基于本科生創新研究需求的掃描電鏡實驗教學模式探索研究*

覃麗祿，郝龍龍，馬 妞

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400030)

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，簡稱掃描電鏡/SEM)是一種利用加速聚焦電子束掃描試樣表面，讓高能電子束與試樣物質相互作用，激發出各種信號，如二次電子、背散射電子、特征X射線、俄歇電子、陰極熒光等，這些信號經過接收、放大和顯像后，能夠獲取材料表面形貌、成分及結構等信息[1]。掃描電鏡作為一種重要的材料表征與分析大型儀器設備，具有分辨率高、景深大、立體感強、樣品制備簡單、樣品室空間大、放大倍數連續可調等特點，是研究和檢測材料的重要手段，已被廣泛應用于材料學、物理學、化學化工、生命科學、醫學等領域[2-5]。隨著技術的進步，可以在掃描電鏡的樣品室裝入多種探測器，與其它設備聯用，例如，X射線波譜儀、拉曼光譜儀、電子背散射衍射儀等。在可變氣壓樣品室的掃描電鏡中，還可以搭建原位樣品測試系統，如加熱、冷卻、拉伸、壓縮、加氣等，在形貌觀察的同時可進行原位觀察實驗，使掃描電鏡的功能得到極大的擴展，相當于一個綜合分析實驗室。

目前，掃描電鏡作為一種大型綜合分析工具，應用于科研與教學中，許多工科院校在本科生的實驗教學以及交叉學科的創新實驗教學中均涉及到掃描電鏡實驗教學課程。實踐教學是教育中的重要環節之一，對發揮學生個性、提高應用水平、提升創新能力等方面有著重要的作用[6]。在重視實踐教學的傳統與新工科建設的背景下，掃描電鏡實驗教學應以培養“厚基礎、強能力、寬適應”的創新型人才為目標[7-11]，培養學生掌握專業理論知識和技術技能，理論聯系實際，提升分析問題、解決問題的能力，提高學生綜合素質。文章基于多年實驗教學經驗，結合我校大學生創新研究需求，通過建立網絡資源共享平臺、改善實驗教學體系、建立創新實驗教學管理考核機制等手段，探索出了掃描電鏡在本科生創新研究中的實驗教學新模式。

1 傳統掃描電鏡實驗教學現狀

1.1 設備數量少，人均占有量低

掃描電鏡屬于大型儀器設備，一臺設備少則幾十萬元，多則幾百萬元，購置費用高昂。實驗室需恒溫、恒濕、無塵環境，空調、除濕機等輔助設備需常年運行，需定期對設備進行維護、保養、檢修等，運行成本高[12]。 由于掃描電鏡購置和運行成本的限制因素，目前各高校掃描電鏡保有數量少、人均占有量極低，導致服務目標人群范圍受限，無法開展大范圍實驗教學工作，使得掃描電子顯微學表征分析技術在本科生培養上普及率較低[13]。

1.2 演示性為主的教學模式缺乏深度體驗

目前，在實際掃描電鏡實驗教學中，由于設備數量少，只能以演示教學為主，且為“一對多”的授課模式，即一名指導老師給多名學生進行實驗操作演示，學生在旁觀摩學習[14]。以30人的教學班為例，分兩組進行2～4學時的授課，內容包括掃描電鏡結構、材料制樣方法說明、樣品上機測試演示等。其中，在掃描電鏡內部結構講解環節，電子光學系統 (電子槍、電磁透鏡)、掃描系統、真空系統和信號探測系統等本身比較復雜，且嵌入儀器內部，不便于直接觀察，導致學生在有限的時間內無法深入理解課程目標內容。此外，“一對多”模式下學生沒有足夠的時間進行實驗操作，實驗參與感少，浸入性差。 因此，演示性授課方式極大地限定了學生運用掃描電鏡分析材料的能力，只能停留在感性認識的層面上，缺乏深度理解[15-16]。

1.3 教學內容單一，阻礙學生創新性培養

學生創新能力的培養要以扎實的理論基礎為前提，實踐是強化理論知識的重要途徑，因而增加實踐過程是引導學生走向創新的必經之路。改革前的理論、實驗及分析環節內容單一。其中，在實驗操作環節，采用較單一的標準測試樣品進行演示實驗操作，對我校冶金工程、材料科學、材料加工、建筑材料工程、材料成型及控制工程 5 個專業方向授課所涉及的材料分析領域契合度較低。但是，掃描電鏡實驗的復雜性在于測試的材料不同，制樣方式就產生差異，實驗方法也要進行相應地改變。采用單一手段，無法提高學生興趣、激發能動性，影響學生對知識的吸收消化能力，嚴重阻礙學生動手能力和創新能力的提升。

1.4 考核方式急需改善

目前的掃描電鏡實驗課，一般以出勤和實驗報告作為考核項目指標。一些學生上課時往往“漫不經心”、“走馬觀花”，實驗目的性不強，興趣不高，只有少部分學生能夠積極參與其中。學生的實驗報告內容重復率較高， 無法判定學習效果，因此考核方式也急需改善[17-18]。

2 以創新需求為導向的實驗教學改革措施

基于目前掃描電鏡實驗教學中存在的問題，根據我校材料學院5個專業方向掃描電鏡實驗教學情況，結合大學生創新研究需求，從以下三方面進行了新的掃描電鏡實驗教學改革。

2.1 建立網絡資源共享平臺，引入直觀生動的教學資源

掃描電鏡屬于復雜的大型精密實驗設備，涉及的實驗原理和檢測內容較多。現有的實驗課程預習內容主要基于實驗指導書，無法多維展現掃描電鏡內部結構，難以觀察到掃描電鏡的結構與工作原理。改革后的教學模式，充分利用當代互聯網發達資源，依托網絡平臺，緊跟創新性研究型實驗，建立網絡資源共享平臺。在平臺中將掃描電鏡的發展歷史、基本構造、工作原理等教學內容中涉及的圖像、動畫、視頻等直觀的教學資源與師生共享。采用網絡共享模式，打破“設備極少、課時有限、空間不足”的局限性，讓大量學生可以隨時隨地進行學習，反復觀看，加深理解。

2.2 建立“三段進階式”實驗教學體系，逐步培養學生創新研究能力

改革后的教學模式將本科掃描電鏡實驗課程細分為：基礎理論實驗教學、綜合性實驗教學、創新性實驗教學，形成“三段進階式”實驗教學體系。學生通過不同階段的實驗課程學習，進階式學習基礎理論、鍛煉實驗技能、培養創新研究能力。

各階段實驗教學設計具體如下：

第一階段：基礎理論實驗教學設計

利用多媒體手段及互聯網，共享掃描電鏡理論知識資源。學生可以在課前無障礙在線觀看掃描電鏡發展歷程、基本構造和工作原理等內部動態展示視頻。多媒體技術的應用，使理論知識內容豐富多彩，刺激感覺器官，豐富聯想畫面，進而增強學生記憶，便于學生理解。學生在線上初步了解和認識掃描電鏡的相關知識后，在線下的實驗學習中就更具有針對性和目的性。

第二階段：綜合性實驗教學設計

根據不同專業學生的培養計劃和專業教學要求，結合專業基礎實驗開展掃描電鏡綜合實驗教學。

實驗原理講授環節，采用多媒體資料結合現場設備進行講解。多媒體資料展示電子束光路原理和掃描電鏡工作原理，電子束與樣品的交互作用，這些動態展示逐點對應掃描電鏡部件，給予學生更為直觀的體驗，提升學生的興趣，強化理論原理掌握。

實驗講授環節，將學生分為4～6人/組，運用經典案例及實物、動畫、視頻等多手段交叉，理論聯系實際，提高學生學習積極性和參與感。在增加樣品的豐富性上貼近生活及專業方向，如實驗觀察日常生活中的實物(昆蟲、毛發、花蕊等)以及針對各專業不同的材料進行現場測試。在樣品不變的情況下，變換實驗條件而實現綜合實驗技能培養，如現場操作展示不導電樣品噴鍍導電涂層前后的形貌效果對比、不耐輻照樣品電子束照射前后形貌對比、不同電壓下的形貌對比等，從而讓學生深刻明白“荷電”、“輻照損傷”現象以及相應的處理方法。

第三階段：創新性研究型實驗設計

經過前兩個階段的實驗教學，學生已經初步掌握了掃描電鏡實驗技術，就可以進行創新性研究型實驗教學培養。在第三階段，利用大學生創新實踐平臺，結合大學生創新實驗和“挑戰杯”、“互聯網+”大賽研究項目的具體分析測試需求，讓學生根據實際情況跨專業自由組合創新團隊。在理論和實驗教師的指導下，學生獨立自主地完成實驗測試內容，形成創新性研究型實驗教學模式。

創新性研究型實驗教學一般過程為：參與創新訓練項目的學生，根據課題研究需求提交掃描電鏡測試學習申請，經實驗設備管理老師審核通過后，進入安全培訓、理論培訓、安全理論考核、上機操作培訓、上機操作考核5個環節。上機內容主要包括：掃描電鏡放樣取樣、形貌觀察拍攝、微區元素分析、晶體取向分析等操作，不同專業學生可以根據項目實際需求進行相應操作的深度學習，更具針對性和有效性。經過上機操作培訓并通過上機操作考核之后，學生即可通過共享平臺預約實驗，進行創新訓練項目的掃描電子顯微學技術研究。

在本階段，針對不同專業、不同項目要求，整合實驗教學資源、放寬實驗設備使用范圍、簡化實驗設備培訓審批流程，讓學生積極地參與到創新性實驗當中，使參與教學的學生在科研實踐中提高研究分析能力、培養專業實踐技能。

2.3 建立創新實驗教學管理考核機制，提升實驗教學效果

明確對學生的考核要求，制定出各環節、各階段的考核標準。依托實驗室網絡管理系統，建立基礎和創新一體化的實驗教學管理辦法，實施一體化實驗教學管理機制。建立安全評估體系、共享預約系統、操作考核制度。新的考核方式采用“預習分值、出勤情況、現場表現、實際操作、實驗報告”5方面綜合評判，增加預習及操作內容，可以充分調動學生的學習自主性，提升上課積極性，鼓勵學生參加掃描電鏡培訓，提高掃描電鏡實驗教學效果。

3 結 語

進行掃描電鏡本科實驗教學改革后，形成了“三段進階式”實驗教學體系，學生在整個掃描電鏡學習過程中，興趣提升、目的性增強、實踐能力提高。經過基礎理論實驗教學、綜合性實驗教學、創新性研究型實驗三個部分的學習后，學生的創新研究能力逐步得到提高。新的實驗教學模式將實驗課程與創新研究項目相結合，促進“科教融合”，可同時提升教師教學水平和學生創新能力，能夠提高掃描電鏡在本科生創新研究中的使用效率，體現了新的實驗教學授課方式的前瞻性和有效性。但是，新的掃描電鏡“三段進階式”實驗教學體系仍存在一定的改進空間，需要進一步的探索與實踐。例如，可以在經過改革的掃描電鏡實驗教學體系中加入虛擬仿真實驗教學，即在第三階段的上機操作之前先進行虛擬仿真模擬實驗，讓學生在一個模擬真實環境下進行多次反復虛擬操作，熟悉掃描電鏡各部件的操作流程，使之在實際上機實踐中能更快、更好地完成操作流程，提高培訓效率。采用虛擬仿真系統與實物實驗相結合，做到“虛實結合、優勢互補”，全面推進掃描電鏡創新實驗教學，充分利用高端設備培養新一代高素質綜合型人才。