掃描電子顯微鏡實驗課現狀與優化對策探究

劉婉穎 武元鵬 何伊婷 劉麗 何晚瀅 張俊煒

摘? 要：掃描電子顯微鏡（掃描電鏡）具有分辨率高、放大倍數高、景深大等特點，是一種綜合多門學科的大型精密儀器，在材料科學中應用廣泛。但由于設備貴重、數量少和實驗課學時的限制，本科實驗教學過程單調，學生缺乏積極主動性，無實際操作環節。因此，學生對掃描電鏡實驗課認知不高，課堂學習達不到實驗開設的預期效果。文章主要針對這些問題，從實驗教學方法、教學體系和考核機制方面進行改進、優化和改革，有效提高掃描電鏡實驗課質量，使學生能運用掃描電鏡從事材料研究工作。

關鍵詞：掃描電鏡;實驗教學方法;實驗教學體系;考核機制;實驗效果

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）06-0092-04

Abstract： Scanning electron microscope（SEM） with the characteristics of high resolution， high magnification and large depth of field is a large-scale precision instrument that integrates multiple disciplines. That is widely used in materials science. However， due to the limitation of the expensive scanning electron microscope instrument， the less quantity of instrument， and the experimental class hours， the monotonous experimental teaching process of the undergraduates occurs. The students lack initiative and no hands-on link. Therefore， students do not have a high awareness of SEM experiment class， and learning effect in the classroom does not meet the expectations of experimental establishment. Based on these issues， the quality of SEM experimental lesson is improved by improving the experimental teaching method， optimizing the experimental teaching system and reforming the assessment mechanism， and then the students can engage in the material research by using SEM.

Keywords： scanning electron microscopy; experimental teaching method; experimental teaching system; assessment mechanism; experimental effect

《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號）中明確提出：切實加強實驗教學管理，努力推進實驗教學改革，大量高端貴重儀器被列入本科生實驗教學內容[1-3]。掃描電子顯微鏡作為一種新的電子顯微儀器設備，是用來分析材料形貌特征、表征和材料表面微觀結構的重要工具，其應用領域越來越廣泛，不僅用于材料學、動物學、植物學、醫學、微生物學和化學等領域的研究，還應用于石油天然氣工業、半導體工業、陶瓷工業和化學工業等部門。其工作原理是在加速電壓作用下將電子槍發射的電子匯集成細小電子束，電子束在試樣表面做光柵狀掃描，激發出如二次電子、背散射電子和俄歇電子等物理信號，通過對這些信號的接受、放大和顯像來對試樣表面進行形貌和結構的分析[4]。隨著現代科學技術的不斷發展，相繼開發了環境掃描電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡和原子力顯微鏡等技術[5]。但基于這類儀器設備價格昂貴，學校購置數量有限，因此作為承擔著材料分析方法實驗教學課程的掃描電子顯微鏡，便不能像傳統、常規的實驗教學儀器設備一樣，可單獨或是兩三個人一組進行實驗操作，這就導致學生學習動力不足，實驗教學效果也得不到保證。為充分發揮實驗教學在培養創新型人才中的作用，提高人才培養質量，增強學生對實驗儀器的認知和動手能力，本文通過對掃描電鏡實驗課教學方式方法的改進，對實驗課教學體系的優化，以及對學生實驗課后考核機制的改革，使掃描電鏡實驗課更具針對性、實用性和趣味性，進而有效提高實驗教學效果，使學生在有限的實驗時間內能基本掌握掃描電鏡的操作及分析測試方法，掌握利用掃描電鏡進行材料研究的基本能力。

一、掃描電鏡實驗課現狀與存在問題

目前各高校普遍的教學過程為理論課加上實驗課，且實驗教學長期以來被視為理論教學的輔助手段，用于加深對理論教學的理解，所以易忽略實驗教學的重要性[6-7]。通常理論部分所占據的時間長，首先是教師在課堂上進行相關內容的講解，讓學生大致了解掃描電鏡的結構與原理、應用與特點、實驗要求與注意事項，以及測試樣品的制備方法，在學生具備一定的理論基礎之后，再進行實驗實操部分的課程。對于實驗課程部分，由于掃描電鏡是高精密貴重儀器，西南石油大學新能源與材料學院僅有一臺型號為EVO MA15的鎢燈絲掃描電子顯微鏡，用作本科教學和師生的科研、畢設及其他開放性、創新性實驗的表征分析。而且本科教學實驗的學生很多，其實驗時間及課時固定，且一般是在有關材料分析的課程開課后才開始掃描電子顯微鏡分析實驗課，所以易造成實驗課上“粥少僧多”的情況。另外，電鏡還擔負著研究生的創新實驗、畢業論文及教師的科研實驗和對外服務等工作，因此本科生的電鏡實驗無法按傳統實驗方式進行兩三人的分組，做到人人動手的實際操作[8]。一般是電鏡管理老師進一步講解理論知識后，由上課老師或電鏡管理老師進行演示操作，學生再分組觀看老師的操作演示，觀察后記錄數據、采集圖像，課后進行分析并提交實驗報告，最后在課程結束后統一進行考核。

掃描電鏡實驗課存在的客觀條件為電鏡設備臺套數少，實驗課時也較少，但本科生人數較多，且理論教學部分用時長，從而導致學生缺少動手操作時間。由于掃描電鏡分為真空系統、電子束系統以及成像系統，很多精密部件結構對所處環境要求較高，因此，不能將其進行拆裝來為學生形象具體地講解。設備啟動工作時，處于高真空狀態，不能直接觀察到內部電子束的運動形式[9]，因此很難通過老師的講解和示范，讓學生快速、清楚地理解電鏡工作原理，也無法熟悉其操作。實驗課后，學生猶如走馬觀花，未能真正掌握關于掃描電鏡對材料分析方面的知識。由于本科生對電鏡未進行實際操作，對基本構造原理了解不足，因此，若要讓學生動手實驗，則需在專人指導下進行。如果不加注意，易對電鏡造成損傷，對于后期電鏡的維護和其他科研項目的開展等亦有影響。目前，很多管理員在實驗過程中只會按照標準操作進行教學，一旦修改了儀器測試相關參數或儀器出現問題，學生根本不會解決，所以學生也就無法進行自主實驗[10]。現階段，掃描電鏡實驗課仍為驗證性實驗，在學生不能親自動手實驗且參與度不高的情況下，整個實驗教學較為枯燥，學生無法做到專心致志，實驗教學的效果達不到開設課程時的預期目的，致使學生在撰寫實驗報告時重復率較高，學生對整個實驗過程和實驗內容知曉略淺，對掃描電子顯微鏡儀器的了解也僅停留于表面，對掃描電鏡儀器的結構、原理、應用領域、數據采集及分析層面掌握不佳。

二、優化對策

（一）掃描電鏡實驗課教學方法改進

針對目前掃描電鏡實驗課存在的設備臺套數有限（僅一臺）、教師授課方式單調以及考核制度不完善等問題，需采取相應措施改進和優化，以提高課程質量和學生的積極性。在臺套數有限的基礎上，充分利用各種資源，豐富教學過程，改善教學方式方法，激勵學生產生更大的興趣和愛好，以達到實驗教學對學生的培養目的。適當改善教學內容，如增加學生感興趣的內容。優化分配理論教學和實驗教學的課程時間，如課堂教學時對于學習過的內容，可簡單帶過，規避重復內容講解，將節省出的時間劃至實踐操作部分，并且提供開放課外實驗操作機會，學生分組操作練習。實驗前，學生提前制備好測試樣品，每組可選擇不同類型、不同材料及結構尺寸的樣品，實驗時親自操作，這樣既可增強學生動手能力，又可提升學生感知能力。在實驗課進行時，則由實驗老師操作，學生在老師的指導下，對自己小組樣品的測試結果進行分析，并結合實驗目的，自主選擇放大倍數和觀察區域，確保每組所記錄的數據內容不同，以降低實驗報告的重復性。

利用現代化、立體化技術，在原有圖片基礎上，加入如3D模型、動畫等內容，增加實驗課程的趣味性和生動性。教育部《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》（教高[2001]4號）文件第十條指出，“在教學活動中應用現代信息技術，是提高本科教學質量的重要手段和措施。[11]”例如，錄制掃描電鏡的實際操作視頻并共享于網絡平臺，學生在實驗教學前可提前進行預習，實驗教學后也能復習掃描電鏡的使用操作方法，亦或是使用Flash軟件制作出掃描電鏡工作狀態下的動畫，以電子束在電子鏡筒內的運動過程、掃描線圈如何控制電子束并作用于試樣表面、電子束在試樣表面激發出的各種信號以及探測器如何收集信號等具體內容[9]，使那些在電鏡內部運行的且不易被觀察的過程、電子束的產生、樣品表面不同信號的激發及探測器對不同信號的接收（如樣品有效深度5～10 nm處激發出的二次電子，樣品有效深度1 μm處激發出的背散射電子，樣品有效深度2 μm處激發出的特征X射線信號），這些肉眼無法觀察的電子信號均可通過虛擬動畫生動、形象地展示出來，學生通過具體可視化的觀察來學習，加深對掃描電鏡構造和原理的認知。

掃描電鏡開放使用期間，除了用于本科教學外，其主要工作是為科研服務，同時還承擔著課外開放性綜合實驗（如大學生開放實驗、創新創業實驗、二課）。雖然掃描電鏡實驗教學的時間不多，但可供學生實戰觀察的時間卻很多，平時服務于科研項目的實驗時間完全可對學生開放[12]，通過加入科研團隊，或者參加有關的開放性實驗，增加師生間的交流，提高學生的思考、探索能力。開放與實際案例相結合的實驗，如失效部件微觀分析，包括各類夾雜物、斷口形貌、斷裂特征分析、組織形貌和腐蝕物形貌特征等[13]。學生可選擇感興趣的實驗課題進行預約，在限定預約人數條件下，盡可能滿足每一位學生的動手操作需求，達到學生實際操作目的，培養高水平的操作人才。

實驗教學是高等院校培養學生實踐能力的重要環節，提高學生參與度是優化實驗教學的主要手段之一，參與度高的實驗教學模式有利于學生養成規范的實驗操作習慣，有利于培養學生的自主實驗能力[14]。如實驗前，可提前預留問題，讓學生帶著問題，翻查文獻，自行設計實驗過程，然后向老師或研究生請教在儀器操作過程中遇到的問題，實驗數據如何處理和分析等，既能解決問題、學到知識，也能增加師生間的交流，提高學生自主實驗的設計水平和自主操作能力。

（二）掃描電鏡實驗課教學體系優化

在改進傳統教學方式方法基礎上，需要優化實驗教學體系，如建立掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統。虛擬仿真技術是通過利用現代計算機網絡和編程技術解決教學中設備資源短缺難題的技術，是實驗教學改革和教育信息化發展相結合的創新產物[15]。通過構建掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統，可將課程理論知識和實驗有機結合，不僅能使學生掌握基本理論，同時也能培養學生的實際操作、驗證理論和探索新知識的能力。

學生在進行正式實驗課程之前，可先通過虛擬仿真實驗系統進行初步學習，對掃描電鏡的結構及工作原理、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像襯度觀察、實驗數據處理及分析等部分內容有個熟悉過程，再結合實驗課程中對掃描電鏡儀器設備的實際操作，發現差異，建立對電鏡的理性認識。基于西南石油大學新能源與材料學院已搭建的用于學生課外綜合能力訓練實驗（如大學生課外開放實驗、創新創業實驗、二課等）的虛擬仿真實驗平臺，為解決掃描電鏡所處實驗室場地有限和儀器操作復雜性問題進行3D建模，按照實驗流程和步驟實施交融互通對掃描電鏡樣品制備和儀器操作進行虛擬仿真，生動形象地再現整個實驗教學過程，從而建立掃描電鏡實驗虛擬仿真教學系統，以解決當前實驗教學中所存在的臺套數少、學生得不到實際操作鍛煉，以及對電鏡實驗課缺乏興趣等問題。掃描電鏡虛擬仿真實驗系統分為實驗預習模塊、仿真現場操作模塊和實驗考核模塊。秉承學院“以生為本、夯實基礎、強化實踐、研教融合、雙證培養、虛實結合”的實驗教學理念，對學生開展有啟發性、直觀性和可視化的實驗教學，調動學生自主學習和實踐實驗的積極性[16]。

在傳統教學儀器不足，實驗效果不佳的條件下，虛擬仿真技術既能極大地滿足學生學習的要求，又可熟練掌握儀器的使用方法，而且學生還可通過3DMAX、Flash等軟件制作掃描電鏡電子光學系統的三維構造圖，解釋電鏡的工作原理，使學生能進行提前預習，熟悉實驗原理等[17]。掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統主要包括掃描電鏡的結構、工作原理、樣品制備，以及電鏡冷啟動、軟件運行、裝換樣品、二次電子掃描、背散射掃描、電子背散射掃描、能譜測試、數據處理和分析與電鏡關機等部分內容。學生可親自動手模擬操作實驗，在安全環保且不損壞儀器的條件下進行模擬操作，從而對掃描電鏡操作原理、樣品制備和不同樣品觀察分析有一個理性的認識，加深對電鏡和實驗課程的了解，充分體現學生的主體地位，進一步提高學生的主觀能動性，增強學生的實踐創新能力、分析問題解決問題能力，以及實踐實操能力。

虛擬仿真實驗應用于實驗課程教學，還可加強同其他高校和企業自建實驗室的交流力度，互通有無、合作共享[18]。校院經費有限、掃描電子顯微鏡購入時間較久和儀器使用頻率過高導致儀器提早老化。通過增進與其他高校之間的交流，可完善對本院系實驗室的構建，促進實驗室管理水平的提升，更好地服務于實驗教學，也能相互合作，共同開展新的課題項目。通過與企業之間的交流，可利用企業的資金能力與生產設備，結合院系自身的科研優勢，和企業共同開展創新項目。在一定層次上，有利于企業盡早發現優秀的科研類人才，建立共享方式的實驗室，可增加學生接觸高精尖大型儀器設備的機會，提高學生實驗學習的積極主動性，增強學生的科研實驗能力。

（三）掃描電鏡實驗課考核機制改革

基于課程考核標準對教學環節的實施具有導向作用，應將實驗教學評分標準納入績效考核，通過以制促改、以改促教，改變“出勤率+課堂表現+實驗報告”這種傳統的實驗課程評分方法，采用多元化的考核方式，在學生整個模擬實驗和實際操作實驗完成后，采集實驗過程中的數據，并進行處理分析，采取“結果性”與“過程性”考核相結合的方式，通過大數據形成對每一個學生的評估報告，針對掃描電鏡實驗課程構建“3223”考核機制，即采用“出勤率30%+預習報告20%（在虛擬實驗教學系統上預習）+實驗報告20%+課堂表現30%”的綜合評價體系。實踐課程要以保證出勤率為前提，依據報告完成效果驗收，將課堂表現作為加分依據，結合多方面考核給出最終成績。這種多方位的考核機制既提高了實驗課考核評估的客觀性和綜合性，又促進了學生實驗學習的動力，更有利于培養學生的綜合素質。

三、結束語

材料學專業是一門理論與實際相結合的學科，對于材料的學習與認識，以及實驗的構思、設計與完成都需要學生的探索與創新。掃描電鏡實驗課，不僅是對傳統課堂理論教學的完善，學生通過實驗課的實操演練后，對材料分析表征設備的使用有直觀感受，還能激發學生的學習主動性和積極性，使其學以致用，更是在為培養高科研水平的優秀人才奠定基礎。對掃描電鏡實驗課進行優化，不僅需要進行實驗教學方式方法、實驗教學內容的改進，還需進行實驗教學體系的優化，也需要進行實驗課考核機制的改革。通過運行虛擬仿真技術、引用合作式教學、改善實驗課程考核方式和改變學生以往對實驗課的狹隘觀念，來激發實驗興趣和積極性，有效促地進實驗教學進程，提升實驗教學質量，讓學生通過實驗課習有所得、學有所獲，為以后將從事的工作和科研奠定扎實的理論與實驗基礎。

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