劉婉穎 武元鵬 何伊婷 劉麗 何晚瀅 張俊煒

摘? 要：掃描電子顯微鏡（掃描電鏡）具有分辨率高、放大倍數(shù)高、景深大等特點，是一種綜合多門學(xué)科的大型精密儀器，在材料科學(xué)中應(yīng)用廣泛。但由于設(shè)備貴重、數(shù)量少和實驗課學(xué)時的限制，本科實驗教學(xué)過程單調(diào)，學(xué)生缺乏積極主動性，無實際操作環(huán)節(jié)。因此，學(xué)生對掃描電鏡實驗課認知不高，課堂學(xué)習(xí)達不到實驗開設(shè)的預(yù)期效果。文章主要針對這些問題，從實驗教學(xué)方法、教學(xué)體系和考核機制方面進行改進、優(yōu)化和改革，有效提高掃描電鏡實驗課質(zhì)量，使學(xué)生能運用掃描電鏡從事材料研究工作。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡;實驗教學(xué)方法;實驗教學(xué)體系;考核機制;實驗效果

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）中明確提出：切實加強實驗教學(xué)管理，努力推進實驗教學(xué)改革，大量高端貴重儀器被列入本科生實驗教學(xué)內(nèi)容[1-3]。掃描電子顯微鏡作為一種新的電子顯微儀器設(shè)備，是用來分析材料形貌特征、表征和材料表面微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，不僅用于材料學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域的研究，還應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、陶瓷工業(yè)和化學(xué)工業(yè)等部門。其工作原理是在加速電壓作用下將電子槍發(fā)射的電子匯集成細小電子束，電子束在試樣表面做光柵狀掃描，激發(fā)出如二次電子、背散射電子和俄歇電子等物理信號，通過對這些信號的接受、放大和顯像來對試樣表面進行形貌和結(jié)構(gòu)的分析[4]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼開發(fā)了環(huán)境掃描電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡和原子力顯微鏡等技術(shù)[5]。但基于這類儀器設(shè)備價格昂貴，學(xué)校購置數(shù)量有限，因此作為承擔(dān)著材料分析方法實驗教學(xué)課程的掃描電子顯微鏡，便不能像傳統(tǒng)、常規(guī)的實驗教學(xué)儀器設(shè)備一樣，可單獨或是兩三個人一組進行實驗操作，這就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，實驗教學(xué)效果也得不到保證。為充分發(fā)揮實驗教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才中的作用，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強學(xué)生對實驗儀器的認知和動手能力，本文通過對掃描電鏡實驗課教學(xué)方式方法的改進，對實驗課教學(xué)體系的優(yōu)化，以及對學(xué)生實驗課后考核機制的改革，使掃描電鏡實驗課更具針對性、實用性和趣味性，進而有效提高實驗教學(xué)效果，使學(xué)生在有限的實驗時間內(nèi)能基本掌握掃描電鏡的操作及分析測試方法，掌握利用掃描電鏡進行材料研究的基本能力。

一、掃描電鏡實驗課現(xiàn)狀與存在問題

目前各高校普遍的教學(xué)過程為理論課加上實驗課，且實驗教學(xué)長期以來被視為理論教學(xué)的輔助手段，用于加深對理論教學(xué)的理解，所以易忽略實驗教學(xué)的重要性[6-7]。通常理論部分所占據(jù)的時間長，首先是教師在課堂上進行相關(guān)內(nèi)容的講解，讓學(xué)生大致了解掃描電鏡的結(jié)構(gòu)與原理、應(yīng)用與特點、實驗要求與注意事項，以及測試樣品的制備方法，在學(xué)生具備一定的理論基礎(chǔ)之后，再進行實驗實操部分的課程。對于實驗課程部分，由于掃描電鏡是高精密貴重儀器，西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院僅有一臺型號為EVO MA15的鎢燈絲掃描電子顯微鏡，用作本科教學(xué)和師生的科研、畢設(shè)及其他開放性、創(chuàng)新性實驗的表征分析。而且本科教學(xué)實驗的學(xué)生很多，其實驗時間及課時固定，且一般是在有關(guān)材料分析的課程開課后才開始掃描電子顯微鏡分析實驗課，所以易造成實驗課上“粥少僧多”的情況。另外，電鏡還擔(dān)負著研究生的創(chuàng)新實驗、畢業(yè)論文及教師的科研實驗和對外服務(wù)等工作，因此本科生的電鏡實驗無法按傳統(tǒng)實驗方式進行兩三人的分組，做到人人動手的實際操作[8]。一般是電鏡管理老師進一步講解理論知識后，由上課老師或電鏡管理老師進行演示操作，學(xué)生再分組觀看老師的操作演示，觀察后記錄數(shù)據(jù)、采集圖像，課后進行分析并提交實驗報告，最后在課程結(jié)束后統(tǒng)一進行考核。

掃描電鏡實驗課存在的客觀條件為電鏡設(shè)備臺套數(shù)少，實驗課時也較少，但本科生人數(shù)較多，且理論教學(xué)部分用時長，從而導(dǎo)致學(xué)生缺少動手操作時間。由于掃描電鏡分為真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)，很多精密部件結(jié)構(gòu)對所處環(huán)境要求較高，因此，不能將其進行拆裝來為學(xué)生形象具體地講解。設(shè)備啟動工作時，處于高真空狀態(tài)，不能直接觀察到內(nèi)部電子束的運動形式[9]，因此很難通過老師的講解和示范，讓學(xué)生快速、清楚地理解電鏡工作原理，也無法熟悉其操作。實驗課后，學(xué)生猶如走馬觀花，未能真正掌握關(guān)于掃描電鏡對材料分析方面的知識。由于本科生對電鏡未進行實際操作，對基本構(gòu)造原理了解不足，因此，若要讓學(xué)生動手實驗，則需在專人指導(dǎo)下進行。如果不加注意，易對電鏡造成損傷，對于后期電鏡的維護和其他科研項目的開展等亦有影響。目前，很多管理員在實驗過程中只會按照標準操作進行教學(xué)，一旦修改了儀器測試相關(guān)參數(shù)或儀器出現(xiàn)問題，學(xué)生根本不會解決，所以學(xué)生也就無法進行自主實驗[10]。現(xiàn)階段，掃描電鏡實驗課仍為驗證性實驗，在學(xué)生不能親自動手實驗且參與度不高的情況下，整個實驗教學(xué)較為枯燥，學(xué)生無法做到專心致志，實驗教學(xué)的效果達不到開設(shè)課程時的預(yù)期目的，致使學(xué)生在撰寫實驗報告時重復(fù)率較高，學(xué)生對整個實驗過程和實驗內(nèi)容知曉略淺，對掃描電子顯微鏡儀器的了解也僅停留于表面，對掃描電鏡儀器的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集及分析層面掌握不佳。

二、優(yōu)化對策

（一）掃描電鏡實驗課教學(xué)方法改進

針對目前掃描電鏡實驗課存在的設(shè)備臺套數(shù)有限（僅一臺）、教師授課方式單調(diào)以及考核制度不完善等問題，需采取相應(yīng)措施改進和優(yōu)化，以提高課程質(zhì)量和學(xué)生的積極性。在臺套數(shù)有限的基礎(chǔ)上，充分利用各種資源，豐富教學(xué)過程，改善教學(xué)方式方法，激勵學(xué)生產(chǎn)生更大的興趣和愛好，以達到實驗教學(xué)對學(xué)生的培養(yǎng)目的。適當改善教學(xué)內(nèi)容，如增加學(xué)生感興趣的內(nèi)容。優(yōu)化分配理論教學(xué)和實驗教學(xué)的課程時間，如課堂教學(xué)時對于學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，可簡單帶過，規(guī)避重復(fù)內(nèi)容講解，將節(jié)省出的時間劃至實踐操作部分，并且提供開放課外實驗操作機會，學(xué)生分組操作練習(xí)。實驗前，學(xué)生提前制備好測試樣品，每組可選擇不同類型、不同材料及結(jié)構(gòu)尺寸的樣品，實驗時親自操作，這樣既可增強學(xué)生動手能力，又可提升學(xué)生感知能力。在實驗課進行時，則由實驗老師操作，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，對自己小組樣品的測試結(jié)果進行分析，并結(jié)合實驗?zāi)康?，自主選擇放大倍數(shù)和觀察區(qū)域，確保每組所記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容不同，以降低實驗報告的重復(fù)性。

利用現(xiàn)代化、立體化技術(shù)，在原有圖片基礎(chǔ)上，加入如3D模型、動畫等內(nèi)容，增加實驗課程的趣味性和生動性。教育部《關(guān)于加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高[2001]4號）文件第十條指出，“在教學(xué)活動中應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，是提高本科教學(xué)質(zhì)量的重要手段和措施。[11]”例如，錄制掃描電鏡的實際操作視頻并共享于網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生在實驗教學(xué)前可提前進行預(yù)習(xí)，實驗教學(xué)后也能復(fù)習(xí)掃描電鏡的使用操作方法，亦或是使用Flash軟件制作出掃描電鏡工作狀態(tài)下的動畫，以電子束在電子鏡筒內(nèi)的運動過程、掃描線圈如何控制電子束并作用于試樣表面、電子束在試樣表面激發(fā)出的各種信號以及探測器如何收集信號等具體內(nèi)容[9]，使那些在電鏡內(nèi)部運行的且不易被觀察的過程、電子束的產(chǎn)生、樣品表面不同信號的激發(fā)及探測器對不同信號的接收（如樣品有效深度5～10 nm處激發(fā)出的二次電子，樣品有效深度1 μm處激發(fā)出的背散射電子，樣品有效深度2 μm處激發(fā)出的特征X射線信號），這些肉眼無法觀察的電子信號均可通過虛擬動畫生動、形象地展示出來，學(xué)生通過具體可視化的觀察來學(xué)習(xí)，加深對掃描電鏡構(gòu)造和原理的認知。

掃描電鏡開放使用期間，除了用于本科教學(xué)外，其主要工作是為科研服務(wù)，同時還承擔(dān)著課外開放性綜合實驗（如大學(xué)生開放實驗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗、二課）。雖然掃描電鏡實驗教學(xué)的時間不多，但可供學(xué)生實戰(zhàn)觀察的時間卻很多，平時服務(wù)于科研項目的實驗時間完全可對學(xué)生開放[12]，通過加入科研團隊，或者參加有關(guān)的開放性實驗，增加師生間的交流，提高學(xué)生的思考、探索能力。開放與實際案例相結(jié)合的實驗，如失效部件微觀分析，包括各類夾雜物、斷口形貌、斷裂特征分析、組織形貌和腐蝕物形貌特征等[13]。學(xué)生可選擇感興趣的實驗課題進行預(yù)約，在限定預(yù)約人數(shù)條件下，盡可能滿足每一位學(xué)生的動手操作需求，達到學(xué)生實際操作目的，培養(yǎng)高水平的操作人才。

實驗教學(xué)是高等院校培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，提高學(xué)生參與度是優(yōu)化實驗教學(xué)的主要手段之一，參與度高的實驗教學(xué)模式有利于學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范的實驗操作習(xí)慣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主實驗?zāi)芰14]。如實驗前，可提前預(yù)留問題，讓學(xué)生帶著問題，翻查文獻，自行設(shè)計實驗過程，然后向老師或研究生請教在儀器操作過程中遇到的問題，實驗數(shù)據(jù)如何處理和分析等，既能解決問題、學(xué)到知識，也能增加師生間的交流，提高學(xué)生自主實驗的設(shè)計水平和自主操作能力。

（二）掃描電鏡實驗課教學(xué)體系優(yōu)化

在改進傳統(tǒng)教學(xué)方式方法基礎(chǔ)上，需要優(yōu)化實驗教學(xué)體系，如建立掃描電鏡虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。虛擬仿真技術(shù)是通過利用現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)和編程技術(shù)解決教學(xué)中設(shè)備資源短缺難題的技術(shù)，是實驗教學(xué)改革和教育信息化發(fā)展相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)物[15]。通過構(gòu)建掃描電鏡虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，可將課程理論知識和實驗有機結(jié)合，不僅能使學(xué)生掌握基本理論，同時也能培養(yǎng)學(xué)生的實際操作、驗證理論和探索新知識的能力。

學(xué)生在進行正式實驗課程之前，可先通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行初步學(xué)習(xí)，對掃描電鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像襯度觀察、實驗數(shù)據(jù)處理及分析等部分內(nèi)容有個熟悉過程，再結(jié)合實驗課程中對掃描電鏡儀器設(shè)備的實際操作，發(fā)現(xiàn)差異，建立對電鏡的理性認識。基于西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院已搭建的用于學(xué)生課外綜合能力訓(xùn)練實驗（如大學(xué)生課外開放實驗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗、二課等）的虛擬仿真實驗平臺，為解決掃描電鏡所處實驗室場地有限和儀器操作復(fù)雜性問題進行3D建模，按照實驗流程和步驟實施交融互通對掃描電鏡樣品制備和儀器操作進行虛擬仿真，生動形象地再現(xiàn)整個實驗教學(xué)過程，從而建立掃描電鏡實驗虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，以解決當前實驗教學(xué)中所存在的臺套數(shù)少、學(xué)生得不到實際操作鍛煉，以及對電鏡實驗課缺乏興趣等問題。掃描電鏡虛擬仿真實驗系統(tǒng)分為實驗預(yù)習(xí)模塊、仿真現(xiàn)場操作模塊和實驗考核模塊。秉承學(xué)院“以生為本、夯實基礎(chǔ)、強化實踐、研教融合、雙證培養(yǎng)、虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)理念，對學(xué)生開展有啟發(fā)性、直觀性和可視化的實驗教學(xué)，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐實驗的積極性[16]。

在傳統(tǒng)教學(xué)儀器不足，實驗效果不佳的條件下，虛擬仿真技術(shù)既能極大地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的要求，又可熟練掌握儀器的使用方法，而且學(xué)生還可通過3DMAX、Flash等軟件制作掃描電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的三維構(gòu)造圖，解釋電鏡的工作原理，使學(xué)生能進行提前預(yù)習(xí)，熟悉實驗原理等[17]。掃描電鏡虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)主要包括掃描電鏡的結(jié)構(gòu)、工作原理、樣品制備，以及電鏡冷啟動、軟件運行、裝換樣品、二次電子掃描、背散射掃描、電子背散射掃描、能譜測試、數(shù)據(jù)處理和分析與電鏡關(guān)機等部分內(nèi)容。學(xué)生可親自動手模擬操作實驗，在安全環(huán)保且不損壞儀器的條件下進行模擬操作，從而對掃描電鏡操作原理、樣品制備和不同樣品觀察分析有一個理性的認識，加深對電鏡和實驗課程的了解，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，進一步提高學(xué)生的主觀能動性，增強學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力、分析問題解決問題能力，以及實踐實操能力。

虛擬仿真實驗應(yīng)用于實驗課程教學(xué)，還可加強同其他高校和企業(yè)自建實驗室的交流力度，互通有無、合作共享[18]。校院經(jīng)費有限、掃描電子顯微鏡購入時間較久和儀器使用頻率過高導(dǎo)致儀器提早老化。通過增進與其他高校之間的交流，可完善對本院系實驗室的構(gòu)建，促進實驗室管理水平的提升，更好地服務(wù)于實驗教學(xué)，也能相互合作，共同開展新的課題項目。通過與企業(yè)之間的交流，可利用企業(yè)的資金能力與生產(chǎn)設(shè)備，結(jié)合院系自身的科研優(yōu)勢，和企業(yè)共同開展創(chuàng)新項目。在一定層次上，有利于企業(yè)盡早發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的科研類人才，建立共享方式的實驗室，可增加學(xué)生接觸高精尖大型儀器設(shè)備的機會，提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的積極主動性，增強學(xué)生的科研實驗?zāi)芰Α?/p>

（三）掃描電鏡實驗課考核機制改革

基于課程考核標準對教學(xué)環(huán)節(jié)的實施具有導(dǎo)向作用，應(yīng)將實驗教學(xué)評分標準納入績效考核，通過以制促改、以改促教，改變“出勤率+課堂表現(xiàn)+實驗報告”這種傳統(tǒng)的實驗課程評分方法，采用多元化的考核方式，在學(xué)生整個模擬實驗和實際操作實驗完成后，采集實驗過程中的數(shù)據(jù)，并進行處理分析，采取“結(jié)果性”與“過程性”考核相結(jié)合的方式，通過大數(shù)據(jù)形成對每一個學(xué)生的評估報告，針對掃描電鏡實驗課程構(gòu)建“3223”考核機制，即采用“出勤率30%+預(yù)習(xí)報告20%（在虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)上預(yù)習(xí)）+實驗報告20%+課堂表現(xiàn)30%”的綜合評價體系。實踐課程要以保證出勤率為前提，依據(jù)報告完成效果驗收，將課堂表現(xiàn)作為加分依據(jù)，結(jié)合多方面考核給出最終成績。這種多方位的考核機制既提高了實驗課考核評估的客觀性和綜合性，又促進了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的動力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、結(jié)束語

材料學(xué)專業(yè)是一門理論與實際相結(jié)合的學(xué)科，對于材料的學(xué)習(xí)與認識，以及實驗的構(gòu)思、設(shè)計與完成都需要學(xué)生的探索與創(chuàng)新。掃描電鏡實驗課，不僅是對傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)的完善，學(xué)生通過實驗課的實操演練后，對材料分析表征設(shè)備的使用有直觀感受，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，使其學(xué)以致用，更是在為培養(yǎng)高科研水平的優(yōu)秀人才奠定基礎(chǔ)。對掃描電鏡實驗課進行優(yōu)化，不僅需要進行實驗教學(xué)方式方法、實驗教學(xué)內(nèi)容的改進，還需進行實驗教學(xué)體系的優(yōu)化，也需要進行實驗課考核機制的改革。通過運行虛擬仿真技術(shù)、引用合作式教學(xué)、改善實驗課程考核方式和改變學(xué)生以往對實驗課的狹隘觀念，來激發(fā)實驗興趣和積極性，有效促地進實驗教學(xué)進程，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生通過實驗課習(xí)有所得、學(xué)有所獲，為以后將從事的工作和科研奠定扎實的理論與實驗基礎(chǔ)。

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