大型精密仪器在实验教学中的应用探索

宋洪海

北京航空航天大学 北京 100191

材料科学是一门以实验为基础的学科，实验教学在材料学专业中起着重要的作用。通过实验教学，使学生能够将课堂上学习的理论知识，与科研实践联系起来，加深学生对理论知识的理解[1,2]。各大高校材料专业均开设了大量的实验教学课程，尤其是一些基础性实验，各大高校的实验课程已经发展比较成熟、完善[3]。

1　大型精密仪器设备在实验教学中的现状

然而，大型精密仪器设备在实验教学中的开展并不是非常理想，各大高校依托大型精密仪器开设的实验课程多数是以演示实验为主，学生很少能够自己动手进行操作，对学生的创新性及动手能力的培养较少。一方面，大型精密仪器设备价格昂贵，设备操作复杂，维修维护比较困难[4,5]，且大型精密仪器设备主要服务于科学研究，使得大型精密仪器设备无法保障大量的固定机时用于教学；另一方面，学生需要大量的时间进行学习与练习，才能达到熟练操作大型精密仪器的水平，开设以培养学生动手能力的实验课程需要占用大型精密仪器大量的机时且学生的学习负担过重。本文将以扫描电子显微镜为例，探讨如何推广大型精密仪器设备在实验教学中的应用。2009年以前，北京航空航天大学材料科学与工程学院仅有2台扫描电子显微镜。近年来，随着我国加大对教育、科研的投入，学院拥有的扫描电子显微镜增加至6台，为扫描电子显微镜开展实验教学提供了硬件条件。

2　实验教学改革

根据学生的学习能力以及学生对自身能力培养的需求不同，开设了3种不同层次的实验课程，分别为：(1)基础型实验教学—综合性实验课；(2)创新型实验教学—特色实验课、大学生科研训练计划(SRTP)、冯如杯；(3)实践型实验教学—材料电镜分析实验。全方位、多层次的实验教学，最大化地发挥出大型精密仪器在实验教学中的作用，充分提高学生的科学研究的热情，培养学生的创新意识及动手能力。

2.1　基础型实验教学

基础型实验教学的目的是使学生了解扫描电子显微镜的基本原理以及应用。开设的实验课程为综合性实验课，属于必修课，实验性质为演示实验，共2学时。实验内容主要是向学生介绍扫描电子显微镜的组成结构、工作原理以及应用。实验课中虽然是介绍工作原理，却与课堂上的介绍的理论知识的学习有所区别。例如，介绍扫描电子显微镜分辨率的影响因素，课堂上的理论知识主要介绍了加速电压对扫描电子显微镜的分辨率的影响，加速电压越高，图像分辨率越高。在实验教学中，结合仪器设备的实际使用情况，除了介绍加速电压对图像分辨率的影响，还向学生介绍了工作距离、电子束斑对图像分辨率的影响。通过实验演示，让学生充分了解这些仪器参数对实验结果的影响，避免今后在科研的过程中，因为参数的选择不正确而造成不理想甚至错误的实验结果。实验课中不仅介绍扫描电子显微镜的基本功能(材料表面形貌观察以及微区成分分析)，还结合仪器设备的功能特点，通过图像演示向学生介绍了扫描电子显微镜的原位拉伸实验以及电子背散射衍射实验。将扫描电子显微镜的拓展功能介绍给学生，使得学生能够全面的了解扫面电子显微镜的功能，以及在材料科学研究中的应用。经过基础型实验教学后，学生今后参与材料领域的科研实践时，能够正确地选择所需的仪器设备进行实验。

2.2　创新型实验教学

对于求知欲强的学生而言，基础型实验教学的内容并不能满足学生对科学探索的渴望。针对这部分优秀的学生，开设了特色实验课以及大学生科研训练计划(SRTP)、冯如杯等实验教学，旨在培养学生创新意识和创新能力。学生以某一科研项目为主线进行实验。学生在教师的指导下，自主进行课题研究和探索，了解和掌握基本的科学研究方法和手段，培养学生严谨的科学态度、创新意识，提高学生的科研创新能力和综合实践能力。整个实验过程摆脱了教学大纲的条条框框，实验内容完全由学生根据科研项目决定，学生自己设计实验，选择相应的实验仪器设备。实验内容、实验结果都是不唯一的，充分发挥学生的创新性、调动学生参与科研的热情，系统性地培养学生的科学研究的能力。

2.3　实践型实验教学

在创新型实验教学中，学生参与了实验的整个过程。然而，由于大型精密仪器设备的操作较为复杂，学生很难快速地掌握设备的操作技巧，整个实验过程中的操作均是由师兄师姐完成，学生并没有获得亲自操作大型精密仪器设备的机会。随着社会的不断进步，学生越来越重视对自身素质的培养。部分学生不满足仅仅是了解大型精密仪器设备的功能，更渴望掌握大型精密仪器的操作技能。为了提高学生的实验技能以及动手能力，开设了材料电镜分析实验课程，该实验课的目的就是让学生掌握扫描电子显微镜的操作技能，课程为选修课，共计16学时。其中4个学时向学生讲解扫描电子显微镜的操作流程，以及操作过程中的注意事项；12个学时为学生进行操作练习的时间，学生在实验过程中遇到的问题，指导教师随时对问题进行讲解。经过长达16学时的学习，学生能够熟练掌握扫描电子显微镜的操作，能够独立操作，并能够对实验结果进行基本的分析。该课程开设以来，受到学生的广泛欢迎，每年选修的人数都达到课程要求的上限。经过实践型实验教学后，学生熟练掌握扫描电镜的操作技能，提高了动手能力并且调动了学生参与科学研究的热情，为今后参与科学研究或工作迈出坚实的一步。

3　实验教学改革成果

自2009年起，经过数年的实验教学改革，实验教学课程逐步完善，教学内容和目的更具有针对性，基本满足对学生培养的要求。通过一系列实验教学课程的培养，学生对大型精密仪器了解更加深入，越来越多的学生掌握大型精密仪器的操作技能。在参与科研的过程中，学生使用大型精密仪器更便捷，更高效，学生获得的科研成果也显著增加。

3.1　大型精密仪器的使用率提高

由于学生通过实验教学课程掌握了大型精密仪器的操作，学生可以独立地进行实验。因此，学生使用大型精密仪器进行实验更便捷，只要仪器处于空闲状态，学生就可以进行实验。学生通过大量的实验，获取了海量的实验数据，同时也极大地提高了大型精密仪器设备的使用效率。图1中列出2013～2016年3台主要的扫描电子显微镜的科研机时。通过图1中的数据可以看出，近几年扫描电子显微镜的科研机时在逐步增加。大型精密仪器开展的实验教学，学生掌握了实验技能和实验方法，学生能够更有效地发挥出大型精密仪器的作用，取得双赢的效果。

图1　2013～2016年扫描电子显微镜科研机时

3.2　科研成果显著

通过实验教学课，学生不仅掌握了大型精密仪器的操作，获取大量的实验数据；同时也加深对大型精密仪器的理解，针对科研项目设计实验更完善，实验结果分析也更加准确。这都有利于学生获取更多、更好的科研成果。图2为2013～2016年本学院研究生发表SCI论文数，由图2中数据可以看出，近年来的研究生发表SCI论文数稳步增长。

图2　2013～2016年研究生发表SCI论文数

4　结语

随着大型精密仪器设备的增加，为大型精密仪器设备开展实验教学提供了硬件条件。根据学生的学习能力以及学生对自身能力培养的需求不同，开设3种不同层次的实验教学课程：基础型实验教学、创新型实验教学、实践型实验教学。培养学生对大型精密仪器设备的基础认知、创新精神以及动手能力，充分发挥出大型精密仪器设备在实验教学中的应用，提高了学生对科学研究的参与热情，提高大型精密仪器的使用率，学生也取得丰硕的科研成果。

[1]段辉平,宋洪海,杜娟.高校大型分析测试设备服务于本科教学的方法探讨[J].中国现代教育装备,2012(11):25-27.

[2]方萍.有效发挥大型精密仪器在本科实验教学中的作用[J].绍兴文理学院学报,2015(9):93-96.

[3]朱耕宇,陈雪萍,浦群,杜旭英.大型精密仪器用于本科教学实验的探索[J].实验室研究与探索,2007(8):134-135.

[4]屈树新,沈如.探索大型分析设备在本科教学中的应用[J].实验技术与管理,2005(10):30-33.

[5]赖芸.充分发挥大型仪器设备资源优势的几点思考[ J].实验室研究与探索,2006(1):134-135.