劉小娟，吳鋒景，張 何，黃先威，李谷才，劉萬民，秦牡蘭

(湖南工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411104)

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掃描電鏡在應(yīng)用型本科院校實驗教學(xué)中的應(yīng)用*

劉小娟，吳鋒景，張 何，黃先威，李谷才，劉萬民，秦牡蘭

(湖南工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411104)

掃描電鏡(SEM)作為一種大型的精密儀器，在應(yīng)用型本科院校的實驗教學(xué)中起著重要的作用。針對掃描電鏡實驗教學(xué)出現(xiàn)的問題，本文進(jìn)行了教學(xué)改革的探索，運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，引入合作式教學(xué)方法，開展以科研促教學(xué)的活動，改善考核方式。通過教學(xué)改革探索，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，上課主動性增強(qiáng)，積極性提高，掃描電鏡實驗教學(xué)效果得到了有效地的提升。

掃描電鏡；應(yīng)用型本科；教學(xué)改革；教學(xué)效果

電子顯微技術(shù)是一門現(xiàn)代化的顯微學(xué)科[1]，為微觀世界的探測提供了一種新的研究手段。而掃描電子顯微鏡作為一種新的電子顯微儀器設(shè)備，其應(yīng)用越來越廣泛，不僅用于植物學(xué)、動物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域的研究，而且還應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)、陶瓷工業(yè)和化學(xué)工業(yè)等部門。隨著國家對高校的科研和教學(xué)經(jīng)費投入加大，掃描電子顯微鏡無論在數(shù)量上還是質(zhì)量上都有所提高，該儀器在科研和教學(xué)中承擔(dān)著十分重要的測試任務(wù)[2]。為了促進(jìn)科研和教學(xué)，就筆者所在的湖南工程學(xué)院，于2014年購買了一臺一百多萬的日立SU3500的掃描電鏡。由于該儀器本身價格昂貴、數(shù)量少，多數(shù)時間應(yīng)用于學(xué)校的科研測試，而應(yīng)用于本科實驗教學(xué)的機(jī)時嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致實驗教學(xué)效果差[3-4]。教高〔2012〕4號印發(fā)《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》明確提出為促進(jìn)高校辦學(xué)，強(qiáng)化實踐育人環(huán)節(jié)，本科實驗教學(xué)水平的提高起著不可忽視的作用。因此，筆者針對掃描電鏡實驗教學(xué)存在的問題，根據(jù)應(yīng)用型本科院校對材料專業(yè)實驗課程學(xué)習(xí)的要求，對實驗教學(xué)方法的設(shè)計和開展進(jìn)行了有益的探索。

1 掃描電鏡實驗課的特點

當(dāng)前，無論是企業(yè)還是科研機(jī)構(gòu)，只要涉及材料，掃描電鏡的使用程度越來越高，因為掃描電鏡是一種對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)知有力的測試手段。同光學(xué)顯微鏡相比，掃描電鏡測試的圖像景深大，立體感強(qiáng)，放大倍數(shù)范圍寬，分辨率高，有的甚至可達(dá)到0.25 nm。通過對掃描電鏡實驗課程的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生基本掌握儀器的分析測試方法，為以后從事材料測試和研究工作打下良好的基礎(chǔ)。目前，在湖南工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)大三下學(xué)期開設(shè)有《材料性能測試實驗》課程，其中涉及掃描電鏡實驗課時為5學(xué)時。

2 實驗教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)方法有待改進(jìn)

由于掃描電鏡價格昂貴，在實驗課上一般實行演示實驗教學(xué)。每班學(xué)生以35人計，10～12人/組分組上課，在有限的5學(xué)時內(nèi)，課程內(nèi)容安排有：掃描電鏡工作原理和儀器結(jié)構(gòu)介紹，材料制樣方法說明，樣品上機(jī)測試演示。其中，掃描電鏡內(nèi)部某些結(jié)構(gòu)比如電子光學(xué)系統(tǒng)(電子槍，電磁透鏡和樣品室)、掃描系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和信號探測系統(tǒng)等嵌入儀器內(nèi)部，不便于直接觀察；而掃描電鏡工作原理因為涉及的理論知識面廣，是機(jī)械、物理、電磁學(xué)、化學(xué)、自動化和材料等學(xué)科知識的綜合；同樣，掃描電鏡分析的樣品，較一般的分析儀器測試過程更為復(fù)雜；若測試的材料不同，制樣的方式存在差異，測試的方法也相應(yīng)改變。另外，掃描電鏡用于本科學(xué)生操作的機(jī)會少，導(dǎo)致部分學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在認(rèn)知不足或者錯誤理解。

2.2 考核方式有待改善

實驗課程一般以出勤和實驗報告作為考核目標(biāo)。在以往的掃描電鏡實驗課上，一些同學(xué)實驗?zāi)康男圆粡?qiáng)，興趣不高，上課時心不在焉，走馬觀花，只有部分同學(xué)積極參與教學(xué)。在書寫實驗報告時，同組同學(xué)的實驗報告內(nèi)容重復(fù)率較高，實驗原理、實驗步驟和實驗分析結(jié)果重復(fù)率可達(dá)80%左右，考核方式急需改善。

3 教學(xué)改革

3.1 多媒體教學(xué)的運(yùn)用

多媒體教學(xué)是基于計算機(jī)硬件環(huán)境，將多媒體技術(shù)充分運(yùn)用到課堂教學(xué)中的現(xiàn)代化教學(xué)模式。與傳統(tǒng)的教學(xué)相比，多媒體計算機(jī)將視聽合一的功能與交互性結(jié)合在一起，產(chǎn)生出一種新的圖文并茂、豐富多彩的人機(jī)交互方式。這種交互對教學(xué)過程具有重要意義，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，有利于知識的獲取[5]。

針對掃描電鏡工作原理理解困難、內(nèi)部結(jié)構(gòu)難直接觀察、材料制樣多樣性和上機(jī)測試過程復(fù)雜等特點，應(yīng)用多媒體手段，將這幾部分內(nèi)容整理成PowerPoint和Flash動畫，在實驗開展前一周拷貝給學(xué)生，讓他們做好實驗預(yù)習(xí)，以便對掃描電鏡涉及的內(nèi)容有初步的認(rèn)識和了解。這樣在有限的實驗課上，將減少相關(guān)知識的講解，比如關(guān)于掃描電鏡的工作原理，簡要介紹為：在高壓下，高能的電子束轟擊樣品表面時，與樣品表面發(fā)生碰撞，使樣品激發(fā)出各種信號，信號有二次電子、背散射電子和X射線等；正是通過這些信號，才得以對樣品表面形貌進(jìn)行觀察和分析。

3.2 合作式教學(xué)法的引入

在高校里，大班教學(xué)是常用教學(xué)模式，上課時教師無法注意到每一位學(xué)生，很多時候只是單向傳授，學(xué)生被動的參與。如果課前教師提出幾個問題或者任務(wù)，分配給事先分成小組的學(xué)生去完成，同組的學(xué)生明確各自的分工和責(zé)任后，積極配合，協(xié)同完成[5]。這種合作式教學(xué)法可以讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性提高，相比傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)到的東西更多，記憶將會更持久。

就筆者學(xué)校材料化學(xué)專業(yè)開展的掃描電鏡實驗課也是采取這種方式進(jìn)行教學(xué)的。因該實驗課設(shè)置在大三下學(xué)期的中期，正是本科生畢業(yè)論文設(shè)計之際，在實驗開展前一周，將3個具有代表性的畢業(yè)論文的課題布置給3組同學(xué)，讓小組同學(xué)各自分工，去跟蹤了解畢業(yè)論文實驗中制備的樣品特點，是液體還是固體？若是固體，固體是塊狀、條狀還是粉末？如果是納米材料粉末，采取直接鋪展在導(dǎo)電膠帶上還是通過超聲分散處理？測試時選取二次電子信號還是背散射電子信號？通過查閱資料，每個學(xué)習(xí)小組選取合適的掃描電鏡制樣方法，利用多媒體PPT制定出測試的可行性方案，方案內(nèi)容包括掃描電鏡的測試原理、制樣方法和測試步驟。通過合作式教學(xué)，每組學(xué)生積極參與，加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識，在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)，針對自己存在的認(rèn)知不足，能夠集中精力學(xué)習(xí)，較好地掌握掃描電鏡的相關(guān)知識。

圖1 纖維摻雜截面的掃描電鏡圖

圖2 改性淀粉的掃描電鏡圖

3.3 結(jié)合科研教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)實驗教學(xué)是為理論教學(xué)服務(wù)的，不能結(jié)合學(xué)生興趣或需要來設(shè)定實驗內(nèi)容，無法充分發(fā)揮學(xué)生在實驗過程中的積極性和創(chuàng)造性[6]。而科學(xué)研究是高等學(xué)校的三大職能之一，只有教學(xué)和科研相結(jié)合，才有望培養(yǎng)出創(chuàng)新人才。一方面，要在科學(xué)研究中進(jìn)行教學(xué)，通過科研帶動教學(xué); 另一方面，要在教學(xué)中加大探索因素，進(jìn)行研究型教學(xué)，把科學(xué)研究真正貫穿于教學(xué)過程之中[7]。筆者學(xué)校的電鏡室作為教學(xué)科研工作的平臺，每周有2天時間開放給科研團(tuán)隊，其中涉及教師科研項目以及大學(xué)生創(chuàng)新項目，樣品測試過程可以讓學(xué)生認(rèn)真觀察科研課題制備的材料，通過電鏡圖像發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，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，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.4 考核方式的改善

傳統(tǒng)的實驗課程常采取出勤和實驗報告進(jìn)行考核。對于掃描電鏡實驗課的考核，我們采取多元化的考核方式，除了出勤和實驗報告，還包括實驗前材料測試的可行性方案的完成情況和實驗課上學(xué)生回答問題情況。通過以上的教學(xué)方式，我們發(fā)現(xiàn)實驗報告內(nèi)容的重復(fù)率較降低到20%左右。這種多元化的考核方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4 結(jié) 語

我們對掃描電鏡的教學(xué)改革探索主要針對應(yīng)用型本科的實驗教學(xué)。在掃描電鏡實驗教學(xué)改革中，運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，引入合作式教學(xué)方法，開展以科研促教學(xué)的活動，改善考核方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，有效促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。在新形式下隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷地發(fā)展，掃描電鏡實驗教學(xué)方法也要不斷地去探索，不斷地去改進(jìn)，以便在材料測試和研究方向培養(yǎng)出素質(zhì)過硬的綜合性人才。

[1] 郭素枝. 掃描電鏡技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 廈門: 廈門大學(xué)出版社，2006: 1.

[2] 張雪紅. 拓展實驗教學(xué)平臺提高學(xué)生創(chuàng)新能力[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)，2010,8(3):93-95.

[3] 李小紅,喻佑華. 場發(fā)射掃描電鏡及能譜儀在材料科學(xué)類專業(yè)實驗教學(xué)的探索[J]. 景德鎮(zhèn)高專學(xué)報,2013,28(6):16-17.

[4] 晏井利,梅建平,王仕勤. 材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理，2011,28(6):250-261.

[5] 張楚廷.高校教師教育教學(xué)技能[M]. 長沙: 湖南師范大學(xué)出版社，2015: 117-119．

[6] 陸筑鳳,李加友,王紅梅. 基于“產(chǎn)學(xué)研”平臺的掃描電鏡實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 中國輕工教育, 2016(1): 84-86.

[7] 吳鋒景, 劉小娟, 肖鑫, 等. 《金屬腐蝕與防護(hù)》課程在應(yīng)用型本科院校的教學(xué)[J]. 廣州化工, 2016, 11(10): 243-245.

Exploration on the Experimental Teaching of Scanning Electron Microscopy in Application-oriented Undergraduate Universities*

LIUXiao-juan,WUFeng-jing,ZHANGHe,HUANGXian-wei,LIGu-cai,LIUWan-min,QINMu-lan

(Hunan Institute of Engineering, Hunan Xiangtan 411104, China)

The Scanning electron microscopy(SEM)，as a kind of large-scale precision instrument, plays an important role in the experimental teaching. For the application-oriented undergraduate universities, some problems were existed in the SEM experimental teaching, several teaching reformations were explored, using multimedia teaching means, application of the cooperative method of teaching, developing the scientific research and improving the assessment methods to promote the experimental teaching. Those reformations enhanced the teaching effect. The students’ desire for studying SEM knowledge was stimulated, and their learning ability was improved.

scanning electron microscopy; application-oriented undergraduate university; teaching reformation; teaching effect

2016年湖南省教育廳科學(xué)研究項目(16C0392)。

劉小娟(1981-)，女，工程師，主要從事功能材料領(lǐng)域的教學(xué)與研究以及掃描電鏡測試。

G642.0

A

1001-9677(2016)020-0201-03