扫描电子显微镜在纺织学科中的实验培训探索研究

戚 玉，祁 宁

（苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215123）

1 研究背景

高校作为知识高地、创新高地，肩负着人才培养重任，创新型人才需要具备熟练使用现代化工具的基本技能，大型仪器设备就是创新型人才进行科学研究的重要依托和媒介，进行大型仪器培训则是培养具有科研创新和应用实践能力的“新工科”人才的重要环节[1-2]。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）作为高校中使用频率最高的大型仪器之一，其工作原理是：在加速电压的作用下将电子枪发射的电子细聚焦成电子束，高能电子束轰击扫描样品表面，与样品相互作用激发出二次电子、背散射电子、特征X 射线、俄歇电子、阴极荧光等各种信号，这些信号再经过接收、放大和显像后，对样品进行表面形貌观察、成分分析、结构分析等[3-6]。扫描电子显微镜作为微区形貌分析的高端大型精密仪器，具有分辨率高、可连续放大到几十万倍、景深大、立体感强等优点，是分析测试材料的重要仪器，目前已经广泛应用于材料学、化学化工、医学、生命科学等领域[3-4,6,7]。

苏州大学纺织与服装工程学院有纺织工程、非织造材料与工程、轻化工程和服装设计与工程4 个专业，纺织非织材料以及染整轻化方向对于扫描电镜有很大的使用需求。目前学院在独墅湖校区配有两台日本日立冷场发射扫描电子显微镜（Hitachi S-4800、HitachiRegulus 8100） 和一台日立台式扫描电子显微镜（Hitachi TM3030），由于苏州大学纺织与服装工程学院目前只有研究生在独墅湖校区，因此这3 台扫描电镜主要面向研究生课题科研开放使用。本文将以苏州大学纺织与服装工程学院研究生的扫描电镜实验培训为例，探索研究近年来扫描电镜在纺织学科中的实验培训内容和方法。

2 扫描电子显微镜实验培训中存在的问题

2.1 测试需求大，培训人数多

纺织学科作为涉及材料和化学领域的一门学科，在研究生的课题科研中，必然需要使用到扫描电镜来观察材料表面的微观形貌和元素分布等，因此，苏州大学纺织与服装工程学院研究生对扫描电镜的测试需求非常大。然而，扫描电镜作为一种高精密的大型仪器，购置费用昂贵，目前学院拥有的两台冷场发射扫描电镜，原值都在300 万元左右，并且日常维护保养的费用也很高，再增加机台数的可能性比较小。苏州大学纺织与服装工程学院近几年每年有100 多名的研究生申请参加扫描电镜的培训，扫描电镜的培训从原理到实操再到学生能独立上机操作需要的不仅是实验教师的讲解和演示，还需要学生本人的上机操作练习，这就导致扫描电镜的培训周期较长、效率不高。

2.2 学生理论知识欠缺，实验培训内容单一

苏州大学纺织与服装工程学院针对大型仪器实验开展的课程“纺织品检测与评价”在研一上学期授课，“纺织品检测与评价”是由理论教学和实验培训两部分组成。由于研一的学生很大一部分还没有进入实验室开始课题研究，没有接触或者看过扫描电镜的使用操作，因此很难将课堂上的理论知识与实际应用联系起来。这就导致学生对于扫描电镜的理论知识理解仅仅浮于表面和课堂，无法通过改变样品预处理方法或测试条件等使扫描电镜起到支撑课题研究的作用。在实验上机培训课程中，由于培训人数多，设备台数少，通常只能以实验教师一对多讲解演示操作为主，学生只能在一旁观看学习，后排学生甚至无法看清楚操作，这就导致学生的培训参与感少，重视度也不高，培训效果不佳。另一方面，实验教师在上机操作环节，一般都是选择同一个样品进行演示操作，针对该样品的制样方法和测试条件的选择也比较单一，这样会导致学生对扫描电镜的操作理解思维固化。后期由于学生的研究方向各不相同，所需要测试的材料的种类也很多，无法针对自身样品选择合适的前处理方式或测试条件，导致扫描电镜的价值没有被充分利用起来，对学生的创新科研思维缺乏启蒙和指导。

2.3 学生自主练习时间不足，培训考核方式过于简单

由于扫描电镜的使用人数多、测试需求大，学院测试平台的两台冷场扫描电镜周一到周五白天都开放预约供学生使用。扫描电镜的测试特点是需要测试人员不断调节聚焦、象散、对中、衬度、扫描方式等以得到清晰的照片，整个测试过程中双手需要一直在操作面板上，这就导致需要练习的学生就算在一旁观看别人操作，也很难得到亲手练习的机会，更难通过观摩学会拍摄出清晰的照片，学生急需自主上机练习的时间。实验培训结束后，扫描电镜实验课程的考核指标主要是实验培训的出勤率、课后作业和实验报告，但是经过上机培训的学生的实际水平无法判断，实验报告和课后作业重复率高，因此这些过于简单的考核指标无法检验学生对扫描电镜的真实学习效果，后期使用仪器的过程中甚至会因为错误操作导致仪器故障从而对全院测试进度产生影响，考核方式急需改善。

3 以纺织学科为导向完善改进实验培训内容和方法

3.1 线上线下多渠道实验培训，加入校级大型仪器共享管理平台

建立线上线下多渠道培训体系，线下的课堂实验教学中，通过借助PPT、3D 动画、视频等将扫描电镜的基本构造、工作原理、电子信号以及不同拍摄条件下图像的区别等直观地展示出来，进一步加深学生对扫描电镜原理的认识和理解。同时，不同样品的制备方法和扫描电镜的基本使用步骤也在理论课堂中提出，加强学生对理论与实操的联系。上机培训中，分小组进行培训从而提高学生的参与度，并且在研一下学期再次开展大型仪器专项培训，增加培训次数和时间，避免学生因为时间间隔长而忘记操作步骤等。同时充分利用互联网平台，利用腾讯会议进行同步线上网络课堂教学，这样让无法到现场的学生也能得到培训的机会。此外，依托学院微信公众号开展“大型仪器培训微课堂”，将扫描电镜等大型仪器的原理操作等录制成视频资源与学生共享，让培训不受场地和时间的限制。大型仪器开放共享可以提高设备的使用效益，促进资源共享共用，协调设备资源的可持续发展。目前，苏州大学纺织与服装工程学院的3 台扫描电镜已经全部加入苏州大学大型仪器共享管理平台，该平台可以设置上机资质，通过考核的学生才可以进入该平台进行预约测试，这样就大大提高了扫描电镜的使用效率，当机器不够使用时，学生也可以预约分析测试中心或其他学院的扫描电镜来满足测试需求，达到仪器开放共享的目的。

3.2 按研究方向“因材施教”，具体化培训内容

苏州大学纺织与服装工程学院研究生的主要研究方向有新型纤维纺织材料、功能复合材料、丝蛋白生物材料、染整加工材料等，基于这些方向，在上机培训中将样品分为一般纺织纤维材料组、新型功能材料组和生物材料组，实现培训内容的多样化、具体化。对于一般纺织纤维材料组，由于该类材料一般导电性较差，需重点指导制样方法和拍摄中荷电效应的应对方法，制样时需要适当增加喷金时间；当样品过厚时，喷涂无法将样品侧面完全喷上，可以用导电胶带将表面的层连接到样品台上；样品的形状凹凸比较大时，可以分多个角度喷涂，使喷涂层均匀来增加样品的导电性，以此减弱拍摄中的荷电效应。除此之外，还可以通过降低加速电压、减少照射电流、使用下探头或LA 模式、使用CSS 扫描模式或积分拍照模式等来减轻荷电效应。对于新型功能材料组，由于该类材料以纳微米材料和复合材料为主，需要重点指导样品的分散方法和截面制样方法，对于纳微米颗粒状样品，需要经过超声分散后滴在硅片等基底材料上，以防止样品团聚在一起影响观察，对于需要观察截面的样品，不能损伤样品截面的原始细节，可以使用液氮脆断、割断、切片等方式得到截面，然后使用截面电镜台进行观察。对于生物材料组，特别是培养过细胞的材料，由于扫描电镜不能测试含有水分的样品，因此需要重点讲解样品前处理方法和拍摄中的样品损伤的应对方法，生物细胞样品的前处理需要进行固定、梯度脱水和冷冻干燥，苏州大学纺织与服装工程学院生物材料以丝素蛋白为主，拍摄中很容易被电子束打伤，可以通过降低加速电压、减少探针电流、缩短观察时间、增加喷金厚度来减少样品损伤。通过这些分组化、具体化的培训内容，学生对扫描电镜的操作有了更深层次的理解，学生的积极性与主动性也得到显著提升。

3.3 开放自主练习时间，过程化一对一考核

苏州大学纺织与服装工程学院研究生对扫描电镜的使用需求从研一下学期开始，因此在每周五开放一台场发射扫描电镜供学生自主练习，通过建立练习考核微信群的方式，让学生准备好自己的样品，在群内按时间段报名练习。这样既能让学生有机会自主上机练习，在实操中掌握扫描电镜的拍摄技巧，同时又满足了研一学生的测试需求，节省了高年级学生的拍摄时间。自主练习熟练的学生就可以申请考核，考核成功后即可获得扫描电镜的预约资格。考核方式采用一对一上机操作，实验教师全程观察学生的操作：从装样、调节聚焦、相散、对中、调节衬度、扫描方式、保存方式、到最后取样，5 min内要求拍清楚一张10 万倍照片。通过这种过程化的考核方式，实验教师可以清楚地了解学生的真实操作水平，给学生客观地评价打分来决定最终考核通过与否。同时，这种过程化的考核方式还能让实验教师直接点出学生在操作中的错误或需要改善的地方，降低学生因为不正确操作对扫描电镜造成的伤害，从而对仪器维护保养起到了正面作用。

4 结束语

纺织学科是一门理论与实操相结合的工程学科，扫描电子显微镜的使用不仅加深了学生对纺织材料在微观层面的了解，也提升了学生的科研水平和创新能力。本文针对扫描电镜在实验培训中存在的培训人数多、学生理论知识欠缺、实验培训内容单一、学生自主练习时间不足、考核方式过于简单等问题，提出了线上线下多渠道实验培训、加入校级大仪共享平台、按研究方向“因材施教”、具体化培训内容、开放自主练习时间、过程化一对一考核的一系列实验培训改善措施。从实验培训方式、培训内容、考核机制三方面对扫描电镜实验培训课程进行优化，通过这些优化措施学生既能掌握仪器原理，又能提高操作技巧，能够充分发挥出扫描电镜在纺织学科中的重要作用。