扫描电子显微镜实验课现状与优化对策探究

刘婉颖 武元鹏 何伊婷 刘丽 何晚滢 张俊炜

摘  要：扫描电子显微镜（扫描电镜）具有分辨率高、放大倍数高、景深大等特点，是一种综合多门学科的大型精密仪器，在材料科学中应用广泛。但由于设备贵重、数量少和实验课学时的限制，本科实验教学过程单调，学生缺乏积极主动性，无实际操作环节。因此，学生对扫描电镜实验课认知不高，课堂学习达不到实验开设的预期效果。文章主要针对这些问题，从实验教学方法、教学体系和考核机制方面进行改进、优化和改革，有效提高扫描电镜实验课质量，使学生能运用扫描电镜从事材料研究工作。

关键词：扫描电镜;实验教学方法;实验教学体系;考核机制;实验效果

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）06-0092-04

Abstract： Scanning electron microscope（SEM） with the characteristics of high resolution， high magnification and large depth of field is a large-scale precision instrument that integrates multiple disciplines. That is widely used in materials science. However， due to the limitation of the expensive scanning electron microscope instrument， the less quantity of instrument， and the experimental class hours， the monotonous experimental teaching process of the undergraduates occurs. The students lack initiative and no hands-on link. Therefore， students do not have a high awareness of SEM experiment class， and learning effect in the classroom does not meet the expectations of experimental establishment. Based on these issues， the quality of SEM experimental lesson is improved by improving the experimental teaching method， optimizing the experimental teaching system and reforming the assessment mechanism， and then the students can engage in the material research by using SEM.

Keywords： scanning electron microscopy; experimental teaching method; experimental teaching system; assessment mechanism; experimental effect

《教育部關于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）中明确提出：切实加强实验教学管理，努力推进实验教学改革，大量高端贵重仪器被列入本科生实验教学内容[1-3]。扫描电子显微镜作为一种新的电子显微仪器设备，是用来分析材料形貌特征、表征和材料表面微观结构的重要工具，其应用领域越来越广泛，不仅用于材料学、动物学、植物学、医学、微生物学和化学等领域的研究，还应用于石油天然气工业、半导体工业、陶瓷工业和化学工业等部门。其工作原理是在加速电压作用下将电子枪发射的电子汇集成细小电子束，电子束在试样表面做光栅状扫描，激发出如二次电子、背散射电子和俄歇电子等物理信号，通过对这些信号的接受、放大和显像来对试样表面进行形貌和结构的分析[4]。随着现代科学技术的不断发展，相继开发了环境扫描电子显微镜、扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜等技术[5]。但基于这类仪器设备价格昂贵，学校购置数量有限，因此作为承担着材料分析方法实验教学课程的扫描电子显微镜，便不能像传统、常规的实验教学仪器设备一样，可单独或是两三个人一组进行实验操作，这就导致学生学习动力不足，实验教学效果也得不到保证。为充分发挥实验教学在培养创新型人才中的作用，提高人才培养质量，增强学生对实验仪器的认知和动手能力，本文通过对扫描电镜实验课教学方式方法的改进，对实验课教学体系的优化，以及对学生实验课后考核机制的改革，使扫描电镜实验课更具针对性、实用性和趣味性，进而有效提高实验教学效果，使学生在有限的实验时间内能基本掌握扫描电镜的操作及分析测试方法，掌握利用扫描电镜进行材料研究的基本能力。

一、扫描电镜实验课现状与存在问题

目前各高校普遍的教学过程为理论课加上实验课，且实验教学长期以来被视为理论教学的辅助手段，用于加深对理论教学的理解，所以易忽略实验教学的重要性[6-7]。通常理论部分所占据的时间长，首先是教师在课堂上进行相关内容的讲解，让学生大致了解扫描电镜的结构与原理、应用与特点、实验要求与注意事项，以及测试样品的制备方法，在学生具备一定的理论基础之后，再进行实验实操部分的课程。对于实验课程部分，由于扫描电镜是高精密贵重仪器，西南石油大学新能源与材料学院仅有一台型号为EVO MA15的钨灯丝扫描电子显微镜，用作本科教学和师生的科研、毕设及其他开放性、创新性实验的表征分析。而且本科教学实验的学生很多，其实验时间及课时固定，且一般是在有关材料分析的课程开课后才开始扫描电子显微镜分析实验课，所以易造成实验课上“粥少僧多”的情况。另外，电镜还担负着研究生的创新实验、毕业论文及教师的科研实验和对外服务等工作，因此本科生的电镜实验无法按传统实验方式进行两三人的分组，做到人人动手的实际操作[8]。一般是电镜管理老师进一步讲解理论知识后，由上课老师或电镜管理老师进行演示操作，学生再分组观看老师的操作演示，观察后记录数据、采集图像，课后进行分析并提交实验报告，最后在课程结束后统一进行考核。

扫描电镜实验课存在的客观条件为电镜设备台套数少，实验课时也较少，但本科生人数较多，且理论教学部分用时长，从而导致学生缺少动手操作时间。由于扫描电镜分为真空系统、电子束系统以及成像系统，很多精密部件结构对所处环境要求较高，因此，不能将其进行拆装来为学生形象具体地讲解。设备启动工作时，处于高真空状态，不能直接观察到内部电子束的运动形式[9]，因此很难通过老师的讲解和示范，让学生快速、清楚地理解电镜工作原理，也无法熟悉其操作。实验课后，学生犹如走马观花，未能真正掌握关于扫描电镜对材料分析方面的知识。由于本科生对电镜未进行实际操作，对基本构造原理了解不足，因此，若要让学生动手实验，则需在专人指导下进行。如果不加注意，易对电镜造成损伤，对于后期电镜的维护和其他科研项目的开展等亦有影响。目前，很多管理员在实验过程中只会按照标准操作进行教学，一旦修改了仪器测试相关参数或仪器出现问题，学生根本不会解决，所以学生也就无法进行自主实验[10]。现阶段，扫描电镜实验课仍为验证性实验，在学生不能亲自动手实验且参与度不高的情况下，整个实验教学较为枯燥，学生无法做到专心致志，实验教学的效果达不到开设课程时的预期目的，致使学生在撰写实验报告时重复率较高，学生对整个实验过程和实验内容知晓略浅，对扫描电子显微镜仪器的了解也仅停留于表面，对扫描电镜仪器的结构、原理、应用领域、数据采集及分析层面掌握不佳。

二、优化对策

（一）扫描电镜实验课教学方法改进

针对目前扫描电镜实验课存在的设备台套数有限（仅一台）、教师授课方式单调以及考核制度不完善等問题，需采取相应措施改进和优化，以提高课程质量和学生的积极性。在台套数有限的基础上，充分利用各种资源，丰富教学过程，改善教学方式方法，激励学生产生更大的兴趣和爱好，以达到实验教学对学生的培养目的。适当改善教学内容，如增加学生感兴趣的内容。优化分配理论教学和实验教学的课程时间，如课堂教学时对于学习过的内容，可简单带过，规避重复内容讲解，将节省出的时间划至实践操作部分，并且提供开放课外实验操作机会，学生分组操作练习。实验前，学生提前制备好测试样品，每组可选择不同类型、不同材料及结构尺寸的样品，实验时亲自操作，这样既可增强学生动手能力，又可提升学生感知能力。在实验课进行时，则由实验老师操作，学生在老师的指导下，对自己小组样品的测试结果进行分析，并结合实验目的，自主选择放大倍数和观察区域，确保每组所记录的数据内容不同，以降低实验报告的重复性。

利用现代化、立体化技术，在原有图片基础上，加入如3D模型、动画等内容，增加实验课程的趣味性和生动性。教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》（教高[2001]4号）文件第十条指出，“在教学活动中应用现代信息技术，是提高本科教学质量的重要手段和措施。[11]”例如，录制扫描电镜的实际操作视频并共享于网络平台，学生在实验教学前可提前进行预习，实验教学后也能复习扫描电镜的使用操作方法，亦或是使用Flash软件制作出扫描电镜工作状态下的动画，以电子束在电子镜筒内的运动过程、扫描线圈如何控制电子束并作用于试样表面、电子束在试样表面激发出的各种信号以及探测器如何收集信号等具体内容[9]，使那些在电镜内部运行的且不易被观察的过程、电子束的产生、样品表面不同信号的激发及探测器对不同信号的接收（如样品有效深度5～10 nm处激发出的二次电子，样品有效深度1 μm处激发出的背散射电子，样品有效深度2 μm处激发出的特征X射线信号），这些肉眼无法观察的电子信号均可通过虚拟动画生动、形象地展示出来，学生通过具体可视化的观察来学习，加深对扫描电镜构造和原理的认知。

扫描电镜开放使用期间，除了用于本科教学外，其主要工作是为科研服务，同时还承担着课外开放性综合实验（如大学生开放实验、创新创业实验、二课）。虽然扫描电镜实验教学的时间不多，但可供学生实战观察的时间却很多，平时服务于科研项目的实验时间完全可对学生开放[12]，通过加入科研团队，或者参加有关的开放性实验，增加师生间的交流，提高学生的思考、探索能力。开放与实际案例相结合的实验，如失效部件微观分析，包括各类夹杂物、断口形貌、断裂特征分析、组织形貌和腐蚀物形貌特征等[13]。学生可选择感兴趣的实验课题进行预约，在限定预约人数条件下，尽可能满足每一位学生的动手操作需求，达到学生实际操作目的，培养高水平的操作人才。

实验教学是高等院校培养学生实践能力的重要环节，提高学生参与度是优化实验教学的主要手段之一，参与度高的实验教学模式有利于学生养成规范的实验操作习惯，有利于培养学生的自主实验能力[14]。如实验前，可提前预留问题，让学生带着问题，翻查文献，自行设计实验过程，然后向老师或研究生请教在仪器操作过程中遇到的问题，实验数据如何处理和分析等，既能解决问题、学到知识，也能增加师生间的交流，提高学生自主实验的设计水平和自主操作能力。

（二）扫描电镜实验课教学体系优化

在改进传统教学方式方法基础上，需要优化实验教学体系，如建立扫描电镜虚拟仿真实验教学系统。虚拟仿真技术是通过利用现代计算机网络和编程技术解决教学中设备资源短缺难题的技术，是实验教学改革和教育信息化发展相结合的创新产物[15]。通过构建扫描电镜虚拟仿真实验教学系统，可将课程理论知识和实验有机结合，不仅能使学生掌握基本理论，同时也能培养学生的实际操作、验证理论和探索新知识的能力。

学生在进行正式实验课程之前，可先通过虚拟仿真实验系统进行初步学习，对扫描电镜的结构及工作原理、扫描电镜样品制备、扫描电镜图像衬度观察、实验数据处理及分析等部分内容有个熟悉过程，再结合实验课程中对扫描电镜仪器设备的实际操作，发现差异，建立对电镜的理性认识。基于西南石油大学新能源与材料学院已搭建的用于学生课外综合能力训练实验（如大学生课外开放实验、创新创业实验、二课等）的虚拟仿真实验平台，为解决扫描电镜所处实验室场地有限和仪器操作复杂性问题进行3D建模，按照实验流程和步骤实施交融互通对扫描电镜样品制备和仪器操作进行虚拟仿真，生动形象地再现整个实验教学过程，从而建立扫描电镜实验虚拟仿真教学系统，以解决当前实验教学中所存在的台套数少、学生得不到实际操作锻炼，以及对电镜实验课缺乏兴趣等问题。扫描电镜虚拟仿真实验系统分为实验预习模块、仿真现场操作模块和实验考核模块。秉承学院“以生为本、夯实基础、强化实践、研教融合、双证培养、虚实结合”的实验教学理念，对学生开展有启发性、直观性和可视化的实验教学，调动学生自主学习和实践实验的积极性[16]。

在传统教学仪器不足，实验效果不佳的条件下，虚拟仿真技术既能极大地满足学生学习的要求，又可熟练掌握仪器的使用方法，而且学生还可通过3DMAX、Flash等软件制作扫描电镜电子光学系统的三维构造图，解释电镜的工作原理，使学生能进行提前预习，熟悉实验原理等[17]。扫描电镜虚拟仿真实验教学系统主要包括扫描电镜的结构、工作原理、样品制备，以及电镜冷启动、软件运行、装换样品、二次电子扫描、背散射扫描、电子背散射扫描、能谱测试、数据处理和分析与电镜关机等部分内容。学生可親自动手模拟操作实验，在安全环保且不损坏仪器的条件下进行模拟操作，从而对扫描电镜操作原理、样品制备和不同样品观察分析有一个理性的认识，加深对电镜和实验课程的了解，充分体现学生的主体地位，进一步提高学生的主观能动性，增强学生的实践创新能力、分析问题解决问题能力，以及实践实操能力。

虚拟仿真实验应用于实验课程教学，还可加强同其他高校和企业自建实验室的交流力度，互通有无、合作共享[18]。校院经费有限、扫描电子显微镜购入时间较久和仪器使用频率过高导致仪器提早老化。通过增进与其他高校之间的交流，可完善对本院系实验室的构建，促进实验室管理水平的提升，更好地服务于实验教学，也能相互合作，共同开展新的课题项目。通过与企业之间的交流，可利用企业的资金能力与生产设备，结合院系自身的科研优势，和企业共同开展创新项目。在一定层次上，有利于企业尽早发现优秀的科研类人才，建立共享方式的实验室，可增加学生接触高精尖大型仪器设备的机会，提高学生实验学习的积极主动性，增强学生的科研实验能力。

（三）扫描电镜实验课考核机制改革

基于课程考核标准对教学环节的实施具有导向作用，应将实验教学评分标准纳入绩效考核，通过以制促改、以改促教，改变“出勤率+课堂表现+实验报告”这种传统的实验课程评分方法，采用多元化的考核方式，在学生整个模拟实验和实际操作实验完成后，采集实验过程中的数据，并进行处理分析，采取“结果性”与“过程性”考核相结合的方式，通过大数据形成对每一个学生的评估报告，针对扫描电镜实验课程构建“3223”考核机制，即采用“出勤率30%+预习报告20%（在虚拟实验教学系统上预习）+实验报告20%+课堂表现30%”的综合评价体系。实践课程要以保证出勤率为前提，依据报告完成效果验收，将课堂表现作为加分依据，结合多方面考核给出最终成绩。这种多方位的考核机制既提高了实验课考核评估的客观性和综合性，又促进了学生实验学习的动力，更有利于培养学生的综合素质。

三、结束语

材料学专业是一门理论与实际相结合的学科，对于材料的学习与认识，以及实验的构思、设计与完成都需要学生的探索与创新。扫描电镜实验课，不仅是对传统课堂理论教学的完善，学生通过实验课的实操演练后，对材料分析表征设备的使用有直观感受，还能激发学生的学习主动性和积极性，使其学以致用，更是在为培养高科研水平的优秀人才奠定基础。对扫描电镜实验课进行优化，不仅需要进行实验教学方式方法、实验教学内容的改进，还需进行实验教学体系的优化，也需要进行实验课考核机制的改革。通过运行虚拟仿真技术、引用合作式教学、改善实验课程考核方式和改变学生以往对实验课的狭隘观念，来激发实验兴趣和积极性，有效促地进实验教学进程，提升实验教学质量，让学生通过实验课习有所得、学有所获，为以后将从事的工作和科研奠定扎实的理论与实验基础。

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