掃描電鏡-能譜儀實(shí)驗(yàn)技術(shù)在《材料分析方法》課程教學(xué)中的應(yīng)用

戴世娟

摘 ?要：掃描電鏡及能譜儀是廣泛應(yīng)用于材料等專業(yè)的大型貴重儀器之一，該文通過對(duì)《材料分析方法》本科課程中涉及的掃描電鏡技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行設(shè)計(jì)、探索，初步總結(jié)出掃描電鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)過程中的側(cè)重點(diǎn)和如何增加趣味性，教學(xué)效果比較理想。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡 ?能譜儀 ?材料分析方法 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TB302-4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（c）-0041-02

任何一種材料的宏觀性能是由其微觀組織結(jié)構(gòu)決定的，材料在制備、加工等過程中由于受到自身成分和外部環(huán)境的作用，其微觀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，從而影響其性能。因此掌握材料的微觀組織變化的詳細(xì)信息是每個(gè)材料學(xué)研究人員的首要任務(wù)，各種材料分析測(cè)試技術(shù)在材料專業(yè)的研究中顯得更為重要。《材料分析方法》課程從材料研究所需的各種分析手段的基本原理出發(fā)，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行介紹，是材料專業(yè)本科生和研究生需要學(xué)習(xí)的課程之一。掃描電鏡形貌觀察分析能譜分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)是各種材料微觀結(jié)構(gòu)觀察和分析的重要手段，也是《材料分析方法》課程的重點(diǎn)之一[1]。因掃描電鏡屬于大型精密貴重儀器，因此這方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常為演示型，課時(shí)較短，所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上，既要充分利用有限的教學(xué)實(shí)踐，又要有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容，從而使學(xué)生能夠掌握相關(guān)的理論知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能。該文分析了掃描電鏡和能譜儀的實(shí)驗(yàn)技術(shù)特點(diǎn)，通過不斷地進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了該實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法。

1 ?教學(xué)方案

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所分配的課時(shí)較短（掃描電鏡和能譜分析共4課時(shí)），而教學(xué)內(nèi)容較多，因此需要對(duì)內(nèi)容進(jìn)行篩選，把教學(xué)重點(diǎn)放在操作講解和演示方面，盡量壓縮電鏡工作原理方面的教學(xué)，這方面內(nèi)容可以在《材料分析方法》理論課上進(jìn)行介紹。實(shí)驗(yàn)樣品選用TC4合金（鑲嵌）樣品，對(duì)固體樣品的制樣過程進(jìn)行簡(jiǎn)單講解及演示。重點(diǎn)講解及演示以下內(nèi)容。

（1）掃描電鏡參數(shù)（如電壓、spot等參數(shù)）對(duì)觀察效果的影響。

（2）荷電效應(yīng)的產(chǎn)生和避免。

（3）能譜儀的使用方法。

如此這樣，既可以避免與課堂教學(xué)內(nèi)容重復(fù)，又讓學(xué)生從感性上認(rèn)識(shí)掃描電鏡和能譜儀的原理及主要用途。

2 ?教學(xué)過程

在教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容的安排要有一定的技巧，主要目的是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)樣品觀察分析的過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行分析理解，從而能夠掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)原理部分的授課會(huì)涉及大量的專業(yè)詞匯，例如“束流”“束斑”“荷電效應(yīng)”等，教師應(yīng)該挑選一些關(guān)鍵的術(shù)語(yǔ)對(duì)其進(jìn)行深入的講解[2]，以幫助學(xué)生能夠更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，尤其對(duì)于材料、化學(xué)等專業(yè)的學(xué)生而言，還應(yīng)該學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在進(jìn)行實(shí)際操作演示時(shí)，應(yīng)注意與學(xué)生積極互動(dòng)，以便了解學(xué)生掌握的情況，同時(shí)注意演示的內(nèi)容能夠吸引學(xué)生，從而引起學(xué)生對(duì)于了解微觀世界的興趣[3]。高速噴丸處理過的鈦板的截面的掃描電鏡觀察結(jié)果，如圖1所示，這時(shí)可跟學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)：通過圖1，可觀察到什么形貌？有什么規(guī)律可循？教師帶著與學(xué)生一起分析：可觀察到樣品表面晶粒十分細(xì)小，甚至分辨不出，而靠近心部晶粒粗大。由于應(yīng)力的作用，從樣品表面到心部，晶粒尺寸由小變大。在講解過程中，教師應(yīng)注意引導(dǎo)，并加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

在使用能譜儀進(jìn)行成分分析的演示操作中，要重點(diǎn)講解其工作原理：各種元素具有自己的X射線特征波長(zhǎng)，特征波長(zhǎng)的大小則取決于能級(jí)躍遷過程中釋放出的特征能量，能譜儀就是利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分析的，并且譜峰的產(chǎn)生是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。對(duì)于學(xué)生而言，他們可能對(duì)這樣的內(nèi)容很難提起興趣，而這部分知識(shí)又是這堂實(shí)驗(yàn)課所必須掌握的內(nèi)容，通過進(jìn)行教學(xué)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)教師可以做個(gè)比喻：儀器識(shí)別元素好似我們?nèi)D書館借書，圖書館的藏書是按照特有的順序和位置進(jìn)行擺放，當(dāng)我們需要哪本書的時(shí)候，會(huì)按照索引去尋找，能譜儀也是這樣，按照X射線光子的特征能量去索引尋找與之對(duì)應(yīng)的元素，每一個(gè)元素都有它自己唯一的特征能量值。這樣把專業(yè)知識(shí)和生活聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生聽了這樣的比喻，顯得不再枯燥，更容易理解和接受。由于在授課過程中對(duì)重點(diǎn)知識(shí)有選擇性地進(jìn)行了講解，注意了側(cè)重點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中增加創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)部分，同時(shí)增加了趣味性，可吸引不少學(xué)生，因此比單獨(dú)接受理論教學(xué)效果要直觀很多，從而提高了教學(xué)效果[4]。

3 ?結(jié)語(yǔ)

（1）在以后的教學(xué)中要多挑選創(chuàng)新性的樣品進(jìn)行演示，增加學(xué)生的興趣，如有條件，可引導(dǎo)他們能獨(dú)立動(dòng)手操作電鏡。

（2）在掃描電鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)注重側(cè)重點(diǎn)，有選擇地進(jìn)行講解和分析。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 張壽祿.應(yīng)用掃描電鏡中背散射電子成像技術(shù)研究鋼中復(fù)合夾雜物[J].太鋼技術(shù)，2006（1）：24-28.

[3] 樊洪泓.遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革創(chuàng)新初探[J].中國(guó)電力教育，2009，9（144）：137-138.

[4] 趙善民.開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革研究[J].醫(yī)學(xué)教育探索，2009，8（9）：1077-1078.