透射電子顯微鏡在本科教學中的應用探索

孫婧婧　陳瑩　廉冀瓊　孫東亞　許彬彬　雷彩霞

摘要：透射電子顯微鏡（TEM）由于其高分辨率及精細的結構分析，廣泛應用于納米材料等新材料的分析研究，是材料分析測試的一種重要方法，也是材料類學生在今后的工作、科研中應掌握的一門必備技術。但由于其理論要求較高、價格昂貴、設備資源稀少，主要用于教師科研工作，很少發揮其在本科教學中的作用。為提升高校分析測試技術課程的教學效果，通過綜合分析TEM在本科教學中存在的問題，從理論知識學習到實踐操作指導及最后的激勵考核機制進行了一系列的探索，有效發揮其在本科教學中的作用，起到為科研服務的同時有效地提升本科教學水平的作用。

關鍵詞：透射電子顯微鏡（TEM）;材料測試;本科教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0150-02

TEM由于其結構精密、操作復雜，對使用者具有很高的技術要求，有時很小的錯誤操作，也可能導致儀器發生故障，影響正常使用。同時，其價格一般都比較昂貴，在高校固定資產中占很大比重，設備資源有限。由于管理和資源相對緊缺，目前主要用于教師、研究生的課題研究。而在本科實踐教學中，只注重理論知識的了解而非實驗技能的掌握，在培養學生自己動手解決實際問題的能力、自我學習能力、培養創新精神和創造能力等方面沒有發揮其應有的作用和潛能，絕大部分學生在學習期間沒有辦法接觸到設備。廈門理工學院材料科學與工程學院大型儀器分析測試中心針對透射電鏡用于材料類本科生培養方案進行了一系列探索和研究，取得較好的教學效果。

一、透射電鏡主要特點

1.原理。透射電鏡的成像原理是阿貝提出的相干成像，用電子束代替平行入射光束，用薄膜狀的樣品代替周期性結構物體，就可重復衍射成像過程。透射電鏡是用高能電子束（加速電壓一般在200kV以上）照射樣品，透過樣品的電子由于樣品厚度、元素、缺陷、晶體結構等不同，會產生不同的花樣或圖像襯度，由此可以推測樣品的相關信息。電子束要能透過樣品，因此樣品厚度要求很薄，一般要小于100納米。

2.微量物質內部精細結構分析。常用的晶體結構及缺陷的測試方法主要有X射線衍射儀（XRD）、EBSD和TEM等，XRD由于其樣品需求量較大，對于少量物質的晶體結構無法測量。TEM通過對某一微小區域的選區電子衍射，分析樣品的結構及缺陷。

3.納米材料微區元素分布分析。TEM在掃描透射模式下（STEM）下，場發射電子源發射出電子，通過在樣品前磁透鏡以及光闌把電子束會聚成原子尺度的束斑。電子束斑聚焦在試樣表面后，通過線圈控制逐點掃描樣品的一個區域。由于其極高的分辨率，可精確完成材料微小區內的元素分布掃描，可以實現元素的定性，能方便地直接觀察、研究材料的內部的相組成和分布，是研究材料微觀組織最有力的工具之一，廣泛應用于核殼結構及復合納米材料中。

二、透射電鏡在材料分析測試方法課程改革中的探討

1.理論課程模塊化。目前透射電鏡課程的教學傳統上是遵循先理論后實踐的教學程序，即先進行電子光學原理、分辨率原理、成像原理、儀器結構、像差原理、制樣技術等內容的課堂教學，再進行樣品制備及儀器操作內容的實驗。這樣做的優點是由淺入深、循序漸進，學生容易接受，但在進行實驗之前，學生對儀器設備沒有感官的認識，僅靠書本上的圖片在頭腦中形成一個抽象的儀器。傳統教學思路的弊端在于它拉開學生與儀器之間的距離，將理論知識與實踐操作孤立開來，同時，透射電鏡理論知識較深，降低了學生操作儀器的積極性，從而影響整體教學效果。我們嘗試在講課前先讓學生參觀儀器設備，通過近距離的觀察和現場講解讓學生對設備實物及其結構部件進行認識，克服了以往學生對設備只限于抽象認識的問題，在清楚其構造的基礎上再進行理論知識的講解，讓枯燥高深的理論知識淺顯易懂。此外，TEM作為材料測試分析的一種工具，對于大部分學生只需掌握如何利用TEM為自己的科研服務，如何從實驗結果中獲得所需要的重要信息和結論，因此提高學生對實驗結果的分析技巧是TEM服務于本科教學的重點。我們將透射電鏡理論課程模塊化，主要分為儀器結構模塊、電子光學模塊、真空系統模塊、數據分析處理模塊，根據學生實際應用有側重點地講解，取得了較好的教學成果。

2.實踐課程多元化。我校定位于應用型大學，培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高素質應用型人才，應注重學生實踐能力的培養。透射電鏡價格昂貴，操作專業性強，樣品制備要求高，因此在材料分析測試方法課程中基本只有3—4課時的實驗課，學生只是走馬觀花式參觀，實驗印象不深刻，實踐教學效果不好。但由于科研的需要，不可能為本科教學提供大量的實習時間，我們采取固定時間實驗和與科研結合的分散實踐教學相結合的教學方法。透射電鏡在樣品測試期間，有興趣的同學可以前來觀看學習，學生根據測試中的樣品進行透射電鏡的分析學習，這樣既能服務于科研又能兼顧本科教學，學生接觸的樣品種類廣泛，對電鏡的應用分析也有更深入的了解;第二，在綜合實驗期，選取典型樣品，學生分成5—7人一組，從透射電鏡的樣品制備、儀器簡單操作到數據分析進行為期一周的實踐課，前期完成的同學可以指導后期實驗的同學，采取同學間互相幫扶模式，從而進一步鞏固其實踐效果。此外，在學期間也會開設開放性實驗，進行一部分針對TEM的操作及維護保養，另外一部分是數據處理及分析，主要針對高分辨圖像及能譜數據的解析，電子衍射圖譜的標定等知識因材施教，對電鏡比較有興趣的同學可有針對性地進行電鏡操作維護方面的培養，同時也為設備使用和管理的可持續發展培養人才，通過多方面分層次教學進一步提高本科生的實踐動手能力。

3.評價及考核機制合理化。材料分析測試方法課程傳統的考核評價方式以理論課程為主，這種評價機制本身就弱化了學生的實踐操作能力，學生自身也會模糊實際操作的重要性，在提交的實驗報告中經常會出現班級大部分同學報告雷同情況。針對此現象，我們建立了平時成績與多種考核方式相結合的評價機制。理論課成績主要是考查學生對理論知識掌握程度，實驗報告可以考查學生實驗設計思路及數據分析能力，課堂表現主要體現在學生上課的參與性與積極性，通過提問回答情況可體現其知識掌握情況，將課堂表現納入考核成績，可有效提高學生的主觀能動性，綜合實驗課可有效考查學生的實際動手能力及分析問題、解決問題的能力。通過多方面綜合考評來激發學生的學習積極性，提高其綜合技能，為后續的畢業論文設計打下堅實的基礎。

三、結論

1.在透射電鏡理論課程設計方面，通過分模塊教學，調整側重點，針對學生的需求及后續發展有針對性地教學，真正實現其在本科教學中的作用。

2.在實踐應用課程中，采用多模式教學，邊研究邊學習的方式可以讓學生更廣泛地了解透射電鏡的應用范圍及先進的材料研究方向，綜合實驗課程中通過典型樣品的制備分析流程，學生可充分認識透射電鏡的整個操作流程，而開放性實驗課程則可根據學生的興趣愛好因材施教，發揮其特長，本科學生在校期間通過各種方式接觸和使用此設備，對于提高其實驗技能、開拓專業視野、培養創新思維和意識具有重要作用。

3.綜合的考試評價制度可以客觀公正的評價學生的理論知識及實踐動手能力，通過多方面的考評激發與調動學生的學習積極性。

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ApplicationResearch on Transmission Electron Microscope in Undergraduate Experiment Teaching

SUN Jing-jing1，CHEN Ying1，LIAN Ji-qionog1，SUN Dong-ya1，XU Bin-bin2，LEI Cai-xia3

（1.Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian 361002，China;

2.Xiamen University，Xiamen，Fujian 361002，China;

3.Guangxi University，Nanning，Guangxi 530000，China）

Abstract：Because of its high resolution and fine structure analysis，Transmission Electron Microscopy （TEM） is widely used in the analysis and research of nanomaterial，It is unimportant method for Material analysis and an essential skill for the student in future research and work.Because of its high theoretical requirement，high price and scarcity of equipment resources，it is mainly used in research work and seldom playing role in undergraduate teaching.In order to improve the teaching effect of the course of Analytical Testing Technology in Colleges and universities，We comprehensively analysis of the problems of TEM in undergraduate teaching，a series of explorations have been carried out from theoretical knowledge learning to practical operation guidance and the final incentive and assessment mechanism，which can effectively play its role in undergraduate teaching and improve the undergraduate teaching level while serving for scientific research.

Key words：transmission electron microscope;material test;undergraduate teaching

收稿日期：2019-05-24

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目，（51601162）;福建省教育廳中青年教師教育科研項目，（JT180423）;廈門理工學院2018年教育教學改革項目（JG2018010）

作者簡介：孫婧婧（1983-），福建廈門人，工程師，實驗教輔，研究生，研究方向：主要從事大型儀器管理及分析測試教學與研究工作，新能源材料研發。