魏 婷， 唐 靜， 李金霞， 周麗繪， 藍(lán)閩波

（華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237）

0 引 言

透射電鏡是進(jìn)行樣品形貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及微區(qū)成分分析的重要工具［1-2］，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、病毒學(xué)、材料科學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域［3］。在高校教學(xué)和科研工作中，透射電鏡是廣受歡迎和非常重要的大型儀器之一。作為實(shí)驗(yàn)室大型儀器，透射電鏡具有以下特點(diǎn)：①透射電鏡屬于大型貴重儀器，數(shù)量有限；②透射電鏡屬于大型精密儀器，對(duì)周?chē)h(huán)境比如溫度、濕度、磁場(chǎng)、震動(dòng)、灰塵等有嚴(yán)格要求，同時(shí)儀器需要定期維護(hù)、保養(yǎng)［10］和檢定，維修成本高、周期長(zhǎng)；③透射電鏡屬于高真空儀器設(shè)備，操作復(fù)雜；④透射電鏡成像原理［11-12］涉及晶體、衍射、成像、能譜等，譜圖分析專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)；⑤透射電鏡對(duì)樣品制備要求高，前處理有超聲分散、染色、超薄切片、離子束減薄等不同方式。

如今，隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，越來(lái)越多的高校購(gòu)置了不同類(lèi)別的透射電鏡，學(xué)生也有機(jī)會(huì)參與到透射電鏡的使用中。但是，透射電鏡作為高端實(shí)驗(yàn)室教學(xué)儀器仍普遍存在著以下問(wèn)題［13-14］：①實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限，導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以全面展開(kāi)，學(xué)生上機(jī)人數(shù)和練習(xí)時(shí)長(zhǎng)受限；②實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置較少，設(shè)計(jì)性和綜合性課時(shí)比例偏低；③透射電鏡主要應(yīng)用于科研項(xiàng)目，常態(tài)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)占用了其科研測(cè)試服務(wù)時(shí)間。

我校分析測(cè)試中心于2013 年啟動(dòng)儀器開(kāi)放培訓(xùn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目分理論基礎(chǔ)培訓(xùn)（A 課／大課）及針對(duì)性的儀器培訓(xùn)課程（B課）兩部分，其中B 課培訓(xùn)必須在儀器基礎(chǔ)A課完成之后，進(jìn)一步加強(qiáng)以?xún)x器操作資質(zhì)為目的的一種繼續(xù)教育課程。本文以大型儀器透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM，簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡）為切入點(diǎn)，結(jié)合透射電鏡應(yīng)用特點(diǎn)與中心10 年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，圍繞如何有效推進(jìn)高水平新工科人才建設(shè)，如何解決透射電鏡培訓(xùn)的有效性，如何與時(shí)俱進(jìn)地優(yōu)化透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，如何讓更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)參與到這個(gè)教學(xué)建設(shè)中來(lái)，以及如何提高透射電鏡的使用效率等問(wèn)題，提出一種強(qiáng)化以應(yīng)用為目的的透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索。

1 TEM實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

TEM實(shí)驗(yàn)課自授課以來(lái)，教師們不斷地探索創(chuàng)新，在強(qiáng)化培養(yǎng)研究生專(zhuān)業(yè)水平、持續(xù)開(kāi)發(fā)儀器與軟件新功能、提高儀器的使用效率等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。然而，10 年來(lái)，學(xué)校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大、國(guó)家科研水平顯著提高，所以必須進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和分析能力，必須提高透射電鏡的利用率以加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究的進(jìn)度，在大型儀器條件有限的情況下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量培養(yǎng)學(xué)生和高效率利用透射電鏡的正效應(yīng)關(guān)系。圖1 列出了現(xiàn)階段透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施對(duì)象、實(shí)施條件、實(shí)施目標(biāo)和實(shí)施方案。在實(shí)施方案中可以看出，為了強(qiáng)化學(xué)生的應(yīng)用能力，在以往的教學(xué)體系里增加了4 個(gè)步驟：①實(shí)驗(yàn)A課。借助“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)加強(qiáng)交流，可以讓更多的學(xué)生了解透射電鏡的原理、應(yīng)用以及透射電鏡與自己科研的關(guān)系，有機(jī)會(huì)進(jìn)一步參與透射電鏡學(xué)習(xí)；②實(shí)驗(yàn)B課。增加中期考核環(huán)節(jié)，中期考核分理論和上機(jī)兩部分，可以讓學(xué)生及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并反思；③增加了自主訓(xùn)練的課時(shí)數(shù)。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行復(fù)雜樣品的練習(xí)與分析，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。同時(shí)，借助“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)，將課堂由課內(nèi)延伸到課外，創(chuàng)造條件把相關(guān)透射電鏡的問(wèn)題研究到底；④考核合格后，簽發(fā)資格證書(shū)，一方面用來(lái)約束學(xué)生們獨(dú)立上機(jī)行為，另一方面讓學(xué)生有技術(shù)證書(shū)雙加持，增加就業(yè)砝碼。

圖1 透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)方案

2 TEM實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案

2.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)A課和實(shí)驗(yàn)B課

為了克服儀器臺(tái)數(shù)少與學(xué)生數(shù)量大，培養(yǎng)要求高之間的矛盾，分析測(cè)試中心設(shè)置了側(cè)重理論教學(xué)的“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)A”和側(cè)重實(shí)操教學(xué)的“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)B”兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程。目前共開(kāi)設(shè)了3 門(mén)課程（“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)A——透射電鏡”“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)B—JEM-2100”和“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)B—JEM-1400”）。部分課程內(nèi)容設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 TEM部分課程內(nèi)容設(shè)置

除了以上課程內(nèi)容設(shè)置外，“現(xiàn)代儀器實(shí)驗(yàn)技術(shù)B—JEM-1400”課程設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)：

（1）生源要求高。①因?yàn)橥干潆婄R儀器貴重且維修成本高、周期長(zhǎng)，所以學(xué)生必須完成實(shí)驗(yàn)A 課的全部學(xué)習(xí)且考核成績(jī)優(yōu)秀。②作為一個(gè)校級(jí)測(cè)試平臺(tái)且大儀資源有限，所以會(huì)考慮資源統(tǒng)籌，讓各個(gè)學(xué)院各大課題組學(xué)生能盡量均衡享有機(jī)會(huì)，提高整個(gè)學(xué)校的透射電鏡測(cè)試效率。

（2）實(shí)驗(yàn)B 課學(xué)生實(shí)操水平過(guò)硬且均具有資質(zhì)證明（可以提供資格證書(shū)和機(jī)時(shí)證明，見(jiàn)圖2），B 課學(xué)生一旦考核通過(guò)，只要該生導(dǎo)師、分析測(cè)試中心與實(shí)驗(yàn)室裝備處三方達(dá)成協(xié)議（見(jiàn)圖3），他們都能成長(zhǎng)為一個(gè)有責(zé)任、有擔(dān)當(dāng)、有獨(dú)立精神與高水平實(shí)操能力的高級(jí)用戶(hù)，他們可以在整個(gè)研究生生涯中擁有上機(jī)操作的權(quán)限，在一次又一次實(shí)操過(guò)程中變得更加成熟。

圖2 資格證書(shū)管理系統(tǒng)

圖3 儀器開(kāi)放責(zé)任協(xié)議書(shū)

2.2 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

（1）前期優(yōu)選實(shí)驗(yàn)樣本。作為研究生專(zhuān)業(yè)選修課，同學(xué)們來(lái)自不同的專(zhuān)業(yè)，且選課時(shí)大部分同學(xué)研究課題尚未開(kāi)題，對(duì)于透射電鏡圖片沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí)。因此在前幾個(gè)課時(shí)里，選擇了粒徑分布范圍在2 ～2 000 nm，無(wú)機(jī)的、有機(jī)的、納米級(jí)的、微米級(jí)的；實(shí)心的、空心的、染色的、切片的等不同類(lèi)型的樣品，讓同學(xué)們?cè)诰毩?xí)儀器操作的同時(shí)，對(duì)于不同類(lèi)型的樣品能有直觀且廣泛的認(rèn)識(shí)。圖4 列舉了學(xué)生練習(xí)的6 種典型樣品，這里可以認(rèn)識(shí)薄片、微柵、顆粒、多層結(jié)構(gòu)、染色與切片樣品及背景、金屬顆粒與微米級(jí)顆粒圖像襯度、過(guò)焦／欠焦與多層結(jié)構(gòu)的區(qū)分等，通過(guò)這些典型樣品的練習(xí)，能幫助不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)各專(zhuān)業(yè)樣品進(jìn)行快速的初步了解，從而有效地達(dá)到了先認(rèn)識(shí)再實(shí)踐的目的。

圖4 學(xué)生實(shí)驗(yàn)中用于練習(xí)樣品

（2）中期增加考核環(huán)節(jié)。中期檢查分3 個(gè)內(nèi)容：①每位同學(xué)遞交書(shū)面上機(jī)報(bào)告一份，包括儀器基本操作流程、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總結(jié)及相關(guān)思考與建議，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并指出個(gè)性問(wèn)題；②同學(xué)們通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作的方式全流程地操作透射電鏡，以便對(duì)共性的錯(cuò)誤進(jìn)行指正；③列舉其他常見(jiàn)錯(cuò)誤，讓同學(xué)們提出解決方案，并加以指導(dǎo)，旨在豐富學(xué)生認(rèn)知范圍，有效地提高學(xué)生分析能力。部分課件內(nèi)容如圖5 所示。

圖5 透射電鏡常見(jiàn)錯(cuò)誤分析（節(jié)選）

（3）后期鼓勵(lì)自主設(shè)計(jì)。后半程的教學(xué)為分層教學(xué)，一部分學(xué)生可以使用教師準(zhǔn)備的典型樣品繼續(xù)對(duì)透射電鏡儀器操作進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練；另一部分學(xué)生也可以自行制備一些復(fù)雜樣品。這樣不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜樣品的分析與處理能力，在證實(shí)與證偽、成功與失敗之間，提高學(xué)生主觀能動(dòng)性和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)科研素養(yǎng)，也為培養(yǎng)透射電鏡高級(jí)用戶(hù)作鋪墊。

2.3 引入“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)提高教學(xué)質(zhì)量

充分利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷提高教學(xué)質(zhì)量，比如：①利用微信、QQ等平臺(tái)，建立教師群，收集教師訴求進(jìn)行有效溝通；建立學(xué)生群，及時(shí)分配學(xué)習(xí)任務(wù)、回答學(xué)生疑問(wèn)、探討透射技術(shù)、推送優(yōu)秀講座等。在不斷的交流中更新TEM課件，使課件內(nèi)容由儀器操作為主豐富為全面的TEM操作及數(shù)據(jù)分析手冊(cè)（圖6 為課件內(nèi)容節(jié)選）。②教師通過(guò)嗶哩嗶哩、儀器信息網(wǎng)等網(wǎng)站積極參與相關(guān)學(xué)術(shù)交流和各項(xiàng)科研團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)活動(dòng)，不斷提高自身水平。③利用問(wèn)卷星等APP 進(jìn)行學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查，形成教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控，持續(xù)不斷地改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。④特殊情況下，“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)能極大地保障教學(xué)工作的順利開(kāi)展。比如，新冠疫情嚴(yán)重時(shí)，在保障師生安全的情況下，停課不停學(xué)。透射電鏡實(shí)驗(yàn)課程的理論知識(shí)講解與上機(jī)操作演示均可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授課，待疫情穩(wěn)定后，復(fù)課時(shí)再加強(qiáng)學(xué)生上機(jī)實(shí)操技術(shù)。

圖6 TEM中的測(cè)量技術(shù)

3 透射電鏡的教學(xué)成效

3.1 有利于人才培養(yǎng)和促進(jìn)就業(yè)

學(xué)生對(duì)透射電鏡等大型儀器的熟練操作，有利于科研工作的順利進(jìn)行，并且在解決實(shí)際科研問(wèn)題和不斷攻堅(jiān)克難過(guò)程中，能更好地了解儀器構(gòu)造、原理和功能，提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力，在潛移默化中，成長(zhǎng)為應(yīng)用型、技能型、創(chuàng)新型高層次新工科專(zhuān)業(yè)人才［15］。除此之外，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)與排除常見(jiàn)儀器故障、身體力行大型儀器的安全管理規(guī)范、熟悉相關(guān)先進(jìn)儀器的發(fā)展動(dòng)態(tài)，以上條件均可能成為提高就業(yè)率的杠桿與砝碼。

3.2 有利于提高透射電鏡使用率

經(jīng)透射電鏡實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練后的學(xué)生，具有較高的儀器操作和數(shù)據(jù)分析水平，他們具備了良好的上機(jī)操作能力，成長(zhǎng)為透射電鏡高級(jí)用戶(hù)。同時(shí)他們可以享有透射電鏡的自主上機(jī)資格，極大地挖掘晚上和節(jié)假日時(shí)間，實(shí)現(xiàn)透射電鏡7 ×24 的使用模式，顯著提高儀器使用率，有利于緩解供需矛盾。表2 是近3 年透射電鏡JEM-1400 的部分教學(xué)成果。從中可以看出，每年2 個(gè)學(xué)期可以培養(yǎng)20 個(gè)學(xué)生（來(lái)自20 個(gè)課題組），對(duì)校內(nèi)高需求課題組的覆蓋率超過(guò)80%，他們均考核優(yōu)秀，具備成為透射電鏡JEM-1400 高級(jí)用戶(hù)的基本條件。這些學(xué)生中碩士研究生平均服務(wù)1 年，博士研究生平均服務(wù)2 ～3 年，一般來(lái)說(shuō)，每年有50 人左右為學(xué)校各個(gè)課題組的透射電鏡測(cè)試需求服務(wù)。如果1 年按10 個(gè)工作月份計(jì)算（寒假和暑假各除去1 個(gè)月），上機(jī)時(shí)長(zhǎng)大于20 h，相當(dāng)于每半個(gè)月上機(jī)1 h，從表中數(shù)據(jù)可以看出約一半的校內(nèi)高級(jí)用戶(hù)保障了課題組常規(guī)的科研工作。如果1 年按50 周計(jì)算（1 年52 周除去春節(jié)和國(guó)慶2 個(gè)黃金周），上機(jī)時(shí)長(zhǎng)大于50 h，相當(dāng)于每周上機(jī)至少1 h，更是為高需求量的課題組創(chuàng)造了良好的科研條件。

表2 近3 年JEM-1400 教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)

由此可見(jiàn)，高級(jí)用戶(hù)的培養(yǎng)有兩個(gè)顯著的好處：①明顯提高效率，高級(jí)用戶(hù)不僅提高了自己課題組的效率，也間接提高了基礎(chǔ)用戶(hù)的測(cè)試效率與質(zhì)量，高級(jí)用戶(hù)節(jié)省下來(lái)的儀器機(jī)時(shí)和教師精力均為基礎(chǔ)用戶(hù)的高質(zhì)量送樣檢測(cè)提供了良好的前提保障。②能極大地節(jié)省國(guó)家科研測(cè)試成本，其一，自主上機(jī)利用的是節(jié)假日及工作日18：00 ～次日8：00 的非工作時(shí)間，因此用戶(hù)有資格享受學(xué)校的測(cè)試優(yōu)惠政策；其二，對(duì)于JEM-1400 高級(jí)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，因?yàn)闇p少了樣品制備、測(cè)試條件的溝通、樣品等待等一系列耗時(shí)環(huán)節(jié)。綜上兩點(diǎn)，每個(gè)樣品的測(cè)試費(fèi)可以從120.00 元降低到30.00 元左右，顯著降低了教師們的科研成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

強(qiáng)化以應(yīng)用為目的的透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置清晰，目標(biāo)設(shè)計(jì)明確，分為理論課程與實(shí)踐課程兩部分，尤其是實(shí)驗(yàn)B 課舉足輕重，目標(biāo)就是培養(yǎng)技術(shù)絕對(duì)過(guò)硬且具有資質(zhì)認(rèn)定的高水平新工科學(xué)生。

（2）顯著提高了透射電鏡的使用效率，因?yàn)閷W(xué)生充分利用節(jié)假日和非工作時(shí)間，并且他們具備良好的主觀能動(dòng)性、實(shí)踐創(chuàng)新能力和高超的實(shí)驗(yàn)操作與分析能力，所以大大縮短了透射電鏡的等候與測(cè)試周期，顯著提高了透射電鏡的機(jī)時(shí)數(shù)和利用率，從而帶來(lái)了高級(jí)用戶(hù)與基礎(chǔ)用戶(hù)、學(xué)校-教師-學(xué)生多贏的局面。

（3）明顯提高了人才就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，高級(jí)用戶(hù)在大量的自主上機(jī)實(shí)踐中，能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)與排除常見(jiàn)儀器故障，并且他們身體力行大型儀器的安全管理規(guī)范，熟悉相關(guān)先進(jìn)儀器的發(fā)展動(dòng)態(tài)，再加上資格證書(shū)加持，讓就業(yè)如虎添翼。