掃描電子顯微鏡在紡織學科中的實驗培訓探索研究

戚 玉，祁 寧

（蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215123）

1 研究背景

高校作為知識高地、創新高地，肩負著人才培養重任，創新型人才需要具備熟練使用現代化工具的基本技能，大型儀器設備就是創新型人才進行科學研究的重要依托和媒介，進行大型儀器培訓則是培養具有科研創新和應用實踐能力的“新工科”人才的重要環節[1-2]。掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）作為高校中使用頻率最高的大型儀器之一，其工作原理是：在加速電壓的作用下將電子槍發射的電子細聚焦成電子束，高能電子束轟擊掃描樣品表面，與樣品相互作用激發出二次電子、背散射電子、特征X 射線、俄歇電子、陰極熒光等各種信號，這些信號再經過接收、放大和顯像后，對樣品進行表面形貌觀察、成分分析、結構分析等[3-6]。掃描電子顯微鏡作為微區形貌分析的高端大型精密儀器，具有分辨率高、可連續放大到幾十萬倍、景深大、立體感強等優點，是分析測試材料的重要儀器，目前已經廣泛應用于材料學、化學化工、醫學、生命科學等領域[3-4,6,7]。

蘇州大學紡織與服裝工程學院有紡織工程、非織造材料與工程、輕化工程和服裝設計與工程4 個專業，紡織非織材料以及染整輕化方向對于掃描電鏡有很大的使用需求。目前學院在獨墅湖校區配有兩臺日本日立冷場發射掃描電子顯微鏡（Hitachi S-4800、HitachiRegulus 8100） 和一臺日立臺式掃描電子顯微鏡（Hitachi TM3030），由于蘇州大學紡織與服裝工程學院目前只有研究生在獨墅湖校區，因此這3 臺掃描電鏡主要面向研究生課題科研開放使用。本文將以蘇州大學紡織與服裝工程學院研究生的掃描電鏡實驗培訓為例，探索研究近年來掃描電鏡在紡織學科中的實驗培訓內容和方法。

2 掃描電子顯微鏡實驗培訓中存在的問題

2.1 測試需求大，培訓人數多

紡織學科作為涉及材料和化學領域的一門學科，在研究生的課題科研中，必然需要使用到掃描電鏡來觀察材料表面的微觀形貌和元素分布等，因此，蘇州大學紡織與服裝工程學院研究生對掃描電鏡的測試需求非常大。然而，掃描電鏡作為一種高精密的大型儀器，購置費用昂貴，目前學院擁有的兩臺冷場發射掃描電鏡，原值都在300 萬元左右，并且日常維護保養的費用也很高，再增加機臺數的可能性比較小。蘇州大學紡織與服裝工程學院近幾年每年有100 多名的研究生申請參加掃描電鏡的培訓，掃描電鏡的培訓從原理到實操再到學生能獨立上機操作需要的不僅是實驗教師的講解和演示，還需要學生本人的上機操作練習，這就導致掃描電鏡的培訓周期較長、效率不高。

2.2 學生理論知識欠缺，實驗培訓內容單一

蘇州大學紡織與服裝工程學院針對大型儀器實驗開展的課程“紡織品檢測與評價”在研一上學期授課，“紡織品檢測與評價”是由理論教學和實驗培訓兩部分組成。由于研一的學生很大一部分還沒有進入實驗室開始課題研究，沒有接觸或者看過掃描電鏡的使用操作，因此很難將課堂上的理論知識與實際應用聯系起來。這就導致學生對于掃描電鏡的理論知識理解僅僅浮于表面和課堂，無法通過改變樣品預處理方法或測試條件等使掃描電鏡起到支撐課題研究的作用。在實驗上機培訓課程中，由于培訓人數多，設備臺數少，通常只能以實驗教師一對多講解演示操作為主，學生只能在一旁觀看學習，后排學生甚至無法看清楚操作，這就導致學生的培訓參與感少，重視度也不高，培訓效果不佳。另一方面，實驗教師在上機操作環節，一般都是選擇同一個樣品進行演示操作，針對該樣品的制樣方法和測試條件的選擇也比較單一，這樣會導致學生對掃描電鏡的操作理解思維固化。后期由于學生的研究方向各不相同，所需要測試的材料的種類也很多，無法針對自身樣品選擇合適的前處理方式或測試條件，導致掃描電鏡的價值沒有被充分利用起來，對學生的創新科研思維缺乏啟蒙和指導。

2.3 學生自主練習時間不足，培訓考核方式過于簡單

由于掃描電鏡的使用人數多、測試需求大，學院測試平臺的兩臺冷場掃描電鏡周一到周五白天都開放預約供學生使用。掃描電鏡的測試特點是需要測試人員不斷調節聚焦、象散、對中、襯度、掃描方式等以得到清晰的照片，整個測試過程中雙手需要一直在操作面板上，這就導致需要練習的學生就算在一旁觀看別人操作，也很難得到親手練習的機會，更難通過觀摩學會拍攝出清晰的照片，學生急需自主上機練習的時間。實驗培訓結束后，掃描電鏡實驗課程的考核指標主要是實驗培訓的出勤率、課后作業和實驗報告，但是經過上機培訓的學生的實際水平無法判斷，實驗報告和課后作業重復率高，因此這些過于簡單的考核指標無法檢驗學生對掃描電鏡的真實學習效果，后期使用儀器的過程中甚至會因為錯誤操作導致儀器故障從而對全院測試進度產生影響，考核方式急需改善。

3 以紡織學科為導向完善改進實驗培訓內容和方法

3.1 線上線下多渠道實驗培訓，加入校級大型儀器共享管理平臺

建立線上線下多渠道培訓體系，線下的課堂實驗教學中，通過借助PPT、3D 動畫、視頻等將掃描電鏡的基本構造、工作原理、電子信號以及不同拍攝條件下圖像的區別等直觀地展示出來，進一步加深學生對掃描電鏡原理的認識和理解。同時，不同樣品的制備方法和掃描電鏡的基本使用步驟也在理論課堂中提出，加強學生對理論與實操的聯系。上機培訓中，分小組進行培訓從而提高學生的參與度，并且在研一下學期再次開展大型儀器專項培訓，增加培訓次數和時間，避免學生因為時間間隔長而忘記操作步驟等。同時充分利用互聯網平臺，利用騰訊會議進行同步線上網絡課堂教學，這樣讓無法到現場的學生也能得到培訓的機會。此外，依托學院微信公眾號開展“大型儀器培訓微課堂”，將掃描電鏡等大型儀器的原理操作等錄制成視頻資源與學生共享，讓培訓不受場地和時間的限制。大型儀器開放共享可以提高設備的使用效益，促進資源共享共用，協調設備資源的可持續發展。目前，蘇州大學紡織與服裝工程學院的3 臺掃描電鏡已經全部加入蘇州大學大型儀器共享管理平臺，該平臺可以設置上機資質，通過考核的學生才可以進入該平臺進行預約測試，這樣就大大提高了掃描電鏡的使用效率，當機器不夠使用時，學生也可以預約分析測試中心或其他學院的掃描電鏡來滿足測試需求，達到儀器開放共享的目的。

3.2 按研究方向“因材施教”，具體化培訓內容

蘇州大學紡織與服裝工程學院研究生的主要研究方向有新型纖維紡織材料、功能復合材料、絲蛋白生物材料、染整加工材料等，基于這些方向，在上機培訓中將樣品分為一般紡織纖維材料組、新型功能材料組和生物材料組，實現培訓內容的多樣化、具體化。對于一般紡織纖維材料組，由于該類材料一般導電性較差，需重點指導制樣方法和拍攝中荷電效應的應對方法，制樣時需要適當增加噴金時間；當樣品過厚時，噴涂無法將樣品側面完全噴上，可以用導電膠帶將表面的層連接到樣品臺上；樣品的形狀凹凸比較大時，可以分多個角度噴涂，使噴涂層均勻來增加樣品的導電性，以此減弱拍攝中的荷電效應。除此之外，還可以通過降低加速電壓、減少照射電流、使用下探頭或LA 模式、使用CSS 掃描模式或積分拍照模式等來減輕荷電效應。對于新型功能材料組，由于該類材料以納微米材料和復合材料為主，需要重點指導樣品的分散方法和截面制樣方法，對于納微米顆粒狀樣品，需要經過超聲分散后滴在硅片等基底材料上，以防止樣品團聚在一起影響觀察，對于需要觀察截面的樣品，不能損傷樣品截面的原始細節，可以使用液氮脆斷、割斷、切片等方式得到截面，然后使用截面電鏡臺進行觀察。對于生物材料組，特別是培養過細胞的材料，由于掃描電鏡不能測試含有水分的樣品，因此需要重點講解樣品前處理方法和拍攝中的樣品損傷的應對方法，生物細胞樣品的前處理需要進行固定、梯度脫水和冷凍干燥，蘇州大學紡織與服裝工程學院生物材料以絲素蛋白為主，拍攝中很容易被電子束打傷，可以通過降低加速電壓、減少探針電流、縮短觀察時間、增加噴金厚度來減少樣品損傷。通過這些分組化、具體化的培訓內容，學生對掃描電鏡的操作有了更深層次的理解，學生的積極性與主動性也得到顯著提升。

3.3 開放自主練習時間，過程化一對一考核

蘇州大學紡織與服裝工程學院研究生對掃描電鏡的使用需求從研一下學期開始，因此在每周五開放一臺場發射掃描電鏡供學生自主練習，通過建立練習考核微信群的方式，讓學生準備好自己的樣品，在群內按時間段報名練習。這樣既能讓學生有機會自主上機練習，在實操中掌握掃描電鏡的拍攝技巧，同時又滿足了研一學生的測試需求，節省了高年級學生的拍攝時間。自主練習熟練的學生就可以申請考核，考核成功后即可獲得掃描電鏡的預約資格。考核方式采用一對一上機操作，實驗教師全程觀察學生的操作：從裝樣、調節聚焦、相散、對中、調節襯度、掃描方式、保存方式、到最后取樣，5 min內要求拍清楚一張10 萬倍照片。通過這種過程化的考核方式，實驗教師可以清楚地了解學生的真實操作水平，給學生客觀地評價打分來決定最終考核通過與否。同時，這種過程化的考核方式還能讓實驗教師直接點出學生在操作中的錯誤或需要改善的地方，降低學生因為不正確操作對掃描電鏡造成的傷害，從而對儀器維護保養起到了正面作用。

4 結束語

紡織學科是一門理論與實操相結合的工程學科，掃描電子顯微鏡的使用不僅加深了學生對紡織材料在微觀層面的了解，也提升了學生的科研水平和創新能力。本文針對掃描電鏡在實驗培訓中存在的培訓人數多、學生理論知識欠缺、實驗培訓內容單一、學生自主練習時間不足、考核方式過于簡單等問題，提出了線上線下多渠道實驗培訓、加入校級大儀共享平臺、按研究方向“因材施教”、具體化培訓內容、開放自主練習時間、過程化一對一考核的一系列實驗培訓改善措施。從實驗培訓方式、培訓內容、考核機制三方面對掃描電鏡實驗培訓課程進行優化，通過這些優化措施學生既能掌握儀器原理，又能提高操作技巧，能夠充分發揮出掃描電鏡在紡織學科中的重要作用。