電子顯微學研究生課程的教學改革探討與實踐

張景懷，巫瑞智，孫揚，李茹民，王彥博，譚淑媛，胡寶瑞

摘要：電子顯微學是一門與材料、化學、物理、生物、地礦等領域息息相關的交叉學科，這門課程在各理工科院校都有開設。本文結合教學實踐對電子顯微學這門研究生課程的教學改革進行了探討，提出了改革的思路和一系列相關實施措施，有利于提高這門課程的教學質量，從而提高學生的學習效率和效果。

關鍵詞：電子顯微學；研究生課程；教學改革

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）03-0031-02

電子顯微鏡是人類認識微觀世界的重要手段，高分辨電子顯微鏡把人眼睛的分辯能力從大約0.2mm拓展至亞原子量級（<0.1nm），大大提高了人們研究物質微觀結構的能力。德國學者E.Ruska在1932年成功研制第一臺電子顯微鏡，50多年后的1986年他獲得崇高的諾貝爾物理獎，這充分說明在這期間電子顯微技術對科學技術和社會生產力的發展起到了巨大的推動作用，得到全球科技界的廣泛承認。到目前，電子顯微技術的應用已經覆蓋了包括材料科學、化學科學、生命科學等在內的幾乎所有的科學領域，凡是涉及到納米結構和微米結構，幾乎都離不開電子顯微分析，中國任何理工科高校幾乎都有電子顯微鏡，電子顯微學這門課也幾乎在中國任何理工科高校的相關學院都有開設，并且隨著材料、化學、生命科學等領域的發展，電子顯微學課程的地位和作用也越來越重要。同時近些年來，隨著電子計算機技術、微電子信息科學等的發展，電子顯微鏡的分析功能得到增強和擴大，我國各高等學校、科研院所相繼引進了具有新分析功能的電子顯微鏡和相關設備。因此，電子顯微學這門課程在材料科學等的發展和相關研究生培養中的地位舉足輕重，并且要求教材建設、教學內容和方法與時俱進、不斷創新。本文作者通過近年來對電子顯微學這門研究生課程的教學實踐總結出一些體會和經驗。

一、教學內容中科學原理與技術應用并重

電子顯微學是材料學、化學等相關專業研究生必選的一門課程，它是一門實驗科學，只有在應用中才能更好地體現它的價值，因此，這門課程傳授給學生更多的是一項應用技術、一種研究方法。教學不僅要傳授原理知識，更重要的是通過教學，讓學生學會這一研究方法，能夠做到學以致用，使學生在研究生階段和以后的科研道路都受益于這門課。然而，目前大部分的電子顯微學教學還是以基礎知識和基本原理為主要內容，使學生初步掌握電子顯微分析的基本原理，往往忽視了這門課程的精髓，即運用所學知識來解釋科學研究中遇到的問題。因此，電子顯微學這門課程的教學目標是不僅使學生初步掌握電子顯微分析的基本原理，而且能夠正確地運用電子顯微技術和方法開展有關的科學研究。例如，電子衍射是透射電子顯微鏡的基本功能之一，電子衍射圖可以給出與試樣晶體學性質有關的諸多信息，從而研究微觀結構和性能的關系。在教學過程中，一方面，對電子衍射的基本原理，即正、倒空間概念、布拉格定律、結構因子等，要向學生闡釋清楚；而另一方面，能夠正確分析和標定電子衍射圖是透射電子顯微術在材料等科學研究中應用的關鍵，也是相關研究者需要掌握的重要技能，因此在教學過程中，還要向學生傳授分析和標定的具體方法、各方法的適用性和優缺點以及在具體操作過程中的注意事項，同時引用自己和同行工作中的典型實例，這樣使學生更容易掌握實際操作步驟，深刻理解其具體應用。

二、教學內容與實際情況相結合

經過八十年的不斷發展和完善，電子顯微術現在已經成為材料、化學、凝聚態物理、生物醫用、半導體電子技術、地質等諸多學科非常重要的研究手段。電子顯微分析涉及多種儀器及附加裝置，包括掃描電鏡、透射電鏡、掃描透射電鏡、電子探針儀、俄歇電子能譜儀、掃描探針顯微鏡等，而且不同儀器又涉及多種電子顯微技術和方法，例如新型透射電子顯微鏡——高空間分辨率分析型透射電子顯微鏡，可做明、暗場像、高分辨像、高角環形暗場像、能量過濾像、選區電子衍射、會聚束電子衍射、微電子衍射、電子能量損失譜、X射線能譜等。不同學科主要應用的具體分析技術和方法不盡相同，由于研究生的課時有限，全面講述電子顯微學的所有知識不現實，因此，教師在授課時要有目的地選擇教學內容，使學生獲得最大收益。要想實現這個目標，教師在選擇教學內容時除了優選一些通用原理、技術和方法外，更重要的是要緊密結合本學院的實際情況，即本學院各位老師的主要研究方向，選擇具體的電子顯微知識，介紹其在相關學科的應用，這樣才能有效提高課程的實用性，使學生能夠真正學以致用。另一方面，在收集實例時，要尤其注意收集本學院老師在各研究領域的代表性研究結果。結合本學院老師的研究結果講解有關內容，不僅能夠提高教學的實用性和生動靈活性，而且可以使各研究生在正式進入實驗室之前，了解指導教師和本學院教師所從事的研究內容，盡早適應后續在實驗室中的科學研究，做到教學與科研有效結合。

三、教材建設、教學內容與時俱進

上世紀80和90年代出版的電子顯微學相關書籍和教材，比較突出電子顯微鏡的基本構造、基本操作以及電子顯微技術的基本原理，對電子顯微鏡的應用介紹不夠。同時，上世紀90年代和本世紀初電子顯微鏡技術發展很快，涌現出了許多新的技術，例如電子能量損失譜（EELS）、匯聚束電子衍射（CBED）、背散射電子衍射（EBSD）、高角環形暗場掃描透射技術（HAADF-STEM）、球差矯正透射電子顯微術（Cs-corrected TEM）等，已有的較老的電子顯微學書籍和教材已經不能滿足要求，亟待補充和更新。近年來，國內許多高校、研究院所購置了新型電子顯微鏡，它們大多配備了具有上述技術的裝置。因此，教師在選擇教學內容時不僅要有傳統的電子顯微知識，還要根據學科發展不斷更新教學內容，注重反映電子顯微學的最新發展成果，使學生了解和掌握這些新的分析技術，有助于他們開闊視野，把握學科前沿，提升他們的研究水平。

四、教學方法靈活，充分利用多媒體教學

在授課時為使學生能夠抓住重點，用最短時間學到對自己有用的電子顯微學知識，教師要根據不同內容需要學生接受程度的不同，把教學內容分為精講內容和簡單介紹內容，只講基本的、關鍵的內容和前沿知識以及在科研實踐中典型的應用實例；同時，要適當地留下一些問題，給學生一個討論和思考的時間，以便于學生能夠更深入地理解相關知識。此外，隨著科學技術的不斷發展，多媒體教學逐漸進入課堂，它具有圖文并茂、聲像俱佳、信息量大等特點，深受教師和學生的普遍歡迎。電子顯微學是以電子顯微鏡為工具，研究材料或物質微觀形態、結構及其化學組成的科學，因此在電子顯微學授課時必然涉及到大量的顯微圖像和圖譜，這些是板書無法實現的，因此運用多媒體進行電子顯微學教學是一種合理和科學的教學方法，多媒體課件可以融圖像/圖譜、文字及動畫為一體，易于教師講授，也易于學生接受。筆者在教學中將多媒體教學與本課程特點緊密結合，在教學過程中發現，利用多媒體課件展示自身和同行科研實踐中獲得的大量圖像和圖譜，講述本課程的相關內容，能夠激發學生對電子顯微學和相關科研的興趣，加深學生對知識的理解。例如，在講述透射電子顯微分析在金屬材料領域的應用時，利用大量清晰的明/暗場和高分辨透射電子圖像顯示位錯、晶界、相界等，一方面能夠使學生了解透射電子顯微鏡的分析方法和用途，另一方面還能使學生將以前學過但難以理解的金屬學或晶體學基礎理論知識和直觀的圖像結合起來，使所學知識得以深刻理解，融會貫通。另外，還可以充分利用多媒體的音效和動畫，使課堂教學更加生動易懂，例如在講述掃描電鏡的成像原理時，可以用多媒體動畫模擬的方式清晰地向學生展示各種物理信號是如何產生的以及如何轉換成圖像的。endprint

五、課堂授課與實驗室實驗密切結合

電子顯微學這門課程開設的最終目的是協助學生更好地完成電鏡方面的科研工作，在課堂上只能講述各種電子顯微技術和方法的基本原理、特點和用途，而有些內容，例如樣品如何制備，儀器如何調整和操作，數據和圖像如何獲得等，是在課堂上很難講清楚的，實際應用還需要去實驗室觀察具體的實驗演示或親自動手操作，因此，如何合理地進行實驗教學，是學好電子顯微學的一個關鍵問題。電子顯微學的實驗教學不同于一般的實驗教學，電子顯微鏡均為大型精密儀器，造價昂貴，各學院配備的臺套數很少，因此電子顯微學的實驗不可能像物理、化學等實驗那樣，一個同學一套儀器。基于本課程這一特點，在實驗課時可將學生進行分組（如每組4～6人），由實驗老師邊講解邊示范，這樣在課堂上比較難理解的內容通過在實驗室的演示就很容易明白，提高了學習的效率。如果時間允許，為培養學生的動手能力，還可以在確認學生充分理解的情況下，并在實驗老師指導下親自操作，每個過程參與體會。因電鏡實驗要求耐心細致，如此電鏡實驗課不僅能夠調動學生的積極性，還能培養學生嚴謹認真的科學精神。

綜上所述，我們在電子顯微學教學過程中得到一些啟示和經驗，在教學中要做到兼顧科學原理和技術應用；教學內容與學院研究方向相結合；內容要反映電子顯微學的最新進展；教學方式要靈活并充分發揮多媒體教學的優勢；同時注重課堂教學與實驗教學的緊密結合。上述理念已在并將在以后的教學中起到一定的指導作用，有助于提高電子顯微學課程的教學質量，從而有利于培養高素質的科研人才。

參考文獻：

[1]巫瑞智，李茹民，胡寶瑞，譚曉京，譚淑媛，張景懷.在材料測試分析方法課程中實施研究型教學模式的探索與實踐[J].高等教育研究，2011，28（4）：49-51.

[2]樊小軍，陳明霞，劉衍晟，王鵬.醫用電子顯微技術課程教學探討[J].西北醫學教育，2009，17（5）：977-978.

[3]張艷美，霍霞，李偉秋，莊冰容.《生物電子顯微鏡技術》課教學探討[J].繼續醫學教育，2003，17（6）：37-38.

[4]黃海波，李凡.高校大型儀器教學改革的探討——“掃描電子顯微分析”精品課程的建設[J].實驗室研究與探索，2011，30（11）：317-320.

基金項目：哈爾濱工程大學研究生精品課程建設項目。

通訊作者簡介：巫瑞智（1977-），男，教授，博士生導師，研究方向：新型輕合金材料。endprint