淺談掃描電子顯微鏡在材料化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用*

孔華杰，李丹丹

(1 鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2 鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著社會對人才要求的提升，高等學(xué)校對本科教學(xué)實(shí)踐的培養(yǎng)也出現(xiàn)了一次又一次的變革。大型儀器設(shè)備，是高等學(xué)校從事教學(xué)和科學(xué)研究的一項(xiàng)重要技術(shù)裝備，是培養(yǎng)人才的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和基本條件，也是高?？蒲袑?shí)力和現(xiàn)代化教學(xué)的重要標(biāo)志。大型儀器的定位是指價(jià)格大于和等于10萬元以上的儀器設(shè)備，借助先進(jìn)儀器的水平優(yōu)勢，利用其最新技術(shù)手段，創(chuàng)建出特色教學(xué)，以推進(jìn)學(xué)科建設(shè)及學(xué)校的科學(xué)研究工作是當(dāng)今高等學(xué)校的重要工作之一[1]。河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備主要有X射線光電子能譜儀、熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡、高分辨投射電鏡、高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀和高分辨拉曼光譜儀等，總價(jià)值約為7000萬人民幣，采用的方式是專人專管，實(shí)行坐班制，主要服務(wù)于材料科學(xué)與技術(shù)、材料物理和生物與食品科學(xué)等領(lǐng)域的科研測試。但由于大型儀器自身價(jià)格昂貴、運(yùn)行和維修費(fèi)用較高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究相沖突等原因，導(dǎo)致高等學(xué)校的理論教育比較成熟，而學(xué)生的實(shí)踐能力較為薄弱，大型儀器利用率低，本科生也很難有機(jī)會接觸設(shè)備[2]。所以，如何設(shè)計(jì)和開展大型儀器分析實(shí)驗(yàn)課程也被越來越多的高校所關(guān)注。

掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)是一種有效的顯微結(jié)構(gòu)分析工具[3]，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。經(jīng)過檢測，視頻放大和信號處理，把數(shù)據(jù)特征直觀的在顯示屏上表現(xiàn)出來。它具有制樣簡單、超高的分辨率高、景深大、成像立體感強(qiáng)和連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，表面形貌、斷口分析等方面顯示有越來越強(qiáng)的優(yōu)越性[4-6]。我校材料與化學(xué)工程學(xué)院配備的是日本電子的JSM-2001F熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡，并配有X-射線能譜儀，進(jìn)行材料的表面形貌，斷口及微區(qū)形貌和元素分析。掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦的非常細(xì)的高能電子在材料表面上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得對該材料表面形貌的觀察[7]。

1 掃描電子顯微鏡在本科教學(xué)實(shí)踐中的現(xiàn)狀

由于大型儀器運(yùn)行和維修費(fèi)用較高，科研使用頻繁等原因，掃描電鏡也基本上沒有走進(jìn)本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中來。偶爾組織本科生走進(jìn)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室，也只是走馬觀花，粗略的了解它的用途和感嘆其昂貴的價(jià)格，根本就沒有機(jī)會了解其構(gòu)成和工作原理，更不用說是動(dòng)手操作了[8]。我校材料與化學(xué)工程學(xué)院為了適應(yīng)當(dāng)前國家對人才的需求，給出更好的培養(yǎng)方式，先后用問卷調(diào)查，座談會，讓不同年級的學(xué)生走進(jìn)參觀重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，觀摩大型儀器等形式，對不同年級的學(xué)生進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對大型儀器設(shè)備表現(xiàn)出強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)熱情和欲望，所以，如何給本科生創(chuàng)造多接觸大型儀器設(shè)備的機(jī)會，讓他們充分了解這些大型儀器結(jié)構(gòu)、使用方法和應(yīng)用，理論知識與實(shí)際操作相結(jié)合等成為了當(dāng)前迫切解決的問題。為此，為了解決這些問題，為了培養(yǎng)更加成功的學(xué)生，使其成為對這會更有用的人才，適應(yīng)當(dāng)代用人單位對人才的需求，經(jīng)學(xué)院研究決定，大型儀器不能只服務(wù)于科學(xué)研究，要更多的運(yùn)用到當(dāng)代本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，以場發(fā)射掃描電子顯微鏡作為試點(diǎn)儀器，推陳出新，讓以掃描電鏡為代表的大型儀器走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)材料化學(xué)本科教學(xué)實(shí)踐中。在大型儀器的支撐下，鄭州輕工業(yè)大學(xué)每年組織的“化妝品金相技能大賽”、“本科生科研發(fā)明大賽”等活動(dòng)，年均吸引近600人積極報(bào)名參加，為學(xué)校的本科深化改革提供了強(qiáng)有力的保障，為本科生的創(chuàng)新意識提供了載體。

2 掃描電子顯微鏡在本科教學(xué)實(shí)踐的改進(jìn)方法

2.1 演示為主，動(dòng)手相結(jié)合

材料與化學(xué)工程學(xué)院以河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為支撐，在設(shè)備處和科技處的聯(lián)合支持下，通過學(xué)校的大型儀器預(yù)約平臺定期發(fā)布現(xiàn)場培訓(xùn)課程，專業(yè)老師提前將制作掃描電鏡結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法的PowerPoint和flash動(dòng)畫上傳至平臺的交流學(xué)習(xí)區(qū)，不分年級性別，讓感興趣的學(xué)生自主下載預(yù)習(xí)，再在規(guī)定的時(shí)間去教學(xué)現(xiàn)場試聽，觀摩。并在專業(yè)老師的指導(dǎo)下，親自動(dòng)手操作，從制樣到鍍膜再到觀測樣品的形貌，三五一組，反復(fù)操作。這樣既能相互溝通，及時(shí)糾正問題，又能鍛煉相互協(xié)作能力。學(xué)生經(jīng)過多次學(xué)習(xí)和操作后，由專業(yè)老師進(jìn)行考核，合格的同學(xué)頒發(fā)掃描電鏡上崗證，加蓋河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和學(xué)院的公章以后可以親自操作該儀器，這也給學(xué)生的自信心得到了強(qiáng)大的提升。

2.2 課堂翻轉(zhuǎn)，學(xué)生教代學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施，大大提高了學(xué)生的興趣。將翻轉(zhuǎn)課堂引入到傳統(tǒng)的授課過程中，把以往灌輸式的教學(xué)改成知識查漏補(bǔ)缺，習(xí)題討論等形式，大家在一起學(xué)習(xí)并互相解決在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題，共同總結(jié)，共同進(jìn)步。在掃描電鏡對材料化學(xué)本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生課下通過網(wǎng)絡(luò)或者圖書館等手段，自己查閱預(yù)習(xí)相關(guān)掃描電鏡的知識，包括發(fā)展歷程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、前沿發(fā)展、應(yīng)用方向等方面。學(xué)習(xí)消化后，在課堂上給其他本科生講解其學(xué)習(xí)到的知識，并剖析該電鏡的構(gòu)成、工作原理及操作步驟，最后由專業(yè)老師和其他的學(xué)生提問，講解著根據(jù)問題進(jìn)行相關(guān)的解答。通過此種方式，既大大加深了學(xué)生對掃描電鏡的認(rèn)識，也讓學(xué)生大大提高了自信。學(xué)生提出問題，分析問題和解決問題的能力都得到了提高，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力也得到了鍛煉。

2.3 因材施教，圖像高質(zhì)量

由于掃描電子顯微鏡對樣品的要求多樣性和復(fù)雜性，對于不同的材料，導(dǎo)電性好不好，熱穩(wěn)定性怎么樣，磁性樣品如何處理，生物樣品的制備等，都有不同的處理和制樣方法。我們學(xué)院制作的方案是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室拿出不同的樣品，在SEM測試前進(jìn)行樣品的處理，專業(yè)老師在一旁觀摩和指導(dǎo)。這樣在學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生不斷的掌握其技能，對圖像的采集起了很重要的作用。對未知樣品進(jìn)行EDS和mapping分析，讓學(xué)生區(qū)分譜線中的重疊峰和逃逸峰等，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、創(chuàng)新能力、獨(dú)立分析解決實(shí)際問題的能力等；又培養(yǎng)了他們的自信心，把所學(xué)知識運(yùn)用到實(shí)踐中，學(xué)有所用；還在就業(yè)之后發(fā)揮自己在實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的能力，達(dá)到單位對人才的需求。

2.4 課后討論，溫故而知新

知識的掌握都是由預(yù)習(xí)，學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)架構(gòu)的，掃描電鏡的本科教學(xué)實(shí)踐也不例外。學(xué)生在電鏡室進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作之后，課外也要有復(fù)習(xí)總結(jié)，寫出學(xué)習(xí)的體會和疑難問題。并利用現(xiàn)代的科技手段，由專業(yè)老師牽頭，專門建立一個(gè)掃描電鏡交流群，群里面有電鏡專業(yè)老師和每一屆對電鏡學(xué)習(xí)的學(xué)生，也有分管本次本科教學(xué)實(shí)踐的院領(lǐng)導(dǎo)。在里面學(xué)生可以對掃描電鏡的相關(guān)問題暢所欲言，分享自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和體會。對于已經(jīng)畢業(yè)的走進(jìn)工作崗位的學(xué)生，他們也會分享在單位是實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和掃描電鏡的企業(yè)利用率。學(xué)生也可以針對電鏡之外的話題進(jìn)行提問，包括生活上、科研上、工作上、情感上等，在學(xué)生提出的問題中，老師負(fù)責(zé)答疑，知無不言言無不盡，共同學(xué)習(xí)，共同探討。在學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐后，老師要求學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以方便更準(zhǔn)確的掌握學(xué)生對掃描電鏡的疑惑，對學(xué)生不知道的難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，有針對性的進(jìn)行制定下一步教學(xué)的教學(xué)計(jì)劃。

3 結(jié) 語

本科教學(xué)實(shí)踐的改革一直都是受到很多高校的密切關(guān)注。大型儀器走進(jìn)本科教學(xué)實(shí)踐也是最近幾年的熱門話題。本校材料與化學(xué)工程學(xué)院審時(shí)度勢，為了培養(yǎng)更好的對社會有用的人才，深化大型儀器改革，以掃描電鏡為試點(diǎn)，讓越來越多的大型儀器走出科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)本科教學(xué)實(shí)踐中來，并取得了非常好的效果。從制樣到觀測，學(xué)生親自操作儀器，獲得不同樣品的形貌與EDS和mapping信息，獲得了更為直觀的感性和理性認(rèn)識。此次大型儀器的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)研究的濃厚興趣，為以后考研做了良好的鋪墊。提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，也提高了實(shí)踐教學(xué)水平?？茖W(xué)研究從本科生做起，通過掃描電鏡的開放教學(xué)，也提高了儀器的使用率和機(jī)時(shí)數(shù)。