，得出一套有個人特色的教學(xué)方法。另外，在信息發(fā)達的現(xiàn)代社會，互聯(lián)網(wǎng)上有各種各樣的名師教學(xué)音頻、文件等資源，青年教師可以自覺向名師學(xué)習(xí)。高校中每年都會評選“最受學(xué)生歡迎老師”、“金獎堂”等授課能力強的老師，青年教師可以通過聽課或請教等方式向這些課堂講授能力強的教師學(xué)習(xí)。

3 結(jié) 語

本文分析了我?！冬F(xiàn)代分析測試技術(shù)與儀器》課程中電子顯微技術(shù)模塊講授過程中遇到的問題，提出了更新課程內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情以及提升教師授課水平三個方向的具體改革措施。課程改革任重道遠，需要學(xué)校、教師和學(xué)生共同協(xié)作，共同努力，才能讓課程建設(shè)越來越完善。