“透射電子顯微學(xué)”課程教學(xué)改革探索

摘要基于“透射電子顯微學(xué)”課堂教學(xué)中存在的一些問題，本文擬將虛擬電子顯微鏡結(jié)合科技論文中所涉及的透射電鏡分析實(shí)例引入到課堂教學(xué)中，改革該課程傳統(tǒng)教學(xué)中以課堂理論教學(xué)為主的模式。教師可以更好的將該課程中的理論知識和實(shí)踐操作相結(jié)合，同時學(xué)生可以更直觀的了解透射電鏡，更容易理解透射電鏡的工作原理。通過這樣的教學(xué)方式改革，可以確保學(xué)生能夠?qū)W以致用，最大限度的調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓“教”與“學(xué)”更有機(jī)的結(jié)合。

關(guān)鍵詞 透射電鏡 虛擬電鏡 教學(xué)改革 材料分析測試 微觀分析

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.047

ExplorationonTeachingReformoftheCourseofTransmissionElectronMicrosocpy

WANG Haomin

（Institute for Advanced Study， Chengdu University， Chengdu， Sichuan 610106）

AbstractBased on the problemsin the courseofTransmissionelectronmicroscope（TEM）.Inthis paper，thevirtual TEM and TEM analyzing experiments from scientific papers were introduced into classroom teaching. The reform of teaching method can improve theteaching quality of this course.

Keywordstransmission electron microscope； virtual TEM； teaching reform； material analysis and testing； microscopic analysis

“透射電子顯微學(xué)”是一門理論、實(shí)踐并重的課程，是材料相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課，該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生透射電子顯微鏡來分析材料的微觀結(jié)構(gòu)形貌和顯微成分。在過去傳統(tǒng)“透射電子顯微學(xué)”的教學(xué)過程中，由于電子顯微鏡屬貴重精密設(shè)備、維護(hù)費(fèi)用高昂，該課程的教學(xué)組織形式只能以課堂理論教學(xué)為主，不能組織開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生只能生澀的理解透射電鏡分析的理論知識，并且對儀器設(shè)備的基本原理和構(gòu)造缺乏直觀的理解。這些弊端造成了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)積極性不高、學(xué)習(xí)效率低下，缺乏對該測試分析方法的直觀感受，這對學(xué)生以后利用該方法對材料進(jìn)行測試分析是不利的。

針對以上“透射電子顯微學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題，本文擬將虛擬電子顯微鏡引入課堂教學(xué)中，并結(jié)合科技論文中利用電子背散射衍射技術(shù)分析的實(shí)例進(jìn)行講解。通過引入虛擬電子顯微鏡，學(xué)生可以在課堂上利用計算機(jī)對電子顯微鏡進(jìn)行操作，并對電子顯微鏡的構(gòu)造進(jìn)行直觀了解。其次，結(jié)合科技論文中透射電鏡分析實(shí)例，重點(diǎn)講解其中涉及的測試條件、參數(shù)選擇，分析過程等，可以使學(xué)生對電子顯微鏡的操作和分析具有更加直觀的理解。

1“透射電子顯微學(xué)”課程特點(diǎn)

透射電子顯微學(xué)是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。理論知識可以有效的指導(dǎo)實(shí)踐，同時也是分析結(jié)果的必備基礎(chǔ)。該課程要求教師對透射電子顯微學(xué)中涉及的理論知識點(diǎn)（比如：晶體理論、衍射理論、成像原理、能譜分析等）進(jìn)行系統(tǒng)講解，同時應(yīng)結(jié)合實(shí)踐操作對透射電子顯微鏡的構(gòu)造、測試方法進(jìn)行介紹。讓學(xué)生能夠直觀理解透射電子顯微分析方法。

透射電子顯微學(xué)是一門專業(yè)性與多樣性相結(jié)合的課程。透射電子顯微學(xué)同掃描電子顯微學(xué)一樣，都是通過利用高能電子束同物質(zhì)相互作用，并產(chǎn)生各種不同的信號，隨后對這些信號進(jìn)行分析從而得到想要的結(jié)果。另一個方面，不同于掃描電子顯微分析較為單一的分析能力，透射電子顯微分析包括了形貌、結(jié)構(gòu)、成分、能譜等分析手段。

透射電子顯微學(xué)是一門“低開高走”的課程。透射電子顯微學(xué)作為一門應(yīng)用、實(shí)踐類課程，本課程的授課對象大多是材料類專業(yè)高年級學(xué)生或低年級研究生，他們經(jīng)過前期的專業(yè)課程學(xué)習(xí)，已經(jīng)具備了很多本課程學(xué)習(xí)所需的專業(yè)基礎(chǔ)。因此，在本課程的學(xué)習(xí)初期，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情往往較高，但隨著課程的深入，往往需要學(xué)生利用多學(xué)科的知識來解決問題，這對學(xué)生的綜合素質(zhì)以及教師的授課方式提出了較高的要求。

2“透射電子顯微學(xué)”課程教學(xué)方法

鑒于前面對透射電子顯微學(xué)課程特點(diǎn)的描述，教師在教學(xué)過程中應(yīng)著重圍繞以下幾點(diǎn)來展開：

重視透射電子顯微學(xué)中涉及的理論基礎(chǔ)的講解。不同于其他現(xiàn)代分析測試技術(shù)，透射電子顯微學(xué)是一門多學(xué)科相結(jié)合的應(yīng)用型課程。期間，教師應(yīng)對材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子與物質(zhì)的相互作用、電子衍射規(guī)律、成像原理等理論知識進(jìn)行系統(tǒng)講解。

系統(tǒng)、詳細(xì)講解透射電子顯微測試方法及涉及的理論內(nèi)容。概括來講，透射電子顯微測試的過程主要包括以下四個步驟：樣品準(zhǔn)備、儀器校準(zhǔn)（電子束合軸）、成像拍照、結(jié)果分析。其中每一個步驟對后面的結(jié)果均有重要的影響，因此教師在授課過程中應(yīng)重視這種內(nèi)在的因果關(guān)系，并就每一操作步驟后面涉及的理論基礎(chǔ)進(jìn)行講解，讓學(xué)生知其然也知其所以然。

重視透射電子顯微分析實(shí)例的講解，堅持從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去。教師在課程教學(xué)中，可以選擇一些常用且具有代表性的測試分析案例進(jìn)行講解。分析案例可以從科技論文中選取，通過對科技文獻(xiàn)中的測試方法和結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)講解，可以讓學(xué)生對為什么使用透射電鏡，怎樣使用透射電鏡，使用透射電鏡能得到什么結(jié)果，怎樣分析透射電鏡結(jié)果等一系列問題有更加深刻的認(rèn)識。有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和素養(yǎng)。

3“透射電子顯微學(xué)”課程教學(xué)改革探索

3.1教學(xué)方法改革探索

教學(xué)是由教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”的結(jié)合，如何讓教師的“教”有效的傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生的“學(xué)”有所成，是教學(xué)活動中的重點(diǎn)。透射電子學(xué)作為一門理論和實(shí)踐相并重的課程，如何選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和考核方式，是教好、學(xué)好這門課程的重要條件。

由于透射電子顯微鏡高昂的維護(hù)成本，因此傳統(tǒng)的透射電子學(xué)教學(xué)幾乎都采用課堂理論教學(xué)結(jié)合少量案例分析，學(xué)生無法直觀的感受設(shè)備的構(gòu)造和工作原理。此外，由于學(xué)生幾乎沒有上機(jī)操作的可能，因此學(xué)生對透射電鏡的測試方法更是了解甚少。本文提出在課堂教學(xué)中引入透射電鏡虛擬電子顯微鏡（如圖1所示），可以讓學(xué)生在課堂上通過計算機(jī)對透射電鏡虛擬電子顯微鏡進(jìn)行同步操作。由于該虛擬電子顯微鏡還支持零部件單獨(dú)操作功能，可以讓學(xué)生利用簡單的鼠標(biāo)單擊選中，了解透射電鏡的零部件構(gòu)造，以及每一個零部件的功能介紹及其工作原理。因此，教師在透射電子顯微學(xué)的課堂講解中，可以結(jié)合透射電鏡虛擬電子顯微鏡的這一功能，形象生動的對透射電子顯微學(xué)中相對應(yīng)的理論知識進(jìn)行講解，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，針對傳統(tǒng)透射電子顯微學(xué)教學(xué)過程中學(xué)生無法上機(jī)操作。我們可以利用虛擬電子顯微鏡上的模擬仿真功能，讓學(xué)生就透射電鏡的一些簡單測試方法進(jìn)行操作。通過這樣的改進(jìn)，可以徹底的扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)透射電子顯微學(xué)教學(xué)過程中，以教師授課為主，學(xué)生被動、生澀接受的教學(xué)方法；可以極大的增加課程的生動性，充分的讓學(xué)生參與進(jìn)來，真正的做到“教”與“學(xué)”的結(jié)合；可以充分的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生積極、主動的去探索、學(xué)習(xí)透射電子顯微學(xué)知識。

透射電子顯微分析在微結(jié)構(gòu)方面擁有強(qiáng)大分析能力的同時，也帶來了復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理分析過程。在傳統(tǒng)透射電子顯微學(xué)教學(xué)中重點(diǎn)幾乎都放在的基本原理、基本構(gòu)造和基本操作方法，很少關(guān)注其數(shù)據(jù)的后處理過程。我們通過將高水平科技文獻(xiàn)中的透射電鏡分析實(shí)例引入課堂，通過對這些實(shí)例的全流程講解，可以讓學(xué)生對透射顯微分析的整個過程有比較深入的了解，更重要的是可以讓學(xué)生直觀的了解透射顯微分析的數(shù)據(jù)后處理方法和過程。

3.2教學(xué)實(shí)例

本文通過在透射顯微電子學(xué)課程教學(xué)中引入透射電鏡虛擬電子顯微鏡以及科技論文文獻(xiàn)中涉及的典型材料透射電鏡分析案例，更加直觀的呈現(xiàn)該課程中涉及的基礎(chǔ)理論知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓該課程的“教”與“學(xué)”更加緊密的結(jié)合。以下舉例如何將透射電鏡虛擬電子顯微鏡和科技論文文獻(xiàn)引入課堂教學(xué)中。為了充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的積極性和能動性，加強(qiáng)學(xué)生在課程教學(xué)中的融入互動。我們將學(xué)生分為若干學(xué)習(xí)小組，每組人數(shù)控制的5-6人，每個小組在課堂學(xué)習(xí)中合作完成課程任務(wù)。

3.2.1透射電鏡結(jié)構(gòu)及基本工作原理講解

透射電鏡結(jié)構(gòu)和基本工作原理是透射電子顯微學(xué)課程教學(xué)中的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，透射電鏡按功能可以分為三個大的部分：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)。其中照明系統(tǒng)由電子槍和聚光鏡組成。成像系統(tǒng)包括：物鏡、中間鏡、投影鏡。觀察記錄系統(tǒng)主要包含一個CCD相機(jī)，以及其他各種功能探頭（X射線能譜、電子能量損失譜、高角環(huán)形場探頭等）。以上這些透射電鏡零部件可以讓學(xué)生在透射電鏡模擬機(jī)上依次選中并操作，了解其基本功能，同時教師結(jié)合多媒體演示可逐一對透射電鏡的零部件的幾何結(jié)構(gòu)、功能及工作原理進(jìn)行詳細(xì)講解。

3.2.2透射電鏡的基本測試方法

以下以如何利用透射電子顯微鏡來拍攝選區(qū)電子衍射為例。利用透射電子顯微鏡來拍攝選區(qū)電子衍射主要包括兩個步驟：合軸和選區(qū)電子衍射。首先讓學(xué)生打開透射電鏡模擬機(jī)，根據(jù)模擬機(jī)上提示的操作步驟（如下）逐步操作、熟悉透射電鏡的基本測試方法。

合軸：（1）打開Beam開關(guān)，在LOW MAG下，找到試樣的薄區(qū)所在位置；（2）在LOW MAG下將放大倍數(shù)調(diào)至500倍，然后切換至MAG1；（3）找到一個薄區(qū)，將放大倍數(shù)調(diào)至2000倍，按下STDFOCUS，并將試樣邊沿移至屏幕中心，按下IMAGE WOBB X，試樣呈抖動狀態(tài)，再通過調(diào)節(jié)Z軸，使試樣不再抖動；（4）將放大倍數(shù)調(diào)至100K倍，并將無試樣區(qū)域移至屏幕中心，逆時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS至電子束呈合適大小內(nèi)、外圓形；（5）按下BRIGHT TILT按鈕，并通過調(diào)節(jié)SHIFTX和SHIFTY將電子束移至屏幕中心，再通過調(diào)節(jié)DEF/STIG X和DEF/STIG Y將電子束的內(nèi)圓恰好移至外圓的中心；（6）再按下COND STIG按鈕，通過調(diào)節(jié)DEF/STIG X和DEF/STIG Y將電子束的內(nèi)圓內(nèi)的圖形調(diào)成“奔馳”車標(biāo)形狀；（7）逆時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS，使電子束的內(nèi)圓和外圓重合，再在HIGHVOLTAGE CONTROL界面中點(diǎn)擊“ON”，按下F4，通過調(diào)節(jié)DEF/ STIG X和DEF/STIG Y使內(nèi)外圓同心縮放；（8）順時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS，使電子束充滿整個屏幕，套取一號聚光鏡光闌，將電子束調(diào)至屏幕中心；（9）將放大倍數(shù)調(diào)至100 K倍，并將薄區(qū)邊沿移至屏幕中心，通過調(diào)節(jié)OBJ FOCUS旋鈕，將試樣邊沿調(diào)至為微欠焦（略顯白色邊沿），再將放大倍數(shù)調(diào)至400K倍，并將邊沿區(qū)移至屏幕中心，按下F1，然后打開CCD，并調(diào)出傅里葉變換，按下OBJ STIG，通過調(diào)節(jié)DEF/STIGX和DEF/STIGY和OBJFOCUS旋鈕（使傅里葉變換為一圓環(huán)），得到清晰的高分辨像；（10）關(guān)閉CCD，再按下F1，將放大倍數(shù)調(diào)至100K倍，找到感興趣薄區(qū)，并將電子束匯聚于一點(diǎn)，按下SA DIFF按鈕，并將相機(jī)常數(shù)調(diào)至60CM，手動將菊池線的交點(diǎn)移至電子束中心。

選區(qū)電子衍射：（1）合軸完成后，在TEM、MAG1模式下，將感興趣區(qū)移至屏幕中心；（2）通過感興趣大、小來套取合適的選取光闌；（3）按下SADIFF按鈕轉(zhuǎn)為衍射模式，獲得相應(yīng)的電子衍射花樣，并通過調(diào)節(jié)MAG/CAM L獲得合適的相機(jī)常數(shù)（20-30CM）——不同相機(jī)常數(shù)的意義；（4）通過順時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS和調(diào)節(jié)DIF FOCUS獲得足夠暗、圓銳的衍射斑點(diǎn)。

3.2.3透射電鏡實(shí)例分析

利用透射電鏡獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過一些后處理過程，才能獲得有用的結(jié)果。然而這一后處理過程在傳統(tǒng)的教材和教學(xué)過程中卻鮮有涉及。因此，我們通過引入科技文獻(xiàn)中的透射電鏡分析實(shí)例，可以在課堂中將這一過程完整的展現(xiàn)出來。下面以采用Gatan公司提供的Digital Micrograph軟件來對高分辨率透射電鏡圖像進(jìn)行反傅里葉變換處理為例進(jìn)行說明，如何將文獻(xiàn)中的透射電鏡分析引入課堂教學(xué)。

我們將文獻(xiàn)[4]中關(guān)于利用透射電鏡來表征納米陶瓷變形機(jī)理的例子引入課堂教學(xué)。首先，該文獻(xiàn)介紹了納米陶瓷不同于傳統(tǒng)陶瓷的變形行為。因此，為了理解納米陶瓷這種獨(dú)特的力學(xué)行為，需要對納米陶瓷在變形過程中微結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行分析。這是問題的提出。隨后文獻(xiàn)中利用透射電鏡獲得的納米陶瓷變形后微結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像（如圖2a所示）。為了更加直觀的展現(xiàn)出納米陶瓷變形后，變形區(qū)域內(nèi)存在的位錯缺陷，需要采用DigitalMicrograph軟件對選定的區(qū)域進(jìn)行反傅里葉變換處理，進(jìn)而得到如圖2b所示的圖像。通過將該部分研究實(shí)例引入課堂教學(xué)中，可以使學(xué)生對透射電鏡數(shù)據(jù)后處理有更直觀的了解，同時對以后系統(tǒng)學(xué)習(xí)Digital Micrograph軟件打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

4總結(jié)

本文通過在“透射電子顯微學(xué)”課堂教學(xué)中引入虛擬電子顯微鏡和科技文獻(xiàn)實(shí)例，教師可以更好的將該課程中的理論知識和實(shí)踐操作相結(jié)合，同時學(xué)生可以更直觀的了解透射電鏡，更容易理解透射電鏡的工作原理。通過這樣的教學(xué)方式改革，可以確保學(xué)生能夠?qū)W以致用，最大限度的調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓“教”與“學(xué)”更有機(jī)的結(jié)合。

*通訊作者：王皓民

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