如何利用扫描电子显微镜开展本科教学

宋娟　张华山

摘 要 本文阐述扫描电镜在本科教学中的必要性，针对当下的主要问题，通过对本科实验教学中的教学方案改革，使得扫描电镜能更好地为教学服务，使实验教学更好地发挥在学生的探究和实践能力培养方面的作用，培养创新性人才。

关键词 扫描电镜 材料科学 实验教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.042

Abstract This article illustrated the necessity of the Scanning Electron Microscope （SEM） in teaching experiment of undergraduate. In order to make the SEM better for teaching and cultivating innovative talents， some methods for reform of teaching scheme to the undergraduates. This would improve quality of experiment teaching in students inquiry and practical ability.

Keywords SEM； material science； teaching experience

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是使用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。①扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且樣品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1-30KV，实验时可根据被分析样品性质适当地选择。扫描电子最常用的二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。扫描电镜图像几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。在材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。②

我校分析测试中心扫描电镜购置于2008年，为日本电子的JSM-6390LV，并配套能谱仪，由于扫描电镜能谱仪曾是我校最贵重的仪器设备之一，且运行成本较高，该仪器目前主要是从事校内外的测试工作。考虑到个性化培养和创新能力的发展是当今高教事业的发展趋势，让学生深入地参与扫描电镜的实际测试工作，并把其在理论课上学到的知识应用的实际操作中，增强实践能力，并引导学生自行设计科研课题，从而培养出创新型、实用型和复合型人才。③

本文将结合其他院校类似教学和电镜室在对研究生的开放培训及实验教学经验，初步探讨电镜在本科教学中的应用。

1本科教学现状

我校近年来为了提高学校整体办学条件和科研层次，加大了教学及科研方面的硬件投入，专门成立了为教学及科研服务的分析测试中心，中心集中了学校的大型仪器设备。中心定位于培养高层次人才，完成高水平科研项目的重要实验基地和公共服务体系。中心成立的宗旨是促进大型仪器的资源共享和跨学科的交叉研究。它的任务是为全校的教学科研服务 ， 同时面向社会。但是由于大型仪器设备价格高、运行成本高、对实验操作要求高等，使得大型仪器设备被神秘化，高端化和利用率低等问题出现。

目前分析测试中心拥有全校唯一一台扫描电镜和能谱仪，虽然也开设了本科实验，但是实验主要以演示实验为主，并未达到锻炼学生的目的。学生大都通过书本了解仪器的知识，对材料的检测知识知之甚少。如何改进原有教学模式，能让学生理论联系实际，提高教学效率，从而将传统教育模式向实践教育模式转化，是目前亟待解决的问题，也是高校面临的重大改革。④

为了加深学生对仪器的了解，使学生能灵活掌握测试方法，提高学生的动手实践能力，分析和解决问题的能力，本室从优化教学内容、改善教学方法和授课方式等多方面进行的探索和改革。

2本科教学方案

2.1 优化实验教学内容

虽然本校材料相关专业已开设有关典型材料的微观结构观察和微区成分检测的实验，但是主要是以教师演示为主，教学效果并不理想。伴随对电镜的功能的进一步开发和教学理念的更新，本室对实验教学内容进行了新的尝试。

教学内容针对不同专业编写实验指导书和实验大纲。实验教学内容以应用为主，原理为辅的原则，着重介绍仪器设备的典型分析方法和具体应用，并辅以了解仪器设备的基本原理。加入了与生产实践相结合的内容，如失效部件检测，包括各类夹杂物、穿晶断口、疲劳等组织。将教学内容与材料相变原理及工艺、材料力学性能、物理性能、无机非金属材料、金属材料等课程内容相联系，采取浅入深启的教学方法，充分调动学生的主观能动性。使学生在掌握基础知识同时了解一定的实验技能，从而更好地理解该仪器设备的精髓。⑤

同时在实验教学内容上与时俱进，目前实验教材存在普遍滞后的现象，教材上只能反映一些相对较固定的内容，其重点主要在仪器原理和发展历史方面，而对于现在最新的前沿技术并未涉猎。当今社会科学技术日新月异，仪器更新换代越来越快，仪器的功能开发也突飞猛进，固守原来教材上的知识已跟不上应用技术前进的步伐，本室在原有教学内容上进行了大胆的尝试，在内容上加入了最新的技术沿革，同时引入社会热点分析案例。从而增强学生对教学内容的兴趣，并能积极主动地学习。

2.2 改善教学方法

在教学过程中不能照本宣科，把原已枯燥无味的知识内容讲解得更加索然无味，而需要充分调动学生的学习积极性和学习热情，在不断充实教学内容同时将抽象内容更加具体化，合理规划讲授内容，使其更具有逻辑性和层次性。在教学过程中不断给予新鲜内容，激起学生的好奇心，增强学生的学习兴趣。

同时，在教学方法上引入开放式教学，在实验教育过程中将学生分组，对照仪器设备讲解原理、结构、部件和功能等，老师的现场演示过程很关键，通过现场的观摩学习，学生能够对仪器的构成部位和操作流程在短时间内有大致的了解。在老师的指导下，让每位学生都有亲自操作的机会，并由其亲自完成所有步骤（包括装卸样品和调出清晰的图像等），在学生操作的同时，老师予以针对性的讲解指导。通过以上教学内容，让学生充分参与到仪器设备的操作过程中，真正做到理论联系实际，在操作过程中教师讲解要点，加深学生对理论课上分析原理的印象，以此又增强学生的实际动手能力。

2.3 引入开放性实验机制

对电镜室引入开放机制，是对传统实验室管理模式的改革，围绕学生意愿为中心，根据学生的要求开展实践工作，在仪器设备的利用率、利用时间和实验场地等有诸多要求，这将对电镜室的管理者提出更高的要求。本室将根据开放实验的要求指定特殊的开放时间，在确保正常的教学及科研工作顺利进行的同时，提高仪器设备的利用率。实验开放机制的运行，将增加电镜管理者的工作时间和工作量。同时，在完善实验室安全制度，规范操作等方面提出了更高的要求。

在引入开放实验机制同时要提高学生对实验内容兴趣，而基础理论和基础技能的训练是创新能力和实践能力培养的基础。⑥学生在学生生涯中大多适应了了填鸭式的教学模式，对主动进入学习角色，还需要适当的引导，如果实验设计不够吸引人，会导致学生对实验失去兴趣，从而不能达到提高实践能力和创新能力的目的。指导老师可根据扫描电镜的应用范围，提供一些难度适中并与实际应用相结合的开放性课题给学生选择，⑦而老师可以通过学生的报名人数将学生分为不同的组别参与开放课题的研究。学生通过参与开放课题的研究，培养了其实际动手能力和综合知识运用能力，在条件允许下尽可能让有兴趣的学生参与其中。再则，尽量调动学生的積极性，鼓励学生根据在理论课上所学知识，根据自己感兴趣的问题自拟题目，在自拟项目在经过老师审核通过后，老师安排好实验进度，学生可带着样品进入电镜室，自己动手测试样品，并在老师的指导下对样品进行分析，学生在学会仪器操作同时提高实践能力，⑧并在学习和互动中培养学生的积极参与意识，使其对仪器有更加深入的了解。项目结束后，通过学生项目所做PPT和演讲情况，考查其对电镜的相关知识的掌握情况。这种灵活的考评机制不同于传统的考试方式，必将提高学生的学习积极性。

通过如此培养的学生将在分析能力和解决能力等方面有较大提升，科研能力也将随之提升，这将有利于其在今后的工作和学习中奠定良好的基础，而电镜的设备利用率和共享率也得到了进一步的提高，

3 结束语

扫描电镜在本科教学上的应用，弥补了目前实验教学中学时少、演示为主而上机操作较少的问题，使学生在本科阶段就能接触到这类大型分析设备，并可熟练操作，并可以用其解决实验中碰到的问题，激发学生对专业的认知度，整合学生的知识构架，促成理论和实践相结合，并通过自主上机锻炼，使其由浅入深地开展实验实践，提高学生的动手能力，增强对学习的兴趣，积极主动学习，在思维水平、设计能力和创新能力方面得到长足的发展，为学生在未来的工作和学习中带来诸多收获。

注释

① 张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2009.

② 李剑平，杨咏东.JSM-5610LV 扫描电镜的日常维护及常见故障排除分析测试技术与仪器[J].分析测试技术与仪器，2008（14）.

③ 时伟.论大学实践教学体系[J].高等教育研究，2013（34）.

④ 姚利民.高校教学现状调查分析[J].高教探索，2007（7）.

⑤ 李凡，黄海波.浅谈培养当代研究生综合能力的实践——《扫描电子显微分析》课程教学改革初探[J].中国科教创新导刊，2009（25）.

⑥ 邹本国.加强教学内涵建设，提高学生工程实践能力[J].河北师范大学学报：教育科学版，2008（10）.

⑦ 刘长宏，张恒庆，王刚.完善实验室开放机制提升创新人才培养质量[J].实验室科学，2006（4）.

⑧ 杨笃宝，雷留真，秦孜娟，等.改革实验教学，提高大型仪器使用率[J].实验科学与技术，2010（8）.