電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“三層次”培訓(xùn)體系的建立

權(quán)茂華， 孫建林， 熊小濤， 薛潤(rùn)東

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“三層次”培訓(xùn)體系的建立

權(quán)茂華， 孫建林， 熊小濤， 薛潤(rùn)東

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

引入培訓(xùn)、教學(xué)雙模式，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)趣味性，提升學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用能力，北京科技大學(xué)針對(duì)透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，建立了“三層次”(即基礎(chǔ)理論培訓(xùn)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、操作技巧培訓(xùn))培訓(xùn)體系。以不同形式的培訓(xùn)為手段，為學(xué)生創(chuàng)造了自主選擇學(xué)習(xí)形式的空間，搭建了學(xué)生與專(zhuān)家、學(xué)者之間交流的平臺(tái)，提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科研能力，引導(dǎo)學(xué)生完成自主化的學(xué)習(xí)過(guò)程。從演示到理論講解，再到實(shí)踐操作的“三層次”培訓(xùn)體系的建立打破了傳統(tǒng)透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固有模式，有效地彌補(bǔ)了電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示教學(xué)模式存在的問(wèn)題，提升了透射電鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和使用效率，為國(guó)家貯備電鏡人才的同時(shí)，也為大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了新途徑。

電鏡培訓(xùn);三層次;實(shí)驗(yàn)教學(xué);大型儀器設(shè)備

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，特別是在信息、材料、生物科學(xué)等領(lǐng)域，電子顯微鏡發(fā)揮著越來(lái)越大的作用［1］。生物學(xué)家可以用它研究細(xì)胞、細(xì)菌、病毒和膠體顆粒的結(jié)構(gòu)，材料學(xué)家可以用它揭示金屬、陶瓷、鋼鐵的非均勻性和缺陷，地質(zhì)學(xué)家用它研究巖石、礦物和化石的顯微結(jié)構(gòu)，探究地球起源和礦產(chǎn)資源。尤其是透射電子顯微鏡，其最高分辨率可達(dá)0.05 nm，它的功能強(qiáng)大到足以看清單個(gè)原子的投影像。在這種形式下，我國(guó)每年都進(jìn)口各類(lèi)電子顯微鏡200多臺(tái)，用于全國(guó)各個(gè)高校和研究所的教學(xué)和科研工作［2］。為了學(xué)生盡快掌握這些儀器設(shè)備的基本原理和使用方法，北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、北京科技大學(xué)、西安石油大學(xué)等各大高校陸續(xù)開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程［3］。然而，像掃描電鏡，透射電鏡(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為電鏡)這種價(jià)值上百萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)的儀器，由于其數(shù)量有限，提高電鏡的使用率［4］以及直觀、形象解釋基本概念一直是電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問(wèn)題。

1 電鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

作為大型儀器設(shè)備電鏡價(jià)格昂貴，由于其資源有限，目前本科生和研究生的電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能像其他的實(shí)驗(yàn)課一樣，每位學(xué)生一臺(tái)設(shè)備，學(xué)生親自上機(jī)的時(shí)間有限，導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)課形式只能以教師演示，學(xué)生觀察為主［5］。例如，能夠在納米尺度上揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的透射電鏡具有高精度、大型化、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，授課教師通常以標(biāo)準(zhǔn)樣品為例，把明場(chǎng)像、暗場(chǎng)像的成像過(guò)程以及菊池線、電子衍射斑點(diǎn)、高分辨像的獲取過(guò)程一一演示給學(xué)生。第一，這種授課方式限定了學(xué)生運(yùn)用電鏡分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，同時(shí)不利于加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，只能停留在感性認(rèn)識(shí)的層面上。第二，這種授課方式不利于理論和實(shí)踐的結(jié)合，易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課與理論課脫節(jié)的現(xiàn)象。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要以扎實(shí)的理論基礎(chǔ)為前提，而實(shí)踐卻是強(qiáng)化理論知識(shí)的重要途徑，因而增加實(shí)踐過(guò)程是引導(dǎo)學(xué)生走向創(chuàng)新的必經(jīng)之路［6-7］。目前電鏡實(shí)驗(yàn)課課時(shí)有限，學(xué)生上機(jī)時(shí)間較短，且上機(jī)人數(shù)有限，極大地限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)也減低了大型儀器設(shè)備的使用率。

總之，以演示為主的電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，同時(shí)減低了大型儀器設(shè)備的使用率。

2 “三層次”電鏡培訓(xùn)體系的建立

現(xiàn)代的電鏡采用高速運(yùn)算且功能強(qiáng)大的電腦控制、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，伴隨著數(shù)字電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了儀器的操作步驟，使用者只需較少專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)即能獲取材料的顯微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。面對(duì)新局面，以培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型材料人才為教學(xué)改革目標(biāo)的北京科技大學(xué)［8］，針對(duì)電鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，在建設(shè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的背景下［9］，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)中心建立了“三層次”電鏡培訓(xùn)體系。所謂的“三層次”電鏡培訓(xùn)體系，即基礎(chǔ)理論培訓(xùn)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、操作技巧培訓(xùn)(見(jiàn)表1)。電鏡培訓(xùn)其授課形式多樣化［10］、學(xué)習(xí)方式個(gè)性化、規(guī)?？煽匦缘奶攸c(diǎn)，極大地彌補(bǔ)了大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，開(kāi)辟培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的新途徑。

(1)基礎(chǔ)理論培訓(xùn)。以基礎(chǔ)理論、顯微結(jié)構(gòu)分析為目的的電鏡培訓(xùn)，具有學(xué)習(xí)規(guī)模大，影響廣泛的特點(diǎn)。這層面的培訓(xùn)面向所有電鏡的使用者和對(duì)電鏡感興趣的學(xué)生，課程內(nèi)容涉及透射電鏡的基本功能和使用范圍，主要以傳統(tǒng)授課方式為主，結(jié)合理論講解把實(shí)驗(yàn)過(guò)程以短片的形式播放給學(xué)生。實(shí)驗(yàn)中心于2013年舉辦了以推廣透射電鏡分析技術(shù)為主題的電鏡培訓(xùn)，培訓(xùn)課時(shí)為 30學(xué)時(shí)。邀請(qǐng)了在 EDX、STEM、HRTEM、EELS和計(jì)算模擬方面具有豐富從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家、學(xué)者做主講人，通過(guò)授課、演示的方式向?qū)W生生動(dòng)地展示了透射電鏡工作過(guò)程，圖像解析方法。學(xué)習(xí)規(guī)模近百人。

表1 電鏡培訓(xùn)的基本模式

(2)專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。以專(zhuān)業(yè)技術(shù)推廣為目的的電鏡培訓(xùn)，主要面向運(yùn)用電鏡解決科研的研究生。其特點(diǎn)是培訓(xùn)周期短、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)。以推廣新技術(shù)，提升科研水平為目的。例如，實(shí)驗(yàn)中心于2006年舉辦了以高分辨像分析為主題的電鏡培訓(xùn)班，吸引了全國(guó)多所高校的師生前來(lái)參加。聘請(qǐng)?jiān)陔婄R領(lǐng)域資深學(xué)者、科研一線的研究人員做主講人，培訓(xùn)方式以主題報(bào)告為主。

(3)操作技巧培訓(xùn)。以操作技巧演示為目的的電鏡培訓(xùn)，其特點(diǎn)是培訓(xùn)周期長(zhǎng)，學(xué)習(xí)規(guī)模小，采用一對(duì)三或一對(duì)五的培養(yǎng)模式，以上機(jī)演示、動(dòng)手操作的授課形式為主，理論講解為輔，主要面向有意從事電鏡研究領(lǐng)域的學(xué)生和青年教師。實(shí)驗(yàn)中心每學(xué)期都會(huì)開(kāi)設(shè)以透射電鏡操作技巧為主題的電鏡培訓(xùn)，學(xué)習(xí)規(guī)?？刂圃?0人以下，培訓(xùn)方式以演示、上機(jī)演練為主，授課10學(xué)時(shí)，上機(jī)300機(jī)時(shí)。

3 電鏡培訓(xùn)效果分析

(1)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解。提供了自主化學(xué)習(xí)方式。解析電子衍射譜、高分辨圖像都需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，是解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)，也是創(chuàng)新思想的源泉。電鏡培訓(xùn)通過(guò)聘請(qǐng)長(zhǎng)期從事科研工作的教師作為主講人，結(jié)合科研問(wèn)題解析過(guò)程強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力，有效地解決了理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系的建立適應(yīng)了學(xué)生自主選擇要求。學(xué)生可以根據(jù)自身對(duì)電鏡需求程度選擇培訓(xùn)方式，這種自主選擇學(xué)習(xí)的方式［11］，可以最大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

(2)推廣電鏡新技術(shù)。隨著電鏡硬件與軟件兼容性變革，了解軟件的使用是獲取準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提?；A(chǔ)理論與現(xiàn)代新技術(shù)之間恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，有利于開(kāi)闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神［12-13］。

(3)培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，搭建科研平臺(tái)。電鏡培訓(xùn)通過(guò)可視化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為廣大愛(ài)好科研工作的師生提供了交流、學(xué)習(xí)的平臺(tái)。引領(lǐng)學(xué)生深入探討科學(xué)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題探討的興趣，為國(guó)家儲(chǔ)備專(zhuān)業(yè)人才。例如，材料物理專(zhuān)業(yè)的祝遠(yuǎn)民同學(xué)參加了專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和操作技巧培訓(xùn)，撰寫(xiě)的論文發(fā)表在APL期刊上。材料加工專(zhuān)業(yè)何洋同學(xué)參加了“三層次”的電鏡培訓(xùn)，全面掌握了透射電鏡的操作技術(shù)，博士畢業(yè)后赴美國(guó)從事透射電鏡專(zhuān)業(yè)研究工作。

(4)踐行因材施教層次化的教學(xué)思想，提升大型儀器設(shè)備的使用率?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系的建立，為學(xué)生提供了自主選擇的空間。根據(jù)學(xué)生對(duì)電鏡的使用情況，進(jìn)行不同層次的培訓(xùn)，踐行了因材施教層次化的教學(xué)思想［14-16］。目前實(shí)驗(yàn)中心電鏡室配備了4臺(tái)不同型號(hào)的透射電鏡用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其中包括H-800、100CX、JEM-2010 和 Tecnai G2F-20。4 臺(tái)透射電鏡包涵了3種主要的電子源類(lèi)型(鎢電子槍、六硼化鑭電子槍和場(chǎng)發(fā)射電子槍)，有利于學(xué)生全面了解透射電鏡的工作方式。新、老儀器的并存有利于不同層次培訓(xùn)的展開(kāi)。例如，在操作技巧培訓(xùn)中，讓學(xué)生先在相對(duì)較舊的設(shè)備上動(dòng)手操作，待操作熟練后，經(jīng)過(guò)80機(jī)時(shí)的培訓(xùn)就可在場(chǎng)發(fā)射電鏡上操作。

4 結(jié)語(yǔ)

“三層次”電鏡培訓(xùn)體系的建立，不僅彌補(bǔ)了電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示教學(xué)模式存在的問(wèn)題，同時(shí)有效地提高了大型儀器設(shè)備的使用率?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系實(shí)現(xiàn)了因材施教層次化的教學(xué)思想，在培養(yǎng)學(xué)生探索興趣的基礎(chǔ)上，提高了學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，同時(shí)也為電鏡行業(yè)儲(chǔ)備人才。“三層次”培訓(xùn)體系是教學(xué)模式的延伸，在推動(dòng)科研水平發(fā)展上同樣具有輻射作用。從演示到理論講解，再到實(shí)踐操作的“三層次”培訓(xùn)模式，為大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了新途徑。

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Establishment of“the Three-Level”Training System in the Experimental Teaching of Transmission Electron Microscope

QUAN Mao-hua，SUN Jian-lin，XIONG Xiao-tao，XUE Run-dong
(School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to meet the educational aims of increasing the students’learning interest and strengthening students’basic theoretical knowledge，University of Science and Technology Beijing established training system of“the threelevel”(that is the training of basic theory，the training of professional technology，the training of operation skills)in the experimental teaching of transmission electron microscope.The training created opportunity to free choice learning mode，gave opportunity to exchange ideal between student and expert，improved ability of scientific research and cultivated independent study manner.The training system of“the three-level”broke the limit of mode of traditional experimental teaching，improved the standing and the using rate of large-scale instrument and equipment in the experimental teaching，cultured a lot of professionals，opened up a new way of large instrument and equipment for teaching.

training of electron microscope;three level;experimental teaching;large-scale instrument and equipment

G 420

A

1006－7167(2014)05－0171－04

2013－07－04

2012年北京市基建項(xiàng)目-教育教學(xué)改革

權(quán)茂華(1980－)，女，黑龍江慶安人，博士，工程師，主要研究方向:材料顯微結(jié)構(gòu)分析與表征。

Tel.:13552639136;E-mail:mhquan@ustb.edu.cn