掃描電鏡實驗課程教學模式探索

張 毅，歐陽靜，楊 陽

（中南大學資源加工與生物工程學院 湖南 長沙 410083）

掃描電鏡是電子顯微技術領域不可或缺的檢測工具，屬于科研和教學中高度依賴的大型精密儀器，在材料、化工、生物、醫(yī)學等領域有著重要地位[1-3]。本文基于掃描電鏡實驗課程的教學改革，兼顧課程的科學性、趣味性、針對性、實效性，增強理論教學與實踐教學的結合，始終體現學生的主體地位。運用現代教育技術提高課堂教學效率，引導學生主動參與課程教學的各個階段，在有效學時內講授掃描電鏡技術的發(fā)展、基本結構與工作原理、樣品制備與電鏡觀察、圖像處理與信息解讀、技術難點與前沿應用等內容。同時，建立多種信息交互途徑，設計有效的研學問題引領小組合作，設置研究生助教全程參與實踐操作，探索“導學、自學、助學”的模式與變式[4-5]。

1 掃描電鏡實驗課程設置對于人才培養(yǎng)的作用

大型精密儀器在教學科研中發(fā)揮著重要作用，是培養(yǎng)人才的重要保障。結合大型精密儀器開設的新型實驗教學課程，注重基礎知識和實驗技能的融合，強調學生對前沿科技的零距離接觸，將大型精密儀器打造成學生自主學習、獨立探索、深度觀察、科研創(chuàng)新的重要平臺。掃描電鏡實驗課程教學講授了儀器的基本結構、運行原理、實踐操作和使用范圍，能夠輔助學生參與科研項目和完成畢業(yè)論文，對于培養(yǎng)學生的綜合素質和創(chuàng)新精神具有重要作用。

①通過高校學科交叉的科研平臺，實驗課程注重培養(yǎng)學生研究問題和分析問題的水平。教學過程中嘗試將高?？萍紕?chuàng)新優(yōu)勢轉向學生培養(yǎng)優(yōu)勢，同時綜合了解掃描電鏡與其他表征技術的融合使用。②通過掃描電鏡實驗課程前沿領域的自主型實驗教學，使學生接觸科技發(fā)展前沿的成果和技術，有助于豐富學生的知識儲備，使其能夠更好地理解最新的科學技術。③通過邀請科學技術行業(yè)專家進行掃描電鏡技術的課堂講解，包括技術原理、結構配置、管理規(guī)章制度等，有助于學生了解掃描電鏡前沿應用的發(fā)展動態(tài)。④通過自主探索與實驗操作，鼓勵學生自由探索并完成整個實驗過程，包括文獻查閱、設計準備、實驗操作、數據處理等，有助于提高學生的獨立思考意識和綜合實驗技能。⑤通過加強對教師和技術人員的業(yè)務培訓，定期組織教師和技術人員前往其他單位學習交流，聘請科學技術行業(yè)專家進行學術講座、技術指導與學術交流，有助于提高實驗室的管理水平及技術水平。

2 掃描電鏡實驗課程在本科實驗教學中的現狀

盡管國家和地區(qū)對于教育教學和科學研究給予了大力支持，高校在購置和共享大型精密儀器方面取得了一定成就，但大型精密儀器用于本科實驗課程教學仍存在一些問題。如何更好地整合掃描電鏡實驗課程，使其更貼合實際需求、提升學生的專業(yè)綜合素質和創(chuàng)新思維意識，輔助學生參與科研項目和完成畢業(yè)論文，已是當前實踐課程建設的重要課題。

掃描電鏡實驗課程教學注重學生的理論基礎結合實踐操作的培養(yǎng)，目前課程內容主要包括掃描電鏡技術發(fā)展與現狀、掃描電鏡結構與原理、掃描電鏡二次電子圖像信息解讀、掃描電鏡背散射技術、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像處理、掃描電鏡文獻閱讀、掃描電鏡實踐操作等。①掃描電鏡技術發(fā)展歷程與現狀課程包括玻璃簡史、光學簡史、電磁場和電磁波等內容，重點講解中國電鏡發(fā)展歷程和相關科研技術人員的事跡和貢獻。②掃描電鏡結構與原理課程包括電子槍、陰極射線管、磁透鏡等電子光學系統(tǒng)的工作原理和二次電子、背散射電子、特征X 射線等信號收集系統(tǒng)工作的原理，課堂展示光學顯微鏡實驗、法拉第籠實驗、陰極射線管實驗。③掃描電鏡二次電子圖像信息解讀課程包括二次電子成像原理、圖像標尺信息解讀等，重點講解圖像襯度原理和應用。④掃描電鏡背散射技術課程包括晶體學和織構基礎、原理和花樣標定、成像和分析、數據處理等背散射技術，重點講解圖像襯度原理和應用。⑤掃描電鏡樣品制備課程包括粉末、塊體、薄膜等常規(guī)樣品的制備和細胞、組織等生物樣品的制備，并結合實踐操作課程進行樣品制備處理。⑥掃描電鏡圖像處理課程包括圖像彩色處理、粒徑測量和分布統(tǒng)計等數字圖像處理，結合實踐操作課程結果進行實際處理。⑦掃描電鏡文獻閱讀課程包括納米顆粒、紡絲薄膜、微球凝膠、高熵合金、細胞細菌等文獻閱讀，嘗試講解掃描電鏡圖像與其他表征技術的相互驗證。⑧掃描電鏡實踐操作課程包括掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡上機培訓與操作、數字圖像處理與分析、實驗報告撰寫等實驗課程，鼓勵學生講解實踐操作心得體會。其中，平時成績（占比40%）主要包括到課情況、課堂討論等，課程成績（占比60%）主要包括實驗報告、平時作業(yè)等。

目前掃描電鏡實驗教學模式仍存在一定問題。理論教學方面，針對市售儀器研發(fā)的要求，現有的儀器結構課程內容需要進一步完善和拓展，以滿足不斷發(fā)展的市場需求。前沿領域和交叉學科的教學內容需要及時調整和更新，跟緊科研時事熱點。實驗操作方面，部分實驗報告不夠完善，特別是對實驗結果的分析和總結方面，需要更加細致入微，以確保實驗報告的質量得到提升。實驗報告撰寫方面，部分學生參照實驗報告，而未能真實反映實際操作情況，有可能獲得不符合實際情況的較高成績。課時分配方面，實驗操作有效時間少，無法確保學生有足夠的時間深入實驗，熟練掌握實驗技能，難以提高學生對儀器的實際應用能力。

3 掃描電鏡實驗課程的教學改革措施

通過大型精密儀器教學改革和科研項目引導培養(yǎng)，掃描電鏡實驗課程教學基于大型精密儀器的基本原理和科學方法，探討礦業(yè)工程主導的學科交叉領域復雜工程問題的解決方案，包括實驗設計與上機操作、數據處理與結果分析、觀點凝練與報告撰寫等。在課堂教學和科研過程中，促使學生由“被動學”變“主動學”，逐步熟練掌握大型精密儀器的操作技能、相關科技文獻的觀點提取、實踐操作方法技術建立、復雜數據結果的處理凝練、科技論文的規(guī)范寫作等。突出價值導向的重要性，探索“導學、自學、助學”模式的構成要素與主要特點。此外，征集具備較高科研素養(yǎng)教師的在研國家級和省部級科研項目，保證實踐教學內容創(chuàng)新性、延續(xù)性和研究性的同時，通過對礦業(yè)工程相關領域前沿問題的全面參與，不僅能夠考查學生對基礎知識、操作技術、數據處理、報告撰寫等技能的運用，而且還能調動學生主動學習、分工合作和獨立創(chuàng)造的思維意識。拓寬學生科研視野和研究范圍的同時，培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新和終身學習的意識。

3.1 掃描電鏡實驗教學課程的教學改革措施

理論教學環(huán)節(jié)。對于學生基礎知識薄弱的問題，教師提前制作高質量的教學課件，確保講解操作的準確和規(guī)范，并明確教學內容框架。精選適用的教學視頻，包括場發(fā)射掃描電鏡的原理和構造、離子濺射鍍膜儀的原理和操作、樣品制備操作、掃描電鏡操作等。課前，學生可以根據個體需求有選擇性地反復觀看教學視頻，結合掃描電鏡項目學習目標，制訂個性化任務，將學生的學習態(tài)勢從被動接收轉變?yōu)榉e極主動學習。對于儀器結構課程，通過多媒體技術、經典物理實驗課堂演示、虛擬與仿真等方式進行授課。多媒體技術可以將電鏡內部構造等難懂部分整合制作成動畫視頻，有助于學生鞏固掃描電鏡的基礎知識。經典物理實驗包括光學顯微鏡實驗、陰極射線管實驗、法拉第籠實驗等，直觀、生動的演示過程有助于學生更好地理解抽象的掃描電鏡工作原理。對于前沿領域知識的學習，注重教學內容與學科發(fā)展同步，適當引用相關前沿方向教學內容，包括月壤樣品文獻閱讀、三星堆考古文獻閱讀、雙碳文獻閱讀等。指導學生掌握科學研究方法，增進學生對于科研熱點的了解。此外，課堂教學中適時地實施獎勵機制有利于構建高效課堂，增進師生互動，有效地提高學生的參與程度、學習效果、課堂氛圍等。改革后的措施豐富了教學內容，拓寬了知識背景，深化了對學生科學思維的培養(yǎng)。

實踐操作環(huán)節(jié)。對于實驗報告不夠完善的問題，加入實驗報告寫作指導環(huán)節(jié)，教師向學生詳細解釋實驗報告的結構和內容，鼓勵學生引入圖表、圖像等更直觀的呈現方式，同時提供實例讓學生參考，以提高實驗報告的完善度。實驗報告的撰寫強調真實性和獨立性，設計實驗時可增加一些變量或改變操作步驟。此外，實驗樣品來源于生活和專業(yè)，如粉體樣品、薄膜樣品、塊體樣品、生物樣品以及日常生活物品（昆蟲、毛發(fā)、花蕊等），展示不導電樣品在噴鍍導電涂層前后的形貌效果對比、不耐輻照樣品在電子束照射前后的形貌對比，以及不同電壓下的形貌對比等，確保每個學生都能根據實際情況進行操作和記錄。鼓勵學生對實驗報告中的問題進行深入討論，加強對實驗過程的理解?？刹捎梅磸蜋z查的方式，確保學生的實驗報告與實際操作情況相符。對于實驗操作安排，重新評估實驗操作時間分配，確保學生有足夠的時間深入實驗。同時，助教全程參與輔助小組合作，確保學生在實驗中能夠熟練掌握操作技能。另外，探索采用預習材料或在線學習資源，使學生能夠在實驗前更好地準備，提高實驗效率。

3.2 掃描電鏡實驗教學課程的實踐報告成績評定

實驗設計（20%），包括文獻查閱總結和實驗設計方案制訂；實驗操作（30%），包括樣品制備和上機操作的實驗標準規(guī)范；實驗記錄（20%），主要指實驗操作過程中的步驟和觀察現象；實驗報告（30%），包括數據處理與結果討論。

實驗設計階段，2-4 名學生組團與指導教師和助理學生具體討論，有助于教師了解學生準備情況，同時增強學生主動學習的興趣。實驗操作階段，助理學生和課題團隊教師全程參與，學生按照課堂筆記中的掃描電鏡基本原理、操作步驟和注意事項等進行實驗，確保實驗操作規(guī)范，增強學生的工程實踐能力。實驗記錄階段，學生參照科研文獻格式，詳細記錄實驗現象，增強學生科研記錄能力。實驗報告階段，學生參照科研文獻，給出實驗觀察結果，對實驗現象進行分析，同時與指導教師討論，提出存在的問題和改進方案。實驗操作由學生自主選題，學生自主學習、教師助教指導和小組討論等多種形式相結合，打破“指導教師詳解實驗操作+學生驗證實驗結果”的輸入輸出教學方式，要求指導教師引導學生主動查閱科研文獻，撰寫具體實驗設計方案，按照既定的計劃進行上機操作，對實踐操作中復雜的工程問題進行討論、比較和總結。通過上述課程教學設計，引導學生主動思考，建立扎實的學科知識體系。

上述培養(yǎng)方案是掃描電鏡實驗課程教學改革的目標，通過“基礎知識儲備-實踐操作訓練-科研報告輸出”的教學流程，綜合鍛煉學生用儀器、看數據、讀文獻、做分析、寫報告的技能，為學生提供理論、實踐的綜合平臺，展示高校專業(yè)培養(yǎng)的特色，同時體現當前社會科技發(fā)展的前沿熱點。這樣不僅能夠鞏固學生的基礎知識，提高其自主學習興趣和學習意識，培養(yǎng)其綜合專業(yè)水平和科研創(chuàng)新意識，而且使大型精密儀器的教學體系與時俱進，保證教學效果。教學改革措施效果明顯，部分學生主動參與教師的研究小組，申報國家級和省級本科生創(chuàng)新項目，實踐創(chuàng)新培養(yǎng)成效顯著。

4 結語

大型精密儀器實驗課程的改革，強調教學內容的互動性與學生的主體性，依據基礎理論內容建設思政教育內涵，根據前沿科技成果完善實驗課程內容，并通過前期課程內容建設、課堂教學過程設計、課后教學效果總結，構建掃描電鏡實驗課程高效教學模式，培養(yǎng)符合“雙一流”本科教學培養(yǎng)戰(zhàn)略思想的綜合型人才。