透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學中的應用及探索

＊樊紅櫻 陳娟 周俊 王赪胤

（揚州大學 測試中心 江蘇 225009）

引言

近年來，實踐教學已經成為高等教育教學中的重要組成部分，對于學生綜合素質、實踐能力、創(chuàng)新精神的提高有重要作用[1-3]。而隨著科學技術的發(fā)展，當代分析技術也是日新月異。因科研需要，學校購置了大量先進的大型分析測試儀器，這些大型儀器不僅成為高校教學科研工作必不可少的物質基礎，同時也是高校核心競爭力與學校綜合實力的體現(xiàn)，為高校開展科研和培養(yǎng)高素質人才提供了重要的物質基礎和保障。但是，目前這些大型儀器主要服務于教師和研究生的課題項目研究，與本科生教學聯(lián)系不夠緊密。針對以上現(xiàn)狀，利用實驗課教學來拓展學校大型儀器設備的受益群體，并豐富和完善大型儀器設備在本科教育教學中的應用，提高本科學生的實踐操作能力，為培養(yǎng)實踐型人才發(fā)揮自己最大的力量。

透射電子顯微鏡，簡稱透射電鏡，以波長極短的電子束作為光源，利用多級電磁透鏡進行成像，是一種高放大倍數(shù)、高分辨率的電子光學儀器[4]。現(xiàn)已被廣泛應用到生物、農林、醫(yī)學、納米材料、高分子材料等領域，已成為科研領域不可缺少的表征手段[5-8]。而現(xiàn)代測試分析技術相關課程中，透射電鏡也是理論講解和實驗技術中的重要組成部分。但因其設備本身比較昂貴，學校擁有臺套數(shù)較少，且維護和維修難度大且成本高，容錯程度低，導致實驗課的效果不佳。因此，利用先進技術設計新的本科教學方案，提高透射電鏡實驗課的教學效率和教學效果，已經是當務之急必須要解決的問題。

1.透射電鏡在本科實驗教學中應用的現(xiàn)狀分析

高校教育中的實驗教學是本科教學中的實踐性教學的重要環(huán)節(jié)，是連接理論學習和實際應用的橋梁，在培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和獨立思考能力方面具有其他教學課程無法替代的作用[9-11]。而大型儀器相關本科實驗課程的開設，可以打通教學與科研之間的壁壘，激發(fā)學生對高精尖技術的興趣，提高專業(yè)知識的掌握度及鍛煉動手能力，同時也能有效發(fā)揮大型精密儀器在地方高校中的作用，是充分發(fā)揮教育資源效益的有效途徑。但是，由于各種因素的影響，鮮少有學校開展大型儀器相關的本科實驗教學課程，導致現(xiàn)階段大型儀器相關課程主要針對部分研究生開展。例如，大型儀器價格昂貴，維護和維修時間長費用高，對操作規(guī)范性要求嚴格，稍有不慎就會出現(xiàn)操作失誤引起長時間的機器調試，更嚴重的是出現(xiàn)設備損傷，會造成整個課程甚至是整個測試服務工作的延誤。因此，為了避免上述問題，實驗課程多采用老師講解及圖片展示的方式，讓學生了解操作的原理及操作全過程，并帶領學生去儀器操作室觀看老師的實際操作過程。這將嚴重影響學生動手操作能力、實踐能力、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)[12]。

揚州大學測試中心目前已開設《現(xiàn)代分析測試技術與儀器》和《儀器分析樣品處理與實驗操作技術》兩門課程，其中透射電子顯微鏡在其中占有很大比重，選課學生較多。透射電鏡是現(xiàn)在微觀結構分析儀器設備中使用頻率較高的儀器，但其價格昂貴、操作復雜、維護及維修費用昂貴，在實驗課過程中多以學生觀看老師演示的方式進行，無法讓學生參與到實驗課的整個過程中。導致學生在實驗課中的收獲大打折扣，無法達到實驗課培養(yǎng)學生動手能力的目的，無法為培養(yǎng)動手能力佳的應用人才提供強有力的支撐。綜上所述，大型儀器面向本科實驗教學開放是勢在必行的趨勢，因此本次探索中以本中心的共享大型儀器透射電子顯微鏡為基礎進行本科實驗課程的設計，利用“虛實結合”“軟硬結合”和“線上線下結合”等多種方法建立教學方案，讓大型儀器的開放共享不僅可以為科研項目服務，還能為本科應用型人才的培養(yǎng)提供幫助。

2.透射電鏡虛擬仿真軟件的搭建

學校為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》、教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》等文件精神，持續(xù)加強我校實驗教學改革，豐富實驗教學資源，創(chuàng)新實驗教學手段，促進學生實踐創(chuàng)新能力提升，組織開展了揚州大學校級虛擬仿真實驗教學培育項目。而本次教學方案的設置所依托的生物電鏡虛擬仿真實驗教學項目得到了學校的支持。

生物電鏡虛擬仿真實驗教學項目的實驗軟件系統(tǒng)包括鏡筒內部結構、操作模擬、練習題庫、作業(yè)和考試模塊等功能。已經初步使用于有透射電鏡樣品測試需求的研究生的培養(yǎng)中。以此為基礎，探索建立電鏡虛擬仿真透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學中的應用方案。

(1)閉環(huán)式實驗教學模式建設

通過調研學習其他高校透射電鏡實驗課的優(yōu)秀方案，了解其他高校大型儀器虛擬仿真實驗教學項目在本科教學中應用的先進案例，結合國家和學校對應用型人才培養(yǎng)的實際要求，建立創(chuàng)新的閉環(huán)式教學模式[13-15]。跟學生緊密溝通，做到邊試驗邊總結邊改進，隨時完善教學方案，打造與時俱進的大型儀器實驗教學新方案，打造可廣泛推廣應用的透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學中應用的新教案。

(2)透射電子顯微鏡虛擬仿真實驗軟件開發(fā)

以日立HT7800透射電鏡的虛擬仿真實驗項目為例描述該軟件建設情況。該軟件在試運行階段，初步嘗試用于有透射電鏡測試需求的研究生，提高他們對透射電鏡的自主操作能力。全過程通過實景操作模擬，進行沉浸式教學，讓學生完全理解并熟練掌握所有的操作環(huán)節(jié)。

虛擬仿真實驗步驟描述了透射電鏡從鏡筒內部結構了解到電鏡開關機及樣品測試的全過程。

軟件主要操作步驟如下：

①登錄網站，進入虛擬教學；登錄虛擬仿真平臺（輸入學生賬號，密碼）（圖1-A）。

②了解電鏡的結構原理，了解透射電鏡的操作步驟（圖1-B）。

③打開鏡筒電源開關和電腦主機開關（圖1-C）。

④打開模擬的HT7800操作軟件并加電壓、燈絲電壓和電子束準備測樣（圖1-D）。

⑤拔出樣品桿上樣品，然后完成進樣（圖1-E，圖1-F，圖1-G）。

⑥在軟件窗口進行樣品測試過程，其中包括：全景導航圖的調用、光闌調整、樣品大小縮放、亮度調整、樣品聚焦和主相機窗口拍照等全過程（圖1-H，圖1-I）。

⑦取出樣品，將空樣品桿裝入進樣倉，關掉高壓，關閉操作軟件，關閉電腦，完成拍攝的全過程。

3.透射電子顯微鏡實驗技術教學體系建立

以測試中心為依托，基于已開發(fā)的透射電鏡室及虛擬仿真實驗軟件，構建“透射實驗室-虛擬仿真實驗室”的虛實相結合的實驗教學平臺。將理論和實踐相結合，將線上線下虛擬實驗和實體實驗相結合，可以拓展透射電鏡實驗教學內容的廣度和深度、延伸實驗教學的時間和空間、優(yōu)化實驗教學的結構和模式、提升實驗教學的質量和水平。打破傳統(tǒng)的大型儀器實驗課中老師操作學生觀看的教學方式，實現(xiàn)教學方法的多樣化，讓學習者通過更多的平臺和更豐富的學習方式，完成課程的學習。依據不同類型學生的需求差異進行個性化培養(yǎng)，提升學生的自主能動性，提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

本教學體系建立主要通過線上線下和軟硬件結合的方式進行。秉承“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的教學原則，結合現(xiàn)代信息技術，提升大型儀器在本科教學中的效果，提高應用型人才的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。教學體系建立主要內容如下：

充分利用虛擬仿真實驗教學平臺完成進行實驗教學。將現(xiàn)代信息技術與傳統(tǒng)實驗深度結合。學生課前可以登錄實驗平臺進行預習，實驗過程中可線上與老師及同學交流，即“先自學課程，后反饋交流”充分發(fā)揮學生的主動學習能力，使學生從“要我學什么”轉變?yōu)椤拔蚁雽W什么”，充分調動學生自主學習的積極性，加強其對相關知識的理解。虛實結合，讓更多的學生有機會更早的接觸到大型儀器的操作，為以后的科研開展和工作實踐打下堅實的基礎。

通過軟硬件結合的模式，搭建虛擬仿真室和透射電鏡室相結合，讓學生在課時內依靠任課老師的講解通過虛擬仿真的方式熟悉操作過程和注意事項，并通過相關考核后，方可進行實際的上機操作。首先，保證有操作需求并具備一定動手操作能力的學生可以在透射電鏡室進行上機操作，既能保障學生使用電鏡的自身安全性，也能大大降低電鏡操作過程中因操作不當帶來的重大損傷的概率。其次，可以將本系統(tǒng)搭載在測試中心官網上，讓學生在課前對所學的內容進行預習，提前熟悉本次實驗課程的操作內容，減少上課過程中的軟件練習時間，增加有限課時內的上機操作時間。保證每個學生有足夠的時間完成上機操作的實驗過程，完成從原來的老師演示、學生觀看到現(xiàn)在的學生自主操作的轉變。

軟件中設計理論學習、樣品準備、操作練習模式、理論和操作考核模式、操作考核、實驗報告等多種模塊，讓學生了解電子顯微鏡的基本構造和原理、樣品前處理過程，初步了解電子顯微鏡的基本操作過程。學生可以提前完成理論學習，以便后續(xù)實驗課上課過程中更好的理解課程的內容，以及加深對操作過程的理解程度。樣品制備過程是透射電子顯微鏡拍攝的重要環(huán)節(jié)，好的樣品制備是好的拍攝結果的必要條件，引導學生了解樣品前處理的過程是透射電鏡實驗課程的重要環(huán)節(jié)，但是往往由于實驗課時有限，在實驗課程的過程中無法保證學生可以自主完成樣品處理的過程。讓學生在軟件中不限時不限次的進行操作練習，在完成理論和操作考核任務后，方可進行電鏡的上機操作。記錄學生的操作全過程，在課程結束后，老師可以根據上課過程中師生互動情況、線上線下的交流情況、試題和操作的考核成績，以及實體操作的情況綜合進行評估，從而為每個學生提供全面的操作技能評價。

4.結論

利用已有的虛擬仿真實驗軟件資源建立全方位管理實驗教學全過程的實驗平臺，可以有效利用現(xiàn)有的科學技術，提高本科教學的效果。有利于通過在線記錄學生實驗過程產生的數(shù)據，可以全面分析客觀解析教學效果，從而充分掌握學生在實驗教學課程中的參與情況及其對各個環(huán)節(jié)的感受，為實驗教學的評估和教學改革提供詳實的數(shù)據支撐，為學校本科實驗教學的改革提供依據，為應用型人才的培養(yǎng)提供更好的培養(yǎng)方案。