權(quán)茂華， 孫建林， 熊小濤， 薛潤東

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

電鏡實驗教學(xué)中“三層次”培訓(xùn)體系的建立

權(quán)茂華， 孫建林， 熊小濤， 薛潤東

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

引入培訓(xùn)、教學(xué)雙模式，增加實驗教學(xué)趣味性，提升學(xué)生對基礎(chǔ)知識的運用能力，北京科技大學(xué)針對透射電鏡實驗教學(xué)中存在的問題，建立了“三層次”(即基礎(chǔ)理論培訓(xùn)、專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、操作技巧培訓(xùn))培訓(xùn)體系。以不同形式的培訓(xùn)為手段，為學(xué)生創(chuàng)造了自主選擇學(xué)習(xí)形式的空間，搭建了學(xué)生與專家、學(xué)者之間交流的平臺，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的科研能力，引導(dǎo)學(xué)生完成自主化的學(xué)習(xí)過程。從演示到理論講解，再到實踐操作的“三層次”培訓(xùn)體系的建立打破了傳統(tǒng)透射電鏡實驗教學(xué)的固有模式，有效地彌補了電鏡實驗教學(xué)中演示教學(xué)模式存在的問題，提升了透射電鏡在實驗教學(xué)中的地位和使用效率，為國家貯備電鏡人才的同時，也為大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)開辟了新途徑。

電鏡培訓(xùn);三層次;實驗教學(xué);大型儀器設(shè)備

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，特別是在信息、材料、生物科學(xué)等領(lǐng)域，電子顯微鏡發(fā)揮著越來越大的作用［1］。生物學(xué)家可以用它研究細胞、細菌、病毒和膠體顆粒的結(jié)構(gòu)，材料學(xué)家可以用它揭示金屬、陶瓷、鋼鐵的非均勻性和缺陷，地質(zhì)學(xué)家用它研究巖石、礦物和化石的顯微結(jié)構(gòu)，探究地球起源和礦產(chǎn)資源。尤其是透射電子顯微鏡，其最高分辨率可達0.05 nm，它的功能強大到足以看清單個原子的投影像。在這種形式下，我國每年都進口各類電子顯微鏡200多臺，用于全國各個高校和研究所的教學(xué)和科研工作［2］。為了學(xué)生盡快掌握這些儀器設(shè)備的基本原理和使用方法，北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、北京科技大學(xué)、西安石油大學(xué)等各大高校陸續(xù)開設(shè)了相應(yīng)的實驗課程［3］。然而，像掃描電鏡，透射電鏡(下文簡稱為電鏡)這種價值上百萬甚至幾百萬的儀器，由于其數(shù)量有限，提高電鏡的使用率［4］以及直觀、形象解釋基本概念一直是電鏡實驗教學(xué)面臨的問題。

1 電鏡在實驗教學(xué)中存在的問題

作為大型儀器設(shè)備電鏡價格昂貴，由于其資源有限，目前本科生和研究生的電鏡實驗教學(xué)，不能像其他的實驗課一樣，每位學(xué)生一臺設(shè)備，學(xué)生親自上機的時間有限，導(dǎo)致其實驗課形式只能以教師演示，學(xué)生觀察為主［5］。例如，能夠在納米尺度上揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的透射電鏡具有高精度、大型化、操作復(fù)雜等特點，授課教師通常以標(biāo)準(zhǔn)樣品為例，把明場像、暗場像的成像過程以及菊池線、電子衍射斑點、高分辨像的獲取過程一一演示給學(xué)生。第一，這種授課方式限定了學(xué)生運用電鏡分析實驗結(jié)果的能力，同時不利于加深學(xué)生對理論知識的理解，只能停留在感性認識的層面上。第二，這種授課方式不利于理論和實踐的結(jié)合，易出現(xiàn)實驗課與理論課脫節(jié)的現(xiàn)象。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要以扎實的理論基礎(chǔ)為前提，而實踐卻是強化理論知識的重要途徑，因而增加實踐過程是引導(dǎo)學(xué)生走向創(chuàng)新的必經(jīng)之路［6-7］。目前電鏡實驗課課時有限，學(xué)生上機時間較短，且上機人數(shù)有限，極大地限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時也減低了大型儀器設(shè)備的使用率。

總之，以演示為主的電鏡實驗教學(xué)限制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和學(xué)生個性化發(fā)展，同時減低了大型儀器設(shè)備的使用率。

2 “三層次”電鏡培訓(xùn)體系的建立

現(xiàn)代的電鏡采用高速運算且功能強大的電腦控制、記錄實驗結(jié)果，伴隨著數(shù)字電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的應(yīng)用，簡化了儀器的操作步驟，使用者只需較少專業(yè)培訓(xùn)即能獲取材料的顯微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。面對新局面，以培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型材料人才為教學(xué)改革目標(biāo)的北京科技大學(xué)［8］，針對電鏡在實驗教學(xué)中存在的問題，在建設(shè)國家級實驗教學(xué)示范中心的背景下［9］，經(jīng)過多年的實踐，實驗中心建立了“三層次”電鏡培訓(xùn)體系。所謂的“三層次”電鏡培訓(xùn)體系，即基礎(chǔ)理論培訓(xùn)、專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、操作技巧培訓(xùn)(見表1)。電鏡培訓(xùn)其授課形式多樣化［10］、學(xué)習(xí)方式個性化、規(guī)?？煽匦缘奶攸c，極大地彌補了大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)的不足。有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，開辟培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的新途徑。

(1)基礎(chǔ)理論培訓(xùn)。以基礎(chǔ)理論、顯微結(jié)構(gòu)分析為目的的電鏡培訓(xùn)，具有學(xué)習(xí)規(guī)模大，影響廣泛的特點。這層面的培訓(xùn)面向所有電鏡的使用者和對電鏡感興趣的學(xué)生，課程內(nèi)容涉及透射電鏡的基本功能和使用范圍，主要以傳統(tǒng)授課方式為主，結(jié)合理論講解把實驗過程以短片的形式播放給學(xué)生。實驗中心于2013年舉辦了以推廣透射電鏡分析技術(shù)為主題的電鏡培訓(xùn)，培訓(xùn)課時為 30學(xué)時。邀請了在 EDX、STEM、HRTEM、EELS和計算模擬方面具有豐富從業(yè)經(jīng)驗的專家、學(xué)者做主講人，通過授課、演示的方式向?qū)W生生動地展示了透射電鏡工作過程，圖像解析方法。學(xué)習(xí)規(guī)模近百人。

表1 電鏡培訓(xùn)的基本模式

(2)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。以專業(yè)技術(shù)推廣為目的的電鏡培訓(xùn)，主要面向運用電鏡解決科研的研究生。其特點是培訓(xùn)周期短、專業(yè)性強。以推廣新技術(shù)，提升科研水平為目的。例如，實驗中心于2006年舉辦了以高分辨像分析為主題的電鏡培訓(xùn)班，吸引了全國多所高校的師生前來參加。聘請在電鏡領(lǐng)域資深學(xué)者、科研一線的研究人員做主講人，培訓(xùn)方式以主題報告為主。

(3)操作技巧培訓(xùn)。以操作技巧演示為目的的電鏡培訓(xùn)，其特點是培訓(xùn)周期長，學(xué)習(xí)規(guī)模小，采用一對三或一對五的培養(yǎng)模式，以上機演示、動手操作的授課形式為主，理論講解為輔，主要面向有意從事電鏡研究領(lǐng)域的學(xué)生和青年教師。實驗中心每學(xué)期都會開設(shè)以透射電鏡操作技巧為主題的電鏡培訓(xùn)，學(xué)習(xí)規(guī)?？刂圃?0人以下，培訓(xùn)方式以演示、上機演練為主，授課10學(xué)時，上機300機時。

3 電鏡培訓(xùn)效果分析

(1)加強學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解。提供了自主化學(xué)習(xí)方式。解析電子衍射譜、高分辨圖像都需要扎實的理論基礎(chǔ)，加強理論知識的理解，是解決實際問題的基礎(chǔ)，也是創(chuàng)新思想的源泉。電鏡培訓(xùn)通過聘請長期從事科研工作的教師作為主講人，結(jié)合科研問題解析過程強化學(xué)生對理論知識的理解能力，有效地解決了理論與實踐脫節(jié)的問題?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系的建立適應(yīng)了學(xué)生自主選擇要求。學(xué)生可以根據(jù)自身對電鏡需求程度選擇培訓(xùn)方式，這種自主選擇學(xué)習(xí)的方式［11］，可以最大程度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

(2)推廣電鏡新技術(shù)。隨著電鏡硬件與軟件兼容性變革，了解軟件的使用是獲取準(zhǔn)確實驗結(jié)果的前提?；A(chǔ)理論與現(xiàn)代新技術(shù)之間恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，有利于開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神［12-13］。

(3)培養(yǎng)專業(yè)人才，搭建科研平臺。電鏡培訓(xùn)通過可視化的實驗過程，為廣大愛好科研工作的師生提供了交流、學(xué)習(xí)的平臺。引領(lǐng)學(xué)生深入探討科學(xué)問題，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)問題探討的興趣，為國家儲備專業(yè)人才。例如，材料物理專業(yè)的祝遠民同學(xué)參加了專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和操作技巧培訓(xùn)，撰寫的論文發(fā)表在APL期刊上。材料加工專業(yè)何洋同學(xué)參加了“三層次”的電鏡培訓(xùn)，全面掌握了透射電鏡的操作技術(shù)，博士畢業(yè)后赴美國從事透射電鏡專業(yè)研究工作。

(4)踐行因材施教層次化的教學(xué)思想，提升大型儀器設(shè)備的使用率?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系的建立，為學(xué)生提供了自主選擇的空間。根據(jù)學(xué)生對電鏡的使用情況，進行不同層次的培訓(xùn)，踐行了因材施教層次化的教學(xué)思想［14-16］。目前實驗中心電鏡室配備了4臺不同型號的透射電鏡用于實驗教學(xué)。其中包括H-800、100CX、JEM-2010 和 Tecnai G2F-20。4 臺透射電鏡包涵了3種主要的電子源類型(鎢電子槍、六硼化鑭電子槍和場發(fā)射電子槍)，有利于學(xué)生全面了解透射電鏡的工作方式。新、老儀器的并存有利于不同層次培訓(xùn)的展開。例如，在操作技巧培訓(xùn)中，讓學(xué)生先在相對較舊的設(shè)備上動手操作，待操作熟練后，經(jīng)過80機時的培訓(xùn)就可在場發(fā)射電鏡上操作。

4 結(jié)語

“三層次”電鏡培訓(xùn)體系的建立，不僅彌補了電鏡實驗教學(xué)中演示教學(xué)模式存在的問題，同時有效地提高了大型儀器設(shè)備的使用率?！叭龑哟巍彪婄R培訓(xùn)體系實現(xiàn)了因材施教層次化的教學(xué)思想，在培養(yǎng)學(xué)生探索興趣的基礎(chǔ)上，提高了學(xué)生運用知識的能力，同時也為電鏡行業(yè)儲備人才?！叭龑哟巍迸嘤?xùn)體系是教學(xué)模式的延伸，在推動科研水平發(fā)展上同樣具有輻射作用。從演示到理論講解，再到實踐操作的“三層次”培訓(xùn)模式，為大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)開辟了新途徑。

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Establishment of“the Three-Level”Training System in the Experimental Teaching of Transmission Electron Microscope

QUAN Mao-hua，SUN Jian-lin，XIONG Xiao-tao，XUE Run-dong
(School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to meet the educational aims of increasing the students’learning interest and strengthening students’basic theoretical knowledge，University of Science and Technology Beijing established training system of“the threelevel”(that is the training of basic theory，the training of professional technology，the training of operation skills)in the experimental teaching of transmission electron microscope.The training created opportunity to free choice learning mode，gave opportunity to exchange ideal between student and expert，improved ability of scientific research and cultivated independent study manner.The training system of“the three-level”broke the limit of mode of traditional experimental teaching，improved the standing and the using rate of large-scale instrument and equipment in the experimental teaching，cultured a lot of professionals，opened up a new way of large instrument and equipment for teaching.

training of electron microscope;three level;experimental teaching;large-scale instrument and equipment

G 420

A

1006－7167(2014)05－0171－04

2013－07－04

2012年北京市基建項目-教育教學(xué)改革

權(quán)茂華(1980－)，女，黑龍江慶安人，博士，工程師，主要研究方向:材料顯微結(jié)構(gòu)分析與表征。

Tel.:13552639136;E-mail:mhquan@ustb.edu.cn