扫描电镜-能谱仪实验技术在《材料分析方法》课程教学中的应用

戴世娟

摘  要：扫描电镜及能谱仪是广泛应用于材料等专业的大型贵重仪器之一，该文通过对《材料分析方法》本科课程中涉及的扫描电镜技术的实验课进行设计、探索，初步总结出扫描电镜实验技术教学过程中的侧重点和如何增加趣味性，教学效果比较理想。

关键词：扫描电镜  能谱仪  材料分析方法  实验教学

中图分类号：TB302-4   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（c）-0041-02

任何一种材料的宏观性能是由其微观组织结构决定的，材料在制备、加工等过程中由于受到自身成分和外部环境的作用，其微观结构可能发生变化，从而影响其性能。因此掌握材料的微观组织变化的详细信息是每个材料学研究人员的首要任务，各种材料分析测试技术在材料专业的研究中显得更为重要。《材料分析方法》课程从材料研究所需的各种分析手段的基本原理出发，对各种实验技术进行介绍，是材料專业本科生和研究生需要学习的课程之一。扫描电镜形貌观察分析能谱分析实验技术是各种材料微观结构观察和分析的重要手段，也是《材料分析方法》课程的重点之一[1]。因扫描电镜属于大型精密贵重仪器，因此这方面的实验教学通常为演示型，课时较短，所以在实验教学课堂上，既要充分利用有限的教学实践，又要有针对性的教学内容，从而使学生能够掌握相关的理论知识及实验技能。该文分析了扫描电镜和能谱仪的实验技术特点，通过不断地进行教学实践，总结了该实验课的教学方法。

1  教学方案

该实验项目所分配的课时较短（扫描电镜和能谱分析共4课时），而教学内容较多，因此需要对内容进行筛选，把教学重点放在操作讲解和演示方面，尽量压缩电镜工作原理方面的教学，这方面内容可以在《材料分析方法》理论课上进行介绍。实验样品选用TC4合金（镶嵌）样品，对固体样品的制样过程进行简单讲解及演示。重点讲解及演示以下内容。

（1）扫描电镜参数（如电压、spot等参数）对观察效果的影响。

（2）荷电效应的产生和避免。

（3）能谱仪的使用方法。

如此这样，既可以避免与课堂教学内容重复，又让学生从感性上认识扫描电镜和能谱仪的原理及主要用途。

2  教学过程

在教学过程中，教学内容的安排要有一定的技巧，主要目的是让学生在实验样品观察分析的过程中，对实验的原理进行分析理解，从而能够掌握基本的实验技能。实验原理部分的授课会涉及大量的专业词汇，例如“束流”“束斑”“荷电效应”等，教师应该挑选一些关键的术语对其进行深入的讲解[2]，以帮助学生能够更好地理解实验原理，尤其对于材料、化学等专业的学生而言，还应该学会对实验结果进行分析。在进行实际操作演示时，应注意与学生积极互动，以便了解学生掌握的情况，同时注意演示的内容能够吸引学生，从而引起学生对于了解微观世界的兴趣[3]。高速喷丸处理过的钛板的截面的扫描电镜观察结果，如图1所示，这时可跟学生进行互动：通过图1，可观察到什么形貌？有什么规律可循？教师带着与学生一起分析：可观察到样品表面晶粒十分细小，甚至分辨不出，而靠近心部晶粒粗大。由于应力的作用，从样品表面到心部，晶粒尺寸由小变大。在讲解过程中，教师应注意引导，并加强学生对专业基础知识的理解。

在使用能谱仪进行成分分析的演示操作中，要重点讲解其工作原理：各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的，并且谱峰的产生是个动态的过程。对于学生而言，他们可能对这样的内容很难提起兴趣，而这部分知识又是这堂实验课所必须掌握的内容，通过进行教学发现，此时教师可以做个比喻：仪器识别元素好似我们去图书馆借书，图书馆的藏书是按照特有的顺序和位置进行摆放，当我们需要哪本书的时候，会按照索引去寻找，能谱仪也是这样，按照X射线光子的特征能量去索引寻找与之对应的元素，每一个元素都有它自己唯一的特征能量值。这样把专业知识和生活联系起来，学生听了这样的比喻，显得不再枯燥，更容易理解和接受。由于在授课过程中对重点知识有选择性地进行了讲解，注意了侧重点，在实验教学过程中增加创新性的实验部分，同时增加了趣味性，可吸引不少学生，因此比单独接受理论教学效果要直观很多，从而提高了教学效果[4]。

3  结语

（1）在以后的教学中要多挑选创新性的样品进行演示，增加学生的兴趣，如有条件，可引导他们能独立动手操作电镜。

（2）在扫描电镜实验技术的实验教学中，应注重侧重点，有选择地进行讲解和分析。

参考文献

[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] 张寿禄.应用扫描电镜中背散射电子成像技术研究钢中复合夹杂物[J].太钢技术，2006（1）：24-28.

[3] 樊洪泓.遗传学实验课教学改革创新初探[J].中国电力教育，2009，9（144）：137-138.

[4] 赵善民.开放实验室教学改革研究[J].医学教育探索，2009，8（9）：1077-1078.