關(guān)于《電子顯微學(xué)》課程改革的探討

王慧

摘要：本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三方面對電子顯微學(xué)課程的改革進(jìn)行了探討，重點強(qiáng)調(diào)將電子顯微學(xué)基礎(chǔ)理論、實踐操作以及結(jié)果分析等有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生綜合運用電子顯微學(xué)手段分析解決材料研究中科學(xué)問題的能力。

關(guān)鍵詞：電子顯微學(xué);課程改革;材料科學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）41-0077-02

繼光學(xué)顯微鏡發(fā)明之后，電子顯微鏡為人類打開了研究材料微觀世界的第二扇大門，將人眼的分辨能力從0.2mm提高到亞埃量級，成為一種進(jìn)行材料形貌、結(jié)構(gòu)、成分以及電子結(jié)構(gòu)分析的綜合性分析手段。電子顯微鏡對材料的發(fā)展起到了巨大的推動作用，例如透射電子顯微鏡的三種分析技術(shù)：電子衍射襯度像、電子衍射以及高分辨成像技術(shù)分別在位錯的證實、準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)以及納米碳管的發(fā)現(xiàn)方面發(fā)揮了無可替代的作用，其中準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)獲得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎。目前，電子顯微學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到除材料以外的其他領(lǐng)域，如物理、化學(xué)、生物等科學(xué)領(lǐng)域，并且，伴隨著球差校正電子顯微鏡的出現(xiàn)以及原位（高低溫、環(huán)境氣氛、電學(xué)性能測量）樣品臺的發(fā)展，結(jié)合X射線能譜分析以及電子能量損失譜分析，電子顯微學(xué)在揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)及其演化方面展示出其獨特的高空間分辨分析能力。目前，幾乎所有的理工科高校都有透射電子顯微鏡并且開設(shè)了電子顯微學(xué)相關(guān)課程，然而，作為一種相對精密昂貴的設(shè)備，不可能對所有需要運用電子顯微學(xué)分析的學(xué)生都進(jìn)行儀器操作培訓(xùn)，而由于缺乏實踐操作這一中間環(huán)節(jié)，學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識獲取與透射電子顯微鏡結(jié)果分析方面之間存在斷層，不能很好的將所學(xué)理論知識靈活運用進(jìn)行結(jié)果分析。本文作者結(jié)合多年透射電子顯微鏡操作經(jīng)驗以及電子顯微學(xué)課程的實踐教學(xué)進(jìn)行了思考和總結(jié)，對電子顯微學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式進(jìn)行初步的改革和探索，以期獲得更好的教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

在選修《電子顯微學(xué)》課程之前，學(xué)生應(yīng)該先修《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《晶體學(xué)基礎(chǔ)》等相關(guān)課程，對材料的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)有比較好的了解，熟知描述晶體結(jié)構(gòu)的布拉格點陣以及倒易點陣。作為研究生選修課，由于學(xué)生的晶體學(xué)基礎(chǔ)各異，為保證良好的教學(xué)效果，需要對布拉格點陣以及倒易點陣進(jìn)行系統(tǒng)的知識回顧，以便于學(xué)生更好的掌握后續(xù)授課內(nèi)容。

以筆者所在的北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院為例，《電子顯微學(xué)》課程以往的授課內(nèi)容涵蓋了電子光學(xué)基礎(chǔ)、透射電子顯微鏡的構(gòu)造、樣品制備、電子衍射、衍襯像、高分辨成像，其中授課課時過于偏重電子衍射以及衍襯像，均大于8個學(xué)時，而高分辨成像章節(jié)課時僅有2個學(xué)時，課時分配不太合理。其次，伴隨球差校正電鏡的發(fā)展，一些新的技術(shù)逐漸發(fā)展和完善起來，并在材料的原子尺度結(jié)構(gòu)表征方面初顯其獨特的魅力。如利用物鏡球差校正的透射電子顯微鏡，賈春林教授提出的負(fù)球差系數(shù)成像技術(shù)（negative spherical-aberration imaging（NCSI））可以進(jìn)行輕原子尤其是氧原子的探測;而聚光鏡球差校正的掃描透射電子顯微鏡中，高角度環(huán)形暗場像（high angle annular dark field（HAADF））與高探測效率能譜儀的結(jié)合已經(jīng)可以同時進(jìn)行材料原子尺度HAADF圖像以及成分的分析，同時，相較于高分辨成像，HAADF成像技術(shù)由于圖像強(qiáng)度不受實驗條件如樣品厚度、欠焦等條件的影響，更容易解釋而受到越來越多的關(guān)注;而環(huán)形明場掃描透射圖像可實現(xiàn)輕原子H、Li等元素的探測以及對輕重原子同時成像，在揭示新型能源材料如鋰離子電池的充放電機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用。另外，聚焦離子束制樣技術(shù)的發(fā)展，使得可以對塊體材料進(jìn)行精確定位，并且針對微米尺度區(qū)域進(jìn)行透射電鏡樣品制備，從而解決了傳統(tǒng)制樣方法定位減薄難、單次制樣成功率低以及破壞性制樣的缺陷，尤其適用于利用原位透射電子顯微鏡進(jìn)行材料微觀結(jié)構(gòu)演化研究。因此，有必要對《電子顯微學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新和調(diào)整，加入這些新技術(shù)的成像原理以及案例分析，讓學(xué)生充分了解電子顯微學(xué)領(lǐng)域最新的發(fā)展，從而選用恰當(dāng)?shù)某上窦夹g(shù)解決其在科學(xué)研究中遇到的具體科學(xué)問題。

二、教學(xué)方法的改革

鑒于透射電子顯微鏡不同于光學(xué)顯微鏡，不能通過直觀的圖像觀察直接進(jìn)行結(jié)果解釋，需要一定的理論基礎(chǔ)。同時，作為一門實踐性較強(qiáng)的課程，實踐環(huán)節(jié)必不可少，然而現(xiàn)實是作為分析測試中心，無法提供足夠的機(jī)時供選修該課的學(xué)生進(jìn)行上機(jī)操作，而短時間的操作只能讓學(xué)生了解儀器的基本操作，無法掌握各種分析技術(shù)的精髓。通過筆者在分析測試中心透射電子顯微鏡實驗室的長期觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在利用透射電子顯微鏡各種分析技術(shù)如電子衍射、衍襯像、高分辨圖像等進(jìn)行實驗方案設(shè)計以及結(jié)果分析方面普遍存在困難，實踐操作環(huán)節(jié)的缺失導(dǎo)致學(xué)生無法將所學(xué)基礎(chǔ)理論、實驗技術(shù)以及結(jié)果分析有機(jī)結(jié)合。因此，如何通過《電子顯微學(xué)》課程的開展，讓學(xué)生真正的從理解基礎(chǔ)理論知識到靈活運用理論知識分析解決科研中的實際科學(xué)問題，值得深思。

傳統(tǒng)的《電子顯微學(xué)》課程側(cè)重基礎(chǔ)理論知識的傳授，雖然也有案例分析，但多為早期的實驗結(jié)果，不能緊密跟蹤電子顯微學(xué)發(fā)展的步伐;另外，在案例分析時很少將基礎(chǔ)理論知識、具體操作技術(shù)、以及結(jié)果分析有機(jī)結(jié)合。因此，有必要在傳授基礎(chǔ)理論知識之外，根據(jù)所要掌握的知識點，設(shè)計增加最新的案例分析，提高學(xué)生綜合運用透射電子顯微鏡各種分析技術(shù)解決問題的能力。具體的案例分析步驟為：（1）要求學(xué)生根據(jù)案例要解決的具體問題設(shè)計實驗方案，并提供實驗方案設(shè)計的理論依據(jù)，指導(dǎo)教師對設(shè)計不合理的方案要及時予以糾正，并通過基礎(chǔ)理論的分析講解不可行的原因，以加深學(xué)生的理解;（2）對于部分有透射電鏡操作經(jīng)驗的研究生，要求其進(jìn)行具體的實驗操作，并在操作過程中講解操作的理論依據(jù)，指導(dǎo)教師要及時補(bǔ)充講解與實驗操作相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)過程中實踐操作環(huán)節(jié)的缺失;（3）通過多種分析技術(shù)獲得初步實驗結(jié)果，并要求學(xué)生對獲得的實驗結(jié)果進(jìn)行正確的分析表征。實踐表明，這種案例分析的過程相比傳統(tǒng)的教學(xué)方法，建立了實踐環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)理論以及結(jié)果分析之間的聯(lián)系，從而加深了學(xué)生對電子顯微學(xué)基礎(chǔ)理論知識的理解與掌握，提高了學(xué)生利用透射電子顯微鏡分析問題、解決問題的能力。

三、考核方式的改革

開設(shè)《電子顯微分析》課程的目的是希望研究生通過本門課程的學(xué)習(xí)，能夠真正的將所學(xué)電子顯微學(xué)相關(guān)知識應(yīng)用于具體的科學(xué)研究中，因此，本門課程考核重點在于學(xué)生能否能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識融會貫通，在基礎(chǔ)理論、操作、以及結(jié)果分析方面有所收獲。傳統(tǒng)的考核方式以考試為主，重在考核學(xué)生對各種基礎(chǔ)理論知識的掌握水平，無法有效評價學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，因此，提供了兩種考核方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢驗：對于有實際操作透射電鏡經(jīng)驗的學(xué)生，要求他們能結(jié)合自己研究課題中的具體科學(xué)問題，選用合適的分析技術(shù)開展實驗，并對獲得的透射電鏡結(jié)果進(jìn)行合理正確的分析，從而建立材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的聯(lián)系;而對于沒有實際操作透射電鏡經(jīng)驗的學(xué)生，要求他們能結(jié)合所研究的方向，進(jìn)行廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，能夠分析文獻(xiàn)中如何綜合利用透射電子顯微術(shù)解決材料研究中的具體科學(xué)問題，能夠充分理解其分析過程以及分析機(jī)理，并能在以后的科研活動中靈活運用。實踐表明，由于考核從學(xué)生研究的課題入手，使學(xué)生能夠帶著興趣去進(jìn)行實驗研究以及文獻(xiàn)調(diào)研，充分地調(diào)動了學(xué)生的積極性，實現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)和探索，大大加深了其對電子顯微學(xué)基礎(chǔ)理論知識的理解，提高了學(xué)生利用電子顯微學(xué)進(jìn)行材料微觀結(jié)構(gòu)分析的能力，從而有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

綜上，通過對電子顯微學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式的改革，探索將電子顯微學(xué)基礎(chǔ)理論、實踐操作以及結(jié)果分析有機(jī)結(jié)合，從而提高學(xué)生綜合運用透射電子顯微學(xué)手段分析解決材料研究中科學(xué)問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫景懷，巫瑞智，孫楊，李茹民，王彥博，譚淑媛，胡寶瑞.電子顯微學(xué)研究生課程的教學(xué)改革探討與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2014，（3）：31-32

[2]杜三明，趙飛.探索與實踐：《材料電子顯微分析技術(shù)》課程的教學(xué)改革探討與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2011，（20）：123-124

[3]傅志強(qiáng)，孟凱.材料電子顯微分析技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].檢驗檢疫學(xué)刊，2009，19（3）：72-74

[4]李凡，黃海波.淺談培養(yǎng)當(dāng)代研究生綜合能力的實踐--《掃描電子顯微分析》課程教學(xué)改革初探[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，（25）

[5]林文松，李文戈，錢士強(qiáng)，周細(xì)應(yīng).應(yīng)用型本科“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程建設(shè)與教改實踐[J].世界華商經(jīng)濟(jì)年鑒·高校教育研究，2008，（10）

[6]王衛(wèi)偉.培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)類課程實踐能力的教學(xué)改革探討——以《材料測試技術(shù)與方法》為例[J].教育教學(xué)論壇，2014，（18）：30-31.

Discussion on the Course Reform of Electron Microscopy

WANG ?Hui

（School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：The course reform of electron microscopy was discussed from three aspects including teaching contents，teaching methods and evaluation mode. It is emphasized through the course teaching the basic theoretical knowledge is well combined with practical operation，as well as results analysis，and thus the students' ability of solving problems using electron microscopy analysis methods in materials research is greatly improved.

Key words：electron microscopy;course reform;materials science