張 毅，歐陽(yáng)靜，楊 陽(yáng)

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410083）

掃描電鏡是電子顯微技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的檢測(cè)工具，屬于科研和教學(xué)中高度依賴的大型精密儀器，在材料、化工、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要地位[1-3]。本文基于掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，兼顧課程的科學(xué)性、趣味性、針對(duì)性、實(shí)效性，增強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，始終體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)提高課堂教學(xué)效率，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課程教學(xué)的各個(gè)階段，在有效學(xué)時(shí)內(nèi)講授掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)與工作原理、樣品制備與電鏡觀察、圖像處理與信息解讀、技術(shù)難點(diǎn)與前沿應(yīng)用等內(nèi)容。同時(shí)，建立多種信息交互途徑，設(shè)計(jì)有效的研學(xué)問(wèn)題引領(lǐng)小組合作，設(shè)置研究生助教全程參與實(shí)踐操作，探索“導(dǎo)學(xué)、自學(xué)、助學(xué)”的模式與變式[4-5]。

1 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置對(duì)于人才培養(yǎng)的作用

大型精密儀器在教學(xué)科研中發(fā)揮著重要作用，是培養(yǎng)人才的重要保障。結(jié)合大型精密儀器開(kāi)設(shè)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，注重基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的融合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)前沿科技的零距離接觸，將大型精密儀器打造成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立探索、深度觀察、科研創(chuàng)新的重要平臺(tái)。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)講授了儀器的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、實(shí)踐操作和使用范圍，能夠輔助學(xué)生參與科研項(xiàng)目和完成畢業(yè)論文，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神具有重要作用。

①通過(guò)高校學(xué)科交叉的科研平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)課程注重培養(yǎng)學(xué)生研究問(wèn)題和分析問(wèn)題的水平。教學(xué)過(guò)程中嘗試將高?？萍紕?chuàng)新優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)向?qū)W生培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)綜合了解掃描電鏡與其他表征技術(shù)的融合使用。②通過(guò)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程前沿領(lǐng)域的自主型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生接觸科技發(fā)展前沿的成果和技術(shù)，有助于豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，使其能夠更好地理解最新的科學(xué)技術(shù)。③通過(guò)邀請(qǐng)科學(xué)技術(shù)行業(yè)專家進(jìn)行掃描電鏡技術(shù)的課堂講解，包括技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)配置、管理規(guī)章制度等，有助于學(xué)生了解掃描電鏡前沿應(yīng)用的發(fā)展動(dòng)態(tài)。④通過(guò)自主探索與實(shí)驗(yàn)操作，鼓勵(lì)學(xué)生自由探索并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括文獻(xiàn)查閱、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等，有助于提高學(xué)生的獨(dú)立思考意識(shí)和綜合實(shí)驗(yàn)技能。⑤通過(guò)加強(qiáng)對(duì)教師和技術(shù)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，定期組織教師和技術(shù)人員前往其他單位學(xué)習(xí)交流，聘請(qǐng)科學(xué)技術(shù)行業(yè)專家進(jìn)行學(xué)術(shù)講座、技術(shù)指導(dǎo)與學(xué)術(shù)交流，有助于提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平及技術(shù)水平。

2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀

盡管國(guó)家和地區(qū)對(duì)于教育教學(xué)和科學(xué)研究給予了大力支持，高校在購(gòu)置和共享大型精密儀器方面取得了一定成就，但大型精密儀器用于本科實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)仍存在一些問(wèn)題。如何更好地整合掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程，使其更貼合實(shí)際需求、提升學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維意識(shí)，輔助學(xué)生參與科研項(xiàng)目和完成畢業(yè)論文，已是當(dāng)前實(shí)踐課程建設(shè)的重要課題。

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)注重學(xué)生的理論基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)踐操作的培養(yǎng)，目前課程內(nèi)容主要包括掃描電鏡技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀、掃描電鏡結(jié)構(gòu)與原理、掃描電鏡二次電子圖像信息解讀、掃描電鏡背散射技術(shù)、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像處理、掃描電鏡文獻(xiàn)閱讀、掃描電鏡實(shí)踐操作等。①掃描電鏡技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀課程包括玻璃簡(jiǎn)史、光學(xué)簡(jiǎn)史、電磁場(chǎng)和電磁波等內(nèi)容，重點(diǎn)講解中國(guó)電鏡發(fā)展歷程和相關(guān)科研技術(shù)人員的事跡和貢獻(xiàn)。②掃描電鏡結(jié)構(gòu)與原理課程包括電子槍、陰極射線管、磁透鏡等電子光學(xué)系統(tǒng)的工作原理和二次電子、背散射電子、特征X 射線等信號(hào)收集系統(tǒng)工作的原理，課堂展示光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)、法拉第籠實(shí)驗(yàn)、陰極射線管實(shí)驗(yàn)。③掃描電鏡二次電子圖像信息解讀課程包括二次電子成像原理、圖像標(biāo)尺信息解讀等，重點(diǎn)講解圖像襯度原理和應(yīng)用。④掃描電鏡背散射技術(shù)課程包括晶體學(xué)和織構(gòu)基礎(chǔ)、原理和花樣標(biāo)定、成像和分析、數(shù)據(jù)處理等背散射技術(shù)，重點(diǎn)講解圖像襯度原理和應(yīng)用。⑤掃描電鏡樣品制備課程包括粉末、塊體、薄膜等常規(guī)樣品的制備和細(xì)胞、組織等生物樣品的制備，并結(jié)合實(shí)踐操作課程進(jìn)行樣品制備處理。⑥掃描電鏡圖像處理課程包括圖像彩色處理、粒徑測(cè)量和分布統(tǒng)計(jì)等數(shù)字圖像處理，結(jié)合實(shí)踐操作課程結(jié)果進(jìn)行實(shí)際處理。⑦掃描電鏡文獻(xiàn)閱讀課程包括納米顆粒、紡絲薄膜、微球凝膠、高熵合金、細(xì)胞細(xì)菌等文獻(xiàn)閱讀，嘗試講解掃描電鏡圖像與其他表征技術(shù)的相互驗(yàn)證。⑧掃描電鏡實(shí)踐操作課程包括掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡上機(jī)培訓(xùn)與操作、數(shù)字圖像處理與分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等實(shí)驗(yàn)課程，鼓勵(lì)學(xué)生講解實(shí)踐操作心得體會(huì)。其中，平時(shí)成績(jī)（占比40%）主要包括到課情況、課堂討論等，課程成績(jī)（占比60%）主要包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)作業(yè)等。

目前掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍存在一定問(wèn)題。理論教學(xué)方面，針對(duì)市售儀器研發(fā)的要求，現(xiàn)有的儀器結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容需要進(jìn)一步完善和拓展，以滿足不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求。前沿領(lǐng)域和交叉學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容需要及時(shí)調(diào)整和更新，跟緊科研時(shí)事熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)操作方面，部分實(shí)驗(yàn)報(bào)告不夠完善，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié)方面，需要更加細(xì)致入微，以確保實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量得到提升。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫方面，部分學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而未能真實(shí)反映實(shí)際操作情況，有可能獲得不符合實(shí)際情況的較高成績(jī)。課時(shí)分配方面，實(shí)驗(yàn)操作有效時(shí)間少，無(wú)法確保學(xué)生有足夠的時(shí)間深入實(shí)驗(yàn)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)技能，難以提高學(xué)生對(duì)儀器的實(shí)際應(yīng)用能力。

3 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革措施

通過(guò)大型精密儀器教學(xué)改革和科研項(xiàng)目引導(dǎo)培養(yǎng)，掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基于大型精密儀器的基本原理和科學(xué)方法，探討礦業(yè)工程主導(dǎo)的學(xué)科交叉領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與上機(jī)操作、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析、觀點(diǎn)凝練與報(bào)告撰寫等。在課堂教學(xué)和科研過(guò)程中，促使學(xué)生由“被動(dòng)學(xué)”變“主動(dòng)學(xué)”，逐步熟練掌握大型精密儀器的操作技能、相關(guān)科技文獻(xiàn)的觀點(diǎn)提取、實(shí)踐操作方法技術(shù)建立、復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)果的處理凝練、科技論文的規(guī)范寫作等。突出價(jià)值導(dǎo)向的重要性，探索“導(dǎo)學(xué)、自學(xué)、助學(xué)”模式的構(gòu)成要素與主要特點(diǎn)。此外，征集具備較高科研素養(yǎng)教師的在研國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科研項(xiàng)目，保證實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性、延續(xù)性和研究性的同時(shí)，通過(guò)對(duì)礦業(yè)工程相關(guān)領(lǐng)域前沿問(wèn)題的全面參與，不僅能夠考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、操作技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)告撰寫等技能的運(yùn)用，而且還能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、分工合作和獨(dú)立創(chuàng)造的思維意識(shí)。拓寬學(xué)生科研視野和研究范圍的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。

3.1 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的教學(xué)改革措施

理論教學(xué)環(huán)節(jié)。對(duì)于學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的問(wèn)題，教師提前制作高質(zhì)量的教學(xué)課件，確保講解操作的準(zhǔn)確和規(guī)范，并明確教學(xué)內(nèi)容框架。精選適用的教學(xué)視頻，包括場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的原理和構(gòu)造、離子濺射鍍膜儀的原理和操作、樣品制備操作、掃描電鏡操作等。課前，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)體需求有選擇性地反復(fù)觀看教學(xué)視頻，結(jié)合掃描電鏡項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)，制訂個(gè)性化任務(wù)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)勢(shì)從被動(dòng)接收轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)學(xué)習(xí)。對(duì)于儀器結(jié)構(gòu)課程，通過(guò)多媒體技術(shù)、經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)課堂演示、虛擬與仿真等方式進(jìn)行授課。多媒體技術(shù)可以將電鏡內(nèi)部構(gòu)造等難懂部分整合制作成動(dòng)畫(huà)視頻，有助于學(xué)生鞏固掃描電鏡的基礎(chǔ)知識(shí)。經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)包括光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)、陰極射線管實(shí)驗(yàn)、法拉第籠實(shí)驗(yàn)等，直觀、生動(dòng)的演示過(guò)程有助于學(xué)生更好地理解抽象的掃描電鏡工作原理。對(duì)于前沿領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)，注重教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展同步，適當(dāng)引用相關(guān)前沿方向教學(xué)內(nèi)容，包括月壤樣品文獻(xiàn)閱讀、三星堆考古文獻(xiàn)閱讀、雙碳文獻(xiàn)閱讀等。指導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，增進(jìn)學(xué)生對(duì)于科研熱點(diǎn)的了解。此外，課堂教學(xué)中適時(shí)地實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制有利于構(gòu)建高效課堂，增進(jìn)師生互動(dòng)，有效地提高學(xué)生的參與程度、學(xué)習(xí)效果、課堂氛圍等。改革后的措施豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓寬了知識(shí)背景，深化了對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告不夠完善的問(wèn)題，加入實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作指導(dǎo)環(huán)節(jié)，教師向?qū)W生詳細(xì)解釋實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生引入圖表、圖像等更直觀的呈現(xiàn)方式，同時(shí)提供實(shí)例讓學(xué)生參考，以提高實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完善度。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫強(qiáng)調(diào)真實(shí)性和獨(dú)立性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可增加一些變量或改變操作步驟。此外，實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)源于生活和專業(yè)，如粉體樣品、薄膜樣品、塊體樣品、生物樣品以及日常生活物品（昆蟲(chóng)、毛發(fā)、花蕊等），展示不導(dǎo)電樣品在噴鍍導(dǎo)電涂層前后的形貌效果對(duì)比、不耐輻照樣品在電子束照射前后的形貌對(duì)比，以及不同電壓下的形貌對(duì)比等，確保每個(gè)學(xué)生都能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作和記錄。鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的問(wèn)題進(jìn)行深入討論，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解。可采用反復(fù)檢查的方式，確保學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)際操作情況相符。對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作安排，重新評(píng)估實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間分配，確保學(xué)生有足夠的時(shí)間深入實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，助教全程參與輔助小組合作，確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠熟練掌握操作技能。另外，探索采用預(yù)習(xí)材料或在線學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)前更好地準(zhǔn)備，提高實(shí)驗(yàn)效率。

3.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的實(shí)踐報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（20%），包括文獻(xiàn)查閱總結(jié)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案制訂；實(shí)驗(yàn)操作（30%），包括樣品制備和上機(jī)操作的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；實(shí)驗(yàn)記錄（20%），主要指實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的步驟和觀察現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%），包括數(shù)據(jù)處理與結(jié)果討論。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，2-4 名學(xué)生組團(tuán)與指導(dǎo)教師和助理學(xué)生具體討論，有助于教師了解學(xué)生準(zhǔn)備情況，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。實(shí)驗(yàn)操作階段，助理學(xué)生和課題團(tuán)隊(duì)教師全程參與，學(xué)生按照課堂筆記中的掃描電鏡基本原理、操作步驟和注意事項(xiàng)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)記錄階段，學(xué)生參照科研文獻(xiàn)格式，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生科研記錄能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告階段，學(xué)生參照科研文獻(xiàn)，給出實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，同時(shí)與指導(dǎo)教師討論，提出存在的問(wèn)題和改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)操作由學(xué)生自主選題，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師助教指導(dǎo)和小組討論等多種形式相結(jié)合，打破“指導(dǎo)教師詳解實(shí)驗(yàn)操作+學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果”的輸入輸出教學(xué)方式，要求指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)查閱科研文獻(xiàn)，撰寫具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，按照既定的計(jì)劃進(jìn)行上機(jī)操作，對(duì)實(shí)踐操作中復(fù)雜的工程問(wèn)題進(jìn)行討論、比較和總結(jié)。通過(guò)上述課程教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，建立扎實(shí)的學(xué)科知識(shí)體系。

上述培養(yǎng)方案是掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的目標(biāo)，通過(guò)“基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備-實(shí)踐操作訓(xùn)練-科研報(bào)告輸出”的教學(xué)流程，綜合鍛煉學(xué)生用儀器、看數(shù)據(jù)、讀文獻(xiàn)、做分析、寫報(bào)告的技能，為學(xué)生提供理論、實(shí)踐的綜合平臺(tái)，展示高校專業(yè)培養(yǎng)的特色，同時(shí)體現(xiàn)當(dāng)前社會(huì)科技發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)。這樣不僅能夠鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，提高其自主學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)意識(shí)，培養(yǎng)其綜合專業(yè)水平和科研創(chuàng)新意識(shí)，而且使大型精密儀器的教學(xué)體系與時(shí)俱進(jìn)，保證教學(xué)效果。教學(xué)改革措施效果明顯，部分學(xué)生主動(dòng)參與教師的研究小組，申報(bào)國(guó)家級(jí)和省級(jí)本科生創(chuàng)新項(xiàng)目，實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)成效顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

大型精密儀器實(shí)驗(yàn)課程的改革，強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的互動(dòng)性與學(xué)生的主體性，依據(jù)基礎(chǔ)理論內(nèi)容建設(shè)思政教育內(nèi)涵，根據(jù)前沿科技成果完善實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，并通過(guò)前期課程內(nèi)容建設(shè)、課堂教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)、課后教學(xué)效果總結(jié)，構(gòu)建掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程高效教學(xué)模式，培養(yǎng)符合“雙一流”本科教學(xué)培養(yǎng)戰(zhàn)略思想的綜合型人才。