材料分析测试方法中透射电镜部分的教学思考与创新

杜 岳

(湖北师范大学 先进材料研究院，湖北 黄石 435002)

0 引言

材料作为二十一世纪三大支柱产业之一，材料研究与我们日常生活与科技革新紧密相关。而材料分析测试方法则是解锁材料研究“四要素”(即性能、组成、合成加工与结构)之间复杂关系最有效的手段。透射电镜作为打开材料微观世界大门的重要手段，一直是材料分析测试方法课程教学中重要的一环。然而在实际教学过程中，透射电镜涉及到复杂的空间转换和抽象思维，具有较大的学习难度。特别是在讲解透射电镜电子衍射内容时，涉及到倒易点阵、Ewald图解、正空间-倒空间转化等概念时，学生因缺乏空间抽象与晶体学基础等原因，常难以达到理想的教学效果。近年来，透射电子显微镜技术蓬勃发展，冷冻电镜和球差电镜在生物、物理、材料科学等领域的应用崭露头角，大大推进了科学研究的进程。因此，有必要对《材料分析测试方法》课程TEM部分教学内容进行更新，介绍专业发展前沿，适应时代的发展需求。本文将从TEM部分教学特点出发，从TEM教学内容和教学方法两方面思考上述问题，分享近年来该课程的教学经验与课程创新。

1 透射电镜部分教学特征

透射电镜部分教学内容兼具实践性和学术性，尽管通过实验教学可使学生更加直观地学习TEM仪器组成与构造，掌握分析测试原理，将课堂上的理论知识与测试实践相结合。然而，TEM设备的价格不菲，其采购价格在几百万到上千万元。由于学校硬件条件的限制，TEM部分的教学常难以做到理论与实践相结合。在部分有实践条件的高校TEM实验教学过程中，大多为操作演示与讲授为主。在有限的时间内，学生们仅能加深一下仪器组成和操作方法的印象，并不能起到提升其综合实验能力与思维方法的作用[1]。

此外，TEM部分教学内容学科交叉属性明显，涉及光学、电磁学、晶体学等知识，诸多理论公式、抽象概念和空间思维相交织，使学生难以完全掌握。例如：试样-倒易空间-显微像间的傅里叶变换，倒易点阵的空间抽象、相位衬度相和电子衍射图谱标定等知识要点，信息量庞大且需要空间思维能力，这使得部分基础不够扎实的学生难以理解，从而导致了消极学习的情绪[2]。

2 透射电镜教学内容的思考与创新

2.1 抓紧课程教学的主线内容

透射电镜教学内容主要有TEM结构与组成、TEM衬度原理和粉晶电子衍射原理、TEM单晶电子衍射等，在《材料分析测试》课程中处于重要位置。“承上”对接光学显微分析和扫描电子显微分析。TEM仪器结构组成与扫描电镜类似，与光学显微镜同样基于阿贝成像原理。因此，在实际授课过程中，应强调三类显微仪器结构与原理的归纳，加强教学主线联系，从而加深学生对人眼→光学显微镜→扫描电子显微镜→TEM内容的理解。

而TEM教学内容“启下”对接x射线衍射分析则相对复杂，容易引起教学主线的混乱。这是因为TEM不仅是一种微观形貌分析仪器，其相位衬度相和电子衍射结果携带着大量的材料晶体结构信息，可与x射线衍射分析结果相互印证。然而，晶体学基础和晶体衍射分析属于x射线衍射分析部分授课重点。先进行TEM电子衍射部分内容的授课的话，学生常会因缺乏晶体学基础和晶体衍射分析能力，在学习过程中易由于难度过大，失去兴趣。但是，调转授课顺序容易造成学生对刚刚学习扫描电子显微镜内容的割裂。因此在进行TEM电子衍射部分授课时，应注意围绕微观粒子的波粒二象性→x射线衍射与电子衍射区别→TEM相位衬度相与x射线衍射结果的联系与区别→电子衍射花样分析的主线进行内容设置，有效提高TEM部分与教学主线内容的连贯性。例如：通过图示讲解x射线衍射与电子衍射的区别与联系后，学生们对x射线衍射分析的特点与重要性有了具体概念。在“翻转课堂”的汇报时，部分学生对文献中TEM电子衍射结果和x射线衍射分析表征图谱进行了相互印证的分析，加深对材料分析测试技术的了解。又如在进行x射线衍射分析授课和x射线单晶衍射仪与劳厄衍射讲解时，学生能够轻易理解仪器原理和单晶x射线衍射图谱的标定。通过上述改革，增强了学生学习积极性，收到了良好的教学效果。

2.2 实践教学与突破难点

选择恰当的教学案例，不仅有利于实现TEM教学内容的可视化，加强教学实践性，而且方便对重难点内容进行针对性的突破。例如进行质-厚衬度、衍射衬度和相位衬度讲解时，以氧化锌纳米颗粒相位衬度相为例，引入Ewald图解解释电子射线衍射形成倒易点阵成像的条件，解释倒空间与正空间的转换机制，加深学生们的空间思维能力。又如通过金的相位衬度相为例，经过傅里叶变换得到晶面间距信息，并与金在倒易点阵的单晶衍射斑点图像和x射线衍射结果计算所得的晶面间距进行对比，从而揭示相位衬度相、倒易点阵和x射线衍射分析之间的联系。结合案例，学生不仅对试样-倒易空间-显微像间的傅里叶变换有了清晰的认知，又加强了其x射线衍射分析与TEM电子衍射分析间的联系。为有效提升学生的实践能力，结合本人研究课题。在课堂上以Digital micrograph软件对实测的锐钛矿TiO2透射电镜相位衬度相和电子衍射数据进行晶格条纹测量、傅里叶变换、反变换、斑点过滤等操作，对倒空间与正空间的转换操作进行展示，使学生更加直观的掌握TEM中正空间-倒空间的转换。进一步介绍单晶电子衍射图谱的指标化方法，举例利用四边形法则进行单晶Cu的电子衍射花样标定，通过介绍CaRIne Crystallography软件的使用与界面介绍，课堂演示计算机软件标定单晶花样过程。教学案例的选取与TEM数据处理软件辅助教学的创新，增强了本课程的实践性，有效激发了学生的学习兴趣，提高了学生们学好这门课的信心。

2.3 教学内容与时俱进

透射电子显微镜的发展与应用一直与材料科学前沿相伴。近年来，冷冻电镜和球差电镜的成功研制与应用大大推进了材料科学发展的进程，TEM部分的授课内容也应及时更新。冷冻电镜成像基于电镜样品制备，低剂量电子冷冻成像与三维重构。教学过程中应结合学科前沿，重点对冷冻电镜制样原理和三维重构机制进行介绍，如：2017年崔屹教授在Science发文，冷冻电镜可用于观察敏感性电池材料和界面精细结构[3]。而球差电镜已在材料领域广泛应用，成为观察单原子成像与元素分析的利器[4]。教学时应着重解释TEM球差形成机制、球差矫正装置原理和球差电镜高分辨率的原因，介绍球差电镜在能源、催化、环境等领域的应用前沿。在课程教学中，通过增加冷冻电镜和球差电镜的教学内容，向学生们介绍了学术前沿，开拓了学生们的视野，收到了积极的反响。

3 透射电镜教学方法的思考与创新

针对《材料分析测试方法》课程TEM部分的教学内容，在实际授课过程中，为有效提升教学效率与课堂效果，我们还应注意以下方法的运用：

3.1 多媒体教学与传统教学方法相结合

根据课程的教学特点，在制作课件时应注意引入多媒体动画、视频等手段，把一些基本概念与教学重难点整合进去，提高教学质量。由于TEM部分涉及诸多抽象概念和物理过程，简单的板书难以描述复杂的空间转换过程。因此，利用动画、视频等方式将概念与物理过程具象化，反复播放，有利于加深学生印象，提高教学效果。例如：通过动画案例描述电子束透过试样(实空间)，经过物镜在后焦面形成衍射花样(倒易空间)后最终在相平面形成显微相(实空间)的过程，将抽象的光路过程具象化。又如通过视频讲解，展示球差电镜中球差形成的原因与球差矫正原理，使学生对球差电镜成像原理能够直观了解。与此同时，结合板书对关键的公式推导和概念进行讲解分析，将零散的知识串联起来，对每部分知识点都及时进行归纳总结。利用超星、雨课堂等在线平台，在网络上进行习题发布与答疑，针对重难点知识录制课程放在网络上供学生复习，将学习时间延伸到课堂后，提升教学效果。

3.2 知识体系的串联

材料分析测试方法多种多样，各类科学仪器令人眼花缭乱。其中含激发源的测试方法原理依赖于电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等与样品相互作用而产生的信号。在讲授TEM部分内容时，应注意将相关分析测试仪器内容有机串联。通过一个知识点将相关仪器设备串联成体系，从而加深学生对课程教学内容的宏观认识。例如：TEM、扫描电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱等分析测试仪器均基于电子与样品相互作用产生的物理信号(透射电子、二次电子、背散射电子、特征x射线、俄歇电子等)；而TEM的成像则基于阿贝成像原理，光路原理与普通光学显微镜一致。此外，需要重点强调x射线衍射与电子衍射图谱的区别与联系，有侧重点的进行课堂讲解，加强两部分间的联系：1)从基础的微观粒子的波粒二象性出发，比较x射线衍射与电子衍射的区别；2)强调TEM相位衬度相的晶面信息与x射线衍射结果之间的联系；3)解释晶带、晶带轴、Bravais格子和点群等晶体学概念，以便于学生理解电子衍射花样，为x射线衍射分析奠定基础。在本章内容结束后，还应引导学生进行知识系统的梳理，方便学生顺利进入下章x射线衍射分析的教学。

3.3 “翻转课堂”模式应用于教学

应用“翻转课堂”的模式，提高学生综合分析的能力。TEM属于最重要的材料表征手段之一，应将科学研究融入教学过程，列举特征文献中TEM数据进行分析，学生进行分组讨论，激发学习热情[5]。在TEM部分课程接近尾声时，教师通过搜集典型TEM文献数据，如：多孔材料、单晶、多晶材料、复合材料等，指导学生分组，并对相关文献进行分析与归类，最终形成汇报PPT.在此过程中，教师可以对学生自主学习质量和汇报表现进行评价。课堂上，学生与教师角色翻转，学生分组进行PPT讲解，教师对提问并考察学生知识点掌握程度，点评学生授课逻辑思维与表达能力，最后进行小组讨论与答疑。授课完成后，同学们普遍表示“翻转课堂”的模式，有利于加强自己的自主学习能力和同学间的团队协作能力，诸多实例的讲解更有利于自己对TEM教学内容的掌握与吸收。

4 结论

在《材料分析测试方法》课程TEM部分教学实践中，本人通过对该部分授课难点与课程特点进行分析，设置授课主线，加强了TEM教学内容与课程教学主线的联系。革新了TEM教学内容，并对重难点问题进行案例教学与软件辅助授课。授课过程中，借助多媒体动画、视频教学、知识点串联和“翻转课堂”的形式提升教学效果，激发了学生学习兴趣，提高了学生的实践能力与创新意识。通过上述透射电镜教学内容和教学方法等方面的改革，巩固了学生对透射电子显微分析的基本理论和实践应用的理解，使学生能够根据所学内容进行TEM数据的处理与分析，并为x射线衍射分析教学内容的开展奠定了坚实基础。

Reflection and innovation on the teaching of transmission electron microscope in materials analysis methods

DU Yue