如何利用掃描電子顯微鏡開展本科教學

宋娟　張華山

摘 要 本文闡述掃描電鏡在本科教學中的必要性，針對當下的主要問題，通過對本科實驗教學中的教學方案改革，使得掃描電鏡能更好地為教學服務，使實驗教學更好地發揮在學生的探究和實踐能力培養方面的作用，培養創新性人才。

關鍵詞 掃描電鏡 材料科學 實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.042

Abstract This article illustrated the necessity of the Scanning Electron Microscope （SEM） in teaching experiment of undergraduate. In order to make the SEM better for teaching and cultivating innovative talents， some methods for reform of teaching scheme to the undergraduates. This would improve quality of experiment teaching in students inquiry and practical ability.

Keywords SEM； material science； teaching experience

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是使用細聚焦電子束在樣品表面逐點掃描，與樣品相互作用產生物理信號，這些信號經檢測器接收、放大并轉換成調制信號，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。①掃描電鏡具有景深大、圖像立體感強、放大倍數范圍大、連續可調、分辨率高、樣品室空間大且樣品制備簡單等特點，是進行樣品表面研究的有效分析工具。掃描電鏡所需的加速電壓比透射電鏡要低得多，一般約在1-30KV，實驗時可根據被分析樣品性質適當地選擇。掃描電子最常用的二次電子信號和背散射電子信號，前者用于顯示表面形貌襯度，后者用于顯示原子序數襯度。掃描電鏡圖像幾乎可以用于顯示任何樣品表面的超微信息，其應用已滲透到許多科學研究領域，在失效分析、刑事案件偵破、病理診斷等技術部門也得到廣泛應用。在材料科學研究領域，表面形貌襯度在斷口分析等方面顯示有突出的優越性。②

我校分析測試中心掃描電鏡購置于2008年，為日本電子的JSM-6390LV，并配套能譜儀，由于掃描電鏡能譜儀曾是我校最貴重的儀器設備之一，且運行成本較高，該儀器目前主要是從事校內外的測試工作。考慮到個性化培養和創新能力的發展是當今高教事業的發展趨勢，讓學生深入地參與掃描電鏡的實際測試工作，并把其在理論課上學到的知識應用的實際操作中，增強實踐能力，并引導學生自行設計科研課題，從而培養出創新型、實用型和復合型人才。③

本文將結合其他院校類似教學和電鏡室在對研究生的開放培訓及實驗教學經驗，初步探討電鏡在本科教學中的應用。

1本科教學現狀

我校近年來為了提高學校整體辦學條件和科研層次，加大了教學及科研方面的硬件投入，專門成立了為教學及科研服務的分析測試中心，中心集中了學校的大型儀器設備。中心定位于培養高層次人才，完成高水平科研項目的重要實驗基地和公共服務體系。中心成立的宗旨是促進大型儀器的資源共享和跨學科的交叉研究。它的任務是為全校的教學科研服務 ， 同時面向社會。但是由于大型儀器設備價格高、運行成本高、對實驗操作要求高等，使得大型儀器設備被神秘化，高端化和利用率低等問題出現。

目前分析測試中心擁有全校唯一一臺掃描電鏡和能譜儀，雖然也開設了本科實驗，但是實驗主要以演示實驗為主，并未達到鍛煉學生的目的。學生大都通過書本了解儀器的知識，對材料的檢測知識知之甚少。如何改進原有教學模式，能讓學生理論聯系實際，提高教學效率，從而將傳統教育模式向實踐教育模式轉化，是目前亟待解決的問題，也是高校面臨的重大改革。④

為了加深學生對儀器的了解，使學生能靈活掌握測試方法，提高學生的動手實踐能力，分析和解決問題的能力，本室從優化教學內容、改善教學方法和授課方式等多方面進行的探索和改革。

2本科教學方案

2.1 優化實驗教學內容

雖然本校材料相關專業已開設有關典型材料的微觀結構觀察和微區成分檢測的實驗，但是主要是以教師演示為主，教學效果并不理想。伴隨對電鏡的功能的進一步開發和教學理念的更新，本室對實驗教學內容進行了新的嘗試。

教學內容針對不同專業編寫實驗指導書和實驗大綱。實驗教學內容以應用為主，原理為輔的原則，著重介紹儀器設備的典型分析方法和具體應用，并輔以了解儀器設備的基本原理。加入了與生產實踐相結合的內容，如失效部件檢測，包括各類夾雜物、穿晶斷口、疲勞等組織。將教學內容與材料相變原理及工藝、材料力學性能、物理性能、無機非金屬材料、金屬材料等課程內容相聯系，采取淺入深啟的教學方法，充分調動學生的主觀能動性。使學生在掌握基礎知識同時了解一定的實驗技能，從而更好地理解該儀器設備的精髓。⑤

同時在實驗教學內容上與時俱進，目前實驗教材存在普遍滯后的現象，教材上只能反映一些相對較固定的內容，其重點主要在儀器原理和發展歷史方面，而對于現在最新的前沿技術并未涉獵。當今社會科學技術日新月異，儀器更新換代越來越快，儀器的功能開發也突飛猛進，固守原來教材上的知識已跟不上應用技術前進的步伐，本室在原有教學內容上進行了大膽的嘗試，在內容上加入了最新的技術沿革，同時引入社會熱點分析案例。從而增強學生對教學內容的興趣，并能積極主動地學習。

2.2 改善教學方法

在教學過程中不能照本宣科，把原已枯燥無味的知識內容講解得更加索然無味，而需要充分調動學生的學習積極性和學習熱情，在不斷充實教學內容同時將抽象內容更加具體化，合理規劃講授內容，使其更具有邏輯性和層次性。在教學過程中不斷給予新鮮內容，激起學生的好奇心，增強學生的學習興趣。

同時，在教學方法上引入開放式教學，在實驗教育過程中將學生分組，對照儀器設備講解原理、結構、部件和功能等，老師的現場演示過程很關鍵，通過現場的觀摩學習，學生能夠對儀器的構成部位和操作流程在短時間內有大致的了解。在老師的指導下，讓每位學生都有親自操作的機會，并由其親自完成所有步驟（包括裝卸樣品和調出清晰的圖像等），在學生操作的同時，老師予以針對性的講解指導。通過以上教學內容，讓學生充分參與到儀器設備的操作過程中，真正做到理論聯系實際，在操作過程中教師講解要點，加深學生對理論課上分析原理的印象，以此又增強學生的實際動手能力。

2.3 引入開放性實驗機制

對電鏡室引入開放機制，是對傳統實驗室管理模式的改革，圍繞學生意愿為中心，根據學生的要求開展實踐工作，在儀器設備的利用率、利用時間和實驗場地等有諸多要求，這將對電鏡室的管理者提出更高的要求。本室將根據開放實驗的要求指定特殊的開放時間，在確保正常的教學及科研工作順利進行的同時，提高儀器設備的利用率。實驗開放機制的運行，將增加電鏡管理者的工作時間和工作量。同時，在完善實驗室安全制度，規范操作等方面提出了更高的要求。

在引入開放實驗機制同時要提高學生對實驗內容興趣，而基礎理論和基礎技能的訓練是創新能力和實踐能力培養的基礎。⑥學生在學生生涯中大多適應了了填鴨式的教學模式，對主動進入學習角色，還需要適當的引導，如果實驗設計不夠吸引人，會導致學生對實驗失去興趣，從而不能達到提高實踐能力和創新能力的目的。指導老師可根據掃描電鏡的應用范圍，提供一些難度適中并與實際應用相結合的開放性課題給學生選擇，⑦而老師可以通過學生的報名人數將學生分為不同的組別參與開放課題的研究。學生通過參與開放課題的研究，培養了其實際動手能力和綜合知識運用能力，在條件允許下盡可能讓有興趣的學生參與其中。再則，盡量調動學生的積極性，鼓勵學生根據在理論課上所學知識，根據自己感興趣的問題自擬題目，在自擬項目在經過老師審核通過后，老師安排好實驗進度，學生可帶著樣品進入電鏡室，自己動手測試樣品，并在老師的指導下對樣品進行分析，學生在學會儀器操作同時提高實踐能力，⑧并在學習和互動中培養學生的積極參與意識，使其對儀器有更加深入的了解。項目結束后，通過學生項目所做PPT和演講情況，考查其對電鏡的相關知識的掌握情況。這種靈活的考評機制不同于傳統的考試方式，必將提高學生的學習積極性。

通過如此培養的學生將在分析能力和解決能力等方面有較大提升，科研能力也將隨之提升，這將有利于其在今后的工作和學習中奠定良好的基礎，而電鏡的設備利用率和共享率也得到了進一步的提高，

3 結束語

掃描電鏡在本科教學上的應用，彌補了目前實驗教學中學時少、演示為主而上機操作較少的問題，使學生在本科階段就能接觸到這類大型分析設備，并可熟練操作，并可以用其解決實驗中碰到的問題，激發學生對專業的認知度，整合學生的知識構架，促成理論和實踐相結合，并通過自主上機鍛煉，使其由淺入深地開展實驗實踐，提高學生的動手能力，增強對學習的興趣，積極主動學習，在思維水平、設計能力和創新能力方面得到長足的發展，為學生在未來的工作和學習中帶來諸多收獲。

注釋

① 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

② 李劍平，楊詠東.JSM-5610LV 掃描電鏡的日常維護及常見故障排除分析測試技術與儀器[J].分析測試技術與儀器，2008（14）.

③ 時偉.論大學實踐教學體系[J].高等教育研究，2013（34）.

④ 姚利民.高校教學現狀調查分析[J].高教探索，2007（7）.

⑤ 李凡，黃海波.淺談培養當代研究生綜合能力的實踐——《掃描電子顯微分析》課程教學改革初探[J].中國科教創新導刊，2009（25）.

⑥ 鄒本國.加強教學內涵建設，提高學生工程實踐能力[J].河北師范大學學報：教育科學版，2008（10）.

⑦ 劉長宏，張恒慶，王剛.完善實驗室開放機制提升創新人才培養質量[J].實驗室科學，2006（4）.

⑧ 楊篤寶，雷留真，秦孜娟，等.改革實驗教學，提高大型儀器使用率[J].實驗科學與技術，2010（8）.