电镜实验教学中“三层次”培训体系的建立

权茂华， 孙建林， 熊小涛， 薛润东

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）

电镜实验教学中“三层次”培训体系的建立

权茂华， 孙建林， 熊小涛， 薛润东

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）

引入培训、教学双模式，增加实验教学趣味性，提升学生对基础知识的运用能力，北京科技大学针对透射电镜实验教学中存在的问题，建立了“三层次”(即基础理论培训、专业技术培训、操作技巧培训)培训体系。以不同形式的培训为手段，为学生创造了自主选择学习形式的空间，搭建了学生与专家、学者之间交流的平台，提高了学生分析问题、解决问题的科研能力，引导学生完成自主化的学习过程。从演示到理论讲解，再到实践操作的“三层次”培训体系的建立打破了传统透射电镜实验教学的固有模式，有效地弥补了电镜实验教学中演示教学模式存在的问题，提升了透射电镜在实验教学中的地位和使用效率，为国家贮备电镜人才的同时，也为大型仪器设备的实验教学开辟了新途径。

电镜培训;三层次;实验教学;大型仪器设备

0 引言

在现代工业技术中，特别是在信息、材料、生物科学等领域，电子显微镜发挥着越来越大的作用［1］。生物学家可以用它研究细胞、细菌、病毒和胶体颗粒的结构，材料学家可以用它揭示金属、陶瓷、钢铁的非均匀性和缺陷，地质学家用它研究岩石、矿物和化石的显微结构，探究地球起源和矿产资源。尤其是透射电子显微镜，其最高分辨率可达0.05 nm，它的功能强大到足以看清单个原子的投影像。在这种形式下，我国每年都进口各类电子显微镜200多台，用于全国各个高校和研究所的教学和科研工作［2］。为了学生尽快掌握这些仪器设备的基本原理和使用方法，北京大学、清华大学、南京大学、北京科技大学、西安石油大学等各大高校陆续开设了相应的实验课程［3］。然而，像扫描电镜，透射电镜(下文简称为电镜)这种价值上百万甚至几百万的仪器，由于其数量有限，提高电镜的使用率［4］以及直观、形象解释基本概念一直是电镜实验教学面临的问题。

1 电镜在实验教学中存在的问题

作为大型仪器设备电镜价格昂贵，由于其资源有限，目前本科生和研究生的电镜实验教学，不能像其他的实验课一样，每位学生一台设备，学生亲自上机的时间有限，导致其实验课形式只能以教师演示，学生观察为主［5］。例如，能够在纳米尺度上揭示材料结构与性能之间关系的透射电镜具有高精度、大型化、操作复杂等特点，授课教师通常以标准样品为例，把明场像、暗场像的成像过程以及菊池线、电子衍射斑点、高分辨像的获取过程一一演示给学生。第一，这种授课方式限定了学生运用电镜分析实验结果的能力，同时不利于加深学生对理论知识的理解，只能停留在感性认识的层面上。第二，这种授课方式不利于理论和实践的结合，易出现实验课与理论课脱节的现象。

创新能力的培养要以扎实的理论基础为前提，而实践却是强化理论知识的重要途径，因而增加实践过程是引导学生走向创新的必经之路［6-7］。目前电镜实验课课时有限，学生上机时间较短，且上机人数有限，极大地限制了学生学习的主动性，不利于学生创新能力的培养。同时也减低了大型仪器设备的使用率。

总之，以演示为主的电镜实验教学限制了学生主观能动性的发挥，不利于创新能力的培养和学生个性化发展，同时减低了大型仪器设备的使用率。

2 “三层次”电镜培训体系的建立

现代的电镜采用高速运算且功能强大的电脑控制、记录实验结果，伴随着数字电子技术和微处理器技术的应用，简化了仪器的操作步骤，使用者只需较少专业培训即能获取材料的显微结构数据。面对新局面，以培养高水平创新型材料人才为教学改革目标的北京科技大学［8］，针对电镜在实验教学中存在的问题，在建设国家级实验教学示范中心的背景下［9］，经过多年的实践，实验中心建立了“三层次”电镜培训体系。所谓的“三层次”电镜培训体系，即基础理论培训、专业技术培训、操作技巧培训(见表1)。电镜培训其授课形式多样化［10］、学习方式个性化、规模可控性的特点，极大地弥补了大型仪器设备实验教学的不足。有效地调动学生学习主动性，开辟培养学生创新能力的新途径。

(1)基础理论培训。以基础理论、显微结构分析为目的的电镜培训，具有学习规模大，影响广泛的特点。这层面的培训面向所有电镜的使用者和对电镜感兴趣的学生，课程内容涉及透射电镜的基本功能和使用范围，主要以传统授课方式为主，结合理论讲解把实验过程以短片的形式播放给学生。实验中心于2013年举办了以推广透射电镜分析技术为主题的电镜培训，培训课时为 30学时。邀请了在 EDX、STEM、HRTEM、EELS和计算模拟方面具有丰富从业经验的专家、学者做主讲人，通过授课、演示的方式向学生生动地展示了透射电镜工作过程，图像解析方法。学习规模近百人。

表1 电镜培训的基本模式

(2)专业技术培训。以专业技术推广为目的的电镜培训，主要面向运用电镜解决科研的研究生。其特点是培训周期短、专业性强。以推广新技术，提升科研水平为目的。例如，实验中心于2006年举办了以高分辨像分析为主题的电镜培训班，吸引了全国多所高校的师生前来参加。聘请在电镜领域资深学者、科研一线的研究人员做主讲人，培训方式以主题报告为主。

(3)操作技巧培训。以操作技巧演示为目的的电镜培训，其特点是培训周期长，学习规模小，采用一对三或一对五的培养模式，以上机演示、动手操作的授课形式为主，理论讲解为辅，主要面向有意从事电镜研究领域的学生和青年教师。实验中心每学期都会开设以透射电镜操作技巧为主题的电镜培训，学习规模控制在10人以下，培训方式以演示、上机演练为主，授课10学时，上机300机时。

3 电镜培训效果分析

(1)加强学生对基础理论的理解。提供了自主化学习方式。解析电子衍射谱、高分辨图像都需要扎实的理论基础，加强理论知识的理解，是解决实际问题的基础，也是创新思想的源泉。电镜培训通过聘请长期从事科研工作的教师作为主讲人，结合科研问题解析过程强化学生对理论知识的理解能力，有效地解决了理论与实践脱节的问题。“三层次”电镜培训体系的建立适应了学生自主选择要求。学生可以根据自身对电镜需求程度选择培训方式，这种自主选择学习的方式［11］，可以最大程度地调动学生的学习热情。

(2)推广电镜新技术。随着电镜硬件与软件兼容性变革，了解软件的使用是获取准确实验结果的前提。基础理论与现代新技术之间恰当的结合，有利于开阔学生视野，培养学生的探索精神［12-13］。

(3)培养专业人才，搭建科研平台。电镜培训通过可视化的实验过程，为广大爱好科研工作的师生提供了交流、学习的平台。引领学生深入探讨科学问题，激发学生对科学问题探讨的兴趣，为国家储备专业人才。例如，材料物理专业的祝远民同学参加了专业技术培训和操作技巧培训，撰写的论文发表在APL期刊上。材料加工专业何洋同学参加了“三层次”的电镜培训，全面掌握了透射电镜的操作技术，博士毕业后赴美国从事透射电镜专业研究工作。

(4)践行因材施教层次化的教学思想，提升大型仪器设备的使用率。“三层次”电镜培训体系的建立，为学生提供了自主选择的空间。根据学生对电镜的使用情况，进行不同层次的培训，践行了因材施教层次化的教学思想［14-16］。目前实验中心电镜室配备了4台不同型号的透射电镜用于实验教学。其中包括H-800、100CX、JEM-2010 和 Tecnai G2F-20。4 台透射电镜包涵了3种主要的电子源类型(钨电子枪、六硼化镧电子枪和场发射电子枪)，有利于学生全面了解透射电镜的工作方式。新、老仪器的并存有利于不同层次培训的展开。例如，在操作技巧培训中，让学生先在相对较旧的设备上动手操作，待操作熟练后，经过80机时的培训就可在场发射电镜上操作。

4 结语

“三层次”电镜培训体系的建立，不仅弥补了电镜实验教学中演示教学模式存在的问题，同时有效地提高了大型仪器设备的使用率。“三层次”电镜培训体系实现了因材施教层次化的教学思想，在培养学生探索兴趣的基础上，提高了学生运用知识的能力，同时也为电镜行业储备人才。“三层次”培训体系是教学模式的延伸，在推动科研水平发展上同样具有辐射作用。从演示到理论讲解，再到实践操作的“三层次”培训模式，为大型仪器设备实验教学开辟了新途径。

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Establishment of“the Three-Level”Training System in the Experimental Teaching of Transmission Electron Microscope

QUAN Mao-hua，SUN Jian-lin，XIONG Xiao-tao，XUE Run-dong
(School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to meet the educational aims of increasing the students’learning interest and strengthening students’basic theoretical knowledge，University of Science and Technology Beijing established training system of“the threelevel”(that is the training of basic theory，the training of professional technology，the training of operation skills)in the experimental teaching of transmission electron microscope.The training created opportunity to free choice learning mode，gave opportunity to exchange ideal between student and expert，improved ability of scientific research and cultivated independent study manner.The training system of“the three-level”broke the limit of mode of traditional experimental teaching，improved the standing and the using rate of large-scale instrument and equipment in the experimental teaching，cultured a lot of professionals，opened up a new way of large instrument and equipment for teaching.

training of electron microscope;three level;experimental teaching;large-scale instrument and equipment

G 420

A

1006－7167(2014)05－0171－04

2013－07－04

2012年北京市基建项目-教育教学改革

权茂华(1980－)，女，黑龙江庆安人，博士，工程师，主要研究方向:材料显微结构分析与表征。

Tel.:13552639136;E-mail:mhquan@ustb.edu.cn