淺談掃描電鏡實驗教學(xué)的體會

吳勤 郝婷麗

摘要：掃描電鏡是應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的精密貴重儀器，通過分析實驗課程教學(xué)中存在的不足，針對問題提出改進措施，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡;實驗教學(xué);方法優(yōu)化

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0386-02

掃描電鏡是利用高能的電子束與樣品相互作用，然后用相應(yīng)的探頭接收信號，從而得到樣品的各種信息。二次電子得到的是樣品表面形貌信息，背散射電子得到的是樣品原子序數(shù)襯度，特征X射線得到的是樣品成分信息[1]。掃描電鏡有制樣簡單、立體感強等特點，是一款功能強大的表面微區(qū)分析儀器，在材料學(xué)、化學(xué)、植物學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[2]。我校目前有兩臺掃描電鏡。一臺是日本電子JSM-6480LV型鎢燈絲電鏡，已使用將近10年。一臺是2015年購置的日本日立SU8010型場發(fā)射電鏡，配備HORIBA X-maxN型能譜。

石河子大學(xué)為綜合型大學(xué)，化學(xué)工程與技術(shù)是我校一流學(xué)科，化學(xué)化工學(xué)院在工業(yè)催化方面與新疆天業(yè)、新疆大全新能源等企業(yè)聯(lián)系緊密，生命科學(xué)學(xué)院研究的新疆特色植物和昆蟲、農(nóng)學(xué)院研究的新疆農(nóng)作物都需要掃描電鏡的支持。掃描電鏡實驗課程對我校理工農(nóng)科類研究生的專業(yè)水平、科研能力具有重要的影響，尤其是在樣品的制備、觀察、微觀元素分析方面。因掃描電鏡是精密和貴重儀器，這門實驗課的性質(zhì)為理論講授加演示，學(xué)生積極性不高，未獲得滿意的效果。本文對之前存在于教學(xué)中的問題進行總結(jié)，并在現(xiàn)有條件下找出相應(yīng)的解決辦法。

一、實驗課程的不足之處

（一）實驗儀器陳舊

掃描電鏡實驗教學(xué)任務(wù)由日本電子鎢燈絲電鏡（JSM-6480LV）承擔(dān)，且沒有配備能譜儀，理論放大倍數(shù)僅為30萬。此臺電鏡分辨率僅能達到微米級，且已使用將近10年，已經(jīng)無法滿足教學(xué)和科研的需求。

（二）是授課方式老舊

之前的授課主要是由管理電鏡的實驗人員簡單地講解電鏡的原理，帶領(lǐng)學(xué)生參觀演示。由于儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理抽象難懂，又因掃描電鏡結(jié)構(gòu)封閉，學(xué)生難以觀察到內(nèi)部，也沒有辦法觀察電子束與樣品的作用，單憑口頭講授學(xué)生很難理解[3]。加之儀器操作步驟復(fù)雜，包括制樣、噴金、粘樣、上樣、操作、觀察、取樣等步驟，每一步都有需要特別注意的地方，僅靠一次實驗并不能學(xué)會，更不用說熟練操作，而且即使微小的不當(dāng)操作都可能會對設(shè)備造成致命損壞。掃描電鏡是昂貴的大型設(shè)備，數(shù)量有限，學(xué)生沒有充足的上機操作時間。另外實驗課程與科研結(jié)合不夠緊密。

（三）考核制度單一

原有的考核以最終的實驗報告和出勤作為最終成績，不能反映教學(xué)的效果。學(xué)生在上課時參與度低，做實驗時走馬觀花、心不在焉。實驗報告內(nèi)容雷同，往往應(yīng)付了事。學(xué)生的動手能力和科研能力得不到鍛煉，也沒有充分認(rèn)識掃描電鏡對科研的重要性，以至于很多學(xué)生在做科研時束手無策。

二、電鏡實驗教學(xué)改進方案

（一）購買新的實驗設(shè)備

我校分析測試中心于2015年采購第二臺掃描電鏡，為日本日立冷場發(fā)射掃描電鏡，并配備HORIBA能譜儀，最大放大倍數(shù)為80萬倍。與之前的鎢燈絲電鏡相比，這款電鏡的分辨率等各項性能都有很大提高，能滿足目前的科研和教學(xué)需求。實驗課程使用這臺儀器使學(xué)生了解到前沿的研究手段，增加了能譜方面的部分，讓課程更加豐滿。

（二）改進實驗教學(xué)方法

針對之前存在于實驗教學(xué)中的問題，我們可以采用相應(yīng)的方法進行改進。

1.實驗課程環(huán)節(jié)改進。首先把學(xué)生分成小組，每組4～6人，以小組為單位輪流開課，這樣能保證學(xué)生有充分接觸儀器的時間。在課前要求學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，學(xué)生可以通過網(wǎng)上資源（例如慕課）了解儀器的基本原理，對掃描電鏡有一個整體的認(rèn)識。

上課時采用多媒體教學(xué)，在講解抽象的原理時多使用動畫、圖片，調(diào)動學(xué)生興趣，使學(xué)生的知識立體起來[4]。例如，在講解結(jié)構(gòu)時，把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)用簡化的圖片呈現(xiàn)在學(xué)生眼前;采用動畫的形式展示電子束與樣品作用、X射線產(chǎn)生的過程，以及一些有趣的昆蟲圖像（例如，蚊子的口器、蒼蠅的復(fù)眼等）。

在課后，針對有意向從事電子顯微領(lǐng)域研究的學(xué)生進行實操培訓(xùn)。采用一對二的培養(yǎng)模式，以教師演示、學(xué)生動手操作的授課方式為主。培訓(xùn)的內(nèi)容主要包括儀器的操作和軟件的使用[5]。

2.實驗課程與導(dǎo)師組密切合作。針對有意向從事電子顯微領(lǐng)域研究的學(xué)生，采用與導(dǎo)師組合作的方式，給導(dǎo)師課題組減免測試費用，課題組的樣讓學(xué)生自己測，增加學(xué)生上機機會。這樣不僅能夠鍛煉學(xué)生的動手實踐能力，還能為課題組科研提供服務(wù)，減輕測試人員的壓力，提高了儀器使用率。在學(xué)生測試時會有一名熟悉儀器操作的老師在一旁指導(dǎo)，以保證學(xué)生的正確使用，并及時解決出現(xiàn)的問題。經(jīng)過40個機時的訓(xùn)練，使學(xué)生能夠熟練且獨立地操作儀器。

3.實驗課程與科研緊密結(jié)合。大部分研究生選修掃描電鏡課程的目的是為今后的科研課題工作奠定基礎(chǔ)，因此，實驗課程需要與科研緊密結(jié)合，緊跟前沿。在授課方面，我們專門聘請在電子顯微方面具有豐富科研經(jīng)驗的老師，結(jié)合科研中遇到的實際問題，利用案例教學(xué)優(yōu)勢，與實驗儀器操作人員組合授課，大大提升學(xué)生在實際科研中解決問題的能力。

（三）改進實驗教學(xué)考核方式

新的實驗教學(xué)考核采用“出勤+實驗預(yù)習(xí)+課堂表現(xiàn)+實驗報告+儀器操作”[6]五個方面相結(jié)合的綜合評價方式。比例分別為：出勤20%，實驗預(yù)習(xí)30%，課堂表現(xiàn)20%，實驗報告30%，儀器操作附加10%。降低實驗報告比重，增加實驗預(yù)習(xí)和課堂表現(xiàn)所占比例，提升學(xué)生上課積極性，鼓勵學(xué)生參加儀器操作培訓(xùn)，結(jié)合多方面表現(xiàn)給出成績，增加成績的綜合性和客觀性。

三、結(jié)語

對掃描電鏡實驗教學(xué)的授課方式、內(nèi)容進行優(yōu)化，提高了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)習(xí)效果。將實驗課程與導(dǎo)師組合作，與科研緊密結(jié)合，體現(xiàn)了實驗教學(xué)的前沿性，提高了學(xué)生實踐能力，滿足了石河子大學(xué)的人才培養(yǎng)需求。實驗教學(xué)培養(yǎng)了電鏡后備人才，對學(xué)生的就業(yè)起到了很大幫助，還解決了分析測試中心人手不足的問題，提高了儀器使用率，一舉多得。本文初步探索出適合石河子大學(xué)的精密貴重儀器的研究生實驗課程，對其他高校實驗教學(xué)有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009：15-20.

[2]郭素枝.掃描電鏡技術(shù)及其應(yīng)用[M].廈門：廈門大學(xué)出版社， 2006：15-29.

[3]肖旋，楊豐靜，于航，等.基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求掃描電鏡實驗教學(xué)改革探索[J].教育現(xiàn)代化，2017，（22）：15-17.

[4]張強.多媒體技術(shù)在掃描電鏡實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息，2009，（10）：530.

[5]權(quán)茂華，孫建林，熊小濤，等.電鏡實驗教學(xué)中“三層次”培訓(xùn)體系的建立[J].實驗室研究與探索，2014，（05）：171-174.

[6]馮向東.實驗室工作探索[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2005：181-184.

Talking about the Experiment Teaching Experience of Scanning Electron Microscope

WU Qin， HAO Ting-li

（Analysis and Testing Center， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003， China）

Abstract： Scanning Electron Microscopy （SEM） is a kind of precise and valuable instrument with a wide range of application in scientific research. There are deficiencies in the teaching of experimental course. Improvement measures are proposed for the problems and good teaching results have been achieved.

Key words： SEM; experimental teaching; method optimization