淺談掃描電子顯微鏡在材料化學教學實踐中的應用*

孔華杰，李丹丹

(1 鄭州輕工業大學材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002；2 鄭州輕工業大學建筑環境工程學院，河南 鄭州 450002)

隨著社會對人才要求的提升，高等學校對本科教學實踐的培養也出現了一次又一次的變革。大型儀器設備，是高等學校從事教學和科學研究的一項重要技術裝備，是培養人才的重要物質基礎和基本條件，也是高校科研實力和現代化教學的重要標志。大型儀器的定位是指價格大于和等于10萬元以上的儀器設備，借助先進儀器的水平優勢，利用其最新技術手段，創建出特色教學，以推進學科建設及學校的科學研究工作是當今高等學校的重要工作之一[1]。河南省表界面科學重點實驗室大型儀器設備主要有X射線光電子能譜儀、熱場發射掃描電子顯微鏡、高分辨投射電鏡、高分辨液質聯用儀和高分辨拉曼光譜儀等，總價值約為7000萬人民幣，采用的方式是專人專管，實行坐班制，主要服務于材料科學與技術、材料物理和生物與食品科學等領域的科研測試。但由于大型儀器自身價格昂貴、運行和維修費用較高，實驗教學和科學研究相沖突等原因，導致高等學校的理論教育比較成熟，而學生的實踐能力較為薄弱，大型儀器利用率低，本科生也很難有機會接觸設備[2]。所以，如何設計和開展大型儀器分析實驗課程也被越來越多的高校所關注。

掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)是一種有效的顯微結構分析工具[3]，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。經過檢測，視頻放大和信號處理，把數據特征直觀的在顯示屏上表現出來。它具有制樣簡單、超高的分辨率高、景深大、成像立體感強和連續可調等優點，在材料科學研究領域，表面形貌、斷口分析等方面顯示有越來越強的優越性[4-6]。我校材料與化學工程學院配備的是日本電子的JSM-2001F熱場發射掃描電子顯微鏡，并配有X-射線能譜儀，進行材料的表面形貌，斷口及微區形貌和元素分析。掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦的非常細的高能電子在材料表面上掃描，激發出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得對該材料表面形貌的觀察[7]。

1 掃描電子顯微鏡在本科教學實踐中的現狀

由于大型儀器運行和維修費用較高，科研使用頻繁等原因，掃描電鏡也基本上沒有走進本科教學實踐環節中來。偶爾組織本科生走進掃描電鏡實驗室，也只是走馬觀花，粗略的了解它的用途和感嘆其昂貴的價格，根本就沒有機會了解其構成和工作原理，更不用說是動手操作了[8]。我校材料與化學工程學院為了適應當前國家對人才的需求，給出更好的培養方式，先后用問卷調查，座談會，讓不同年級的學生走進參觀重點實驗室，觀摩大型儀器等形式，對不同年級的學生進行了統計。通過調查研究發現，學生對大型儀器設備表現出強烈的學習熱情和欲望，所以，如何給本科生創造多接觸大型儀器設備的機會，讓他們充分了解這些大型儀器結構、使用方法和應用，理論知識與實際操作相結合等成為了當前迫切解決的問題。為此，為了解決這些問題，為了培養更加成功的學生，使其成為對這會更有用的人才，適應當代用人單位對人才的需求，經學院研究決定，大型儀器不能只服務于科學研究，要更多的運用到當代本科教學實踐環節中，以場發射掃描電子顯微鏡作為試點儀器，推陳出新，讓以掃描電鏡為代表的大型儀器走出實驗室，走進材料化學本科教學實踐中。在大型儀器的支撐下，鄭州輕工業大學每年組織的“化妝品金相技能大賽”、“本科生科研發明大賽”等活動，年均吸引近600人積極報名參加，為學校的本科深化改革提供了強有力的保障，為本科生的創新意識提供了載體。

2 掃描電子顯微鏡在本科教學實踐的改進方法

2.1 演示為主，動手相結合

材料與化學工程學院以河南省表界面科學重點實驗室為支撐，在設備處和科技處的聯合支持下，通過學校的大型儀器預約平臺定期發布現場培訓課程，專業老師提前將制作掃描電鏡結構和應用方法的PowerPoint和flash動畫上傳至平臺的交流學習區，不分年級性別，讓感興趣的學生自主下載預習，再在規定的時間去教學現場試聽，觀摩。并在專業老師的指導下，親自動手操作，從制樣到鍍膜再到觀測樣品的形貌，三五一組，反復操作。這樣既能相互溝通，及時糾正問題，又能鍛煉相互協作能力。學生經過多次學習和操作后，由專業老師進行考核，合格的同學頒發掃描電鏡上崗證，加蓋河南省表界面科學重點實驗室和學院的公章以后可以親自操作該儀器，這也給學生的自信心得到了強大的提升。

2.2 課堂翻轉，學生教代學

翻轉課堂的實施，大大提高了學生的興趣。將翻轉課堂引入到傳統的授課過程中，把以往灌輸式的教學改成知識查漏補缺，習題討論等形式，大家在一起學習并互相解決在實際應用中遇到的問題，共同總結，共同進步。在掃描電鏡對材料化學本科教學實踐環節中，學生課下通過網絡或者圖書館等手段，自己查閱預習相關掃描電鏡的知識，包括發展歷程、內部結構、前沿發展、應用方向等方面。學習消化后，在課堂上給其他本科生講解其學習到的知識，并剖析該電鏡的構成、工作原理及操作步驟，最后由專業老師和其他的學生提問，講解著根據問題進行相關的解答。通過此種方式，既大大加深了學生對掃描電鏡的認識，也讓學生大大提高了自信。學生提出問題，分析問題和解決問題的能力都得到了提高，創新意識和創新能力也得到了鍛煉。

2.3 因材施教，圖像高質量

由于掃描電子顯微鏡對樣品的要求多樣性和復雜性，對于不同的材料，導電性好不好，熱穩定性怎么樣，磁性樣品如何處理，生物樣品的制備等，都有不同的處理和制樣方法。我們學院制作的方案是學生在實驗室拿出不同的樣品，在SEM測試前進行樣品的處理，專業老師在一旁觀摩和指導。這樣在學生的教學實踐中，學生不斷的掌握其技能，對圖像的采集起了很重要的作用。對未知樣品進行EDS和mapping分析，讓學生區分譜線中的重疊峰和逃逸峰等，既培養了學生的動手能力、理論聯系實際能力、創新能力、獨立分析解決實際問題的能力等；又培養了他們的自信心，把所學知識運用到實踐中，學有所用；還在就業之后發揮自己在實驗中學到的能力，達到單位對人才的需求。

2.4 課后討論，溫故而知新

知識的掌握都是由預習，學習和復習架構的，掃描電鏡的本科教學實踐也不例外。學生在電鏡室進行理論學習和動手操作之后，課外也要有復習總結，寫出學習的體會和疑難問題。并利用現代的科技手段，由專業老師牽頭，專門建立一個掃描電鏡交流群，群里面有電鏡專業老師和每一屆對電鏡學習的學生，也有分管本次本科教學實踐的院領導。在里面學生可以對掃描電鏡的相關問題暢所欲言，分享自己的實踐經驗和體會。對于已經畢業的走進工作崗位的學生，他們也會分享在單位是實際工作經驗和掃描電鏡的企業利用率。學生也可以針對電鏡之外的話題進行提問，包括生活上、科研上、工作上、情感上等，在學生提出的問題中，老師負責答疑，知無不言言無不盡，共同學習，共同探討。在學生的教學實踐后，老師要求學生提交實驗報告，以方便更準確的掌握學生對掃描電鏡的疑惑，對學生不知道的難點進行總結，有針對性的進行制定下一步教學的教學計劃。

3 結 語

本科教學實踐的改革一直都是受到很多高校的密切關注。大型儀器走進本科教學實踐也是最近幾年的熱門話題。本校材料與化學工程學院審時度勢，為了培養更好的對社會有用的人才，深化大型儀器改革，以掃描電鏡為試點，讓越來越多的大型儀器走出科學研究實驗室，走進本科教學實踐中來，并取得了非常好的效果。從制樣到觀測，學生親自操作儀器，獲得不同樣品的形貌與EDS和mapping信息，獲得了更為直觀的感性和理性認識。此次大型儀器的教學改革，激發了學生對科學研究的濃厚興趣，為以后考研做了良好的鋪墊。提高了學生的創新思維能力，也提高了實踐教學水平。科學研究從本科生做起，通過掃描電鏡的開放教學，也提高了儀器的使用率和機時數。