掃描電子顯微鏡實驗教學模式探討

李陽陽，席俊華

(杭州電子科技大學 材料與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡，SEM)因其分辨率高、聚焦景深大、制樣方便、不破壞樣品等特點已經(jīng)成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的強有力手段之一，除了斷口形貌觀察、顯微組織觀察等主要應(yīng)用，掃描電鏡還可搭配能量分散譜儀(能譜儀，EDS)實現(xiàn)微區(qū)化學成分分析[1]。掃描電鏡強大的功能使其在材料研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。隨著科技發(fā)展和經(jīng)濟實力的提高，掃描電鏡已經(jīng)慢慢應(yīng)用到高校研究生和本科生的實驗教學中[2]。杭州電子科技大學材料科學與環(huán)境工程學院也將掃描電鏡作為基本的材料測試方法之一納入到本科實驗教學中，但是由于掃描電鏡的特殊性，在教學中存在不少問題。本文通過分析本科實驗教學掃描電鏡的教學現(xiàn)狀，探討了"理論教學-實驗教學-課后培訓"相結(jié)合的教學模式，以期提高教學效果。

1 掃描電鏡在本科教學中存在的問題

掃描電鏡作為大型儀器，由于資源有限，價格昂貴，需要專人操作專人維護，用于本科教學時無法做到像其他實驗課一樣每人一臺設(shè)備或幾個人一臺設(shè)備，上課的時候往往是十幾甚至幾十個人聚在一起，無法滿足實驗課小組操作的要求，大多時候在整個實驗過程中學生只能看著老師示范操作，并沒有親自操作儀器的機會或者上機操作的時間很短。因為儀器設(shè)備的這種特殊性，導致了該類以大型儀器設(shè)備為介質(zhì)的實驗課的授課形式只能以教師演示為主[3]，大大降低了學生參與度。實驗教學是高等院校培養(yǎng)學生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，提高學生參與度是優(yōu)化實驗教學的主要手段之一，參與度高的實驗形式有利于學生養(yǎng)成規(guī)范的實驗操作習慣，有利于培養(yǎng)學生的自主實驗能力[4]。這種以教師演示為主的實驗課，在上課過程中學生以看為主，并不能很好地參與到實踐中，這容易導致學生對掃描電鏡的認識只能停留在感性認知的層面，仍然會覺得儀器很神秘，并且不利于學生加強對理論知識的理解，容易出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

本學院的掃描電鏡本科教學的授課計劃中設(shè)置了8個學時的理論教學和8個學時的實驗教學，聽課學生數(shù)為30人左右。由此可見，授課課時數(shù)相對較少，而學生數(shù)又多，這就導致了學生上機的時間更少，極大地限制了學生的學習主動性，不利于學生主觀能動性的發(fā)揮和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并且也降低了掃描電鏡的使用率。

2 “理論教學-實驗教學-課后培訓”相結(jié)合的教學模式的建立

針對掃描電鏡在實驗教學中存在的問題，杭州電子科技大學材料科學與環(huán)境工程學院采用了“理論教學-實驗教學-課后培訓”相結(jié)合的教學模式，首先通過基礎(chǔ)理論的學習，讓學生對掃描電鏡和能譜儀有基本的認識；再通過實驗教學，讓學生實實在在地接觸儀器，并對儀器構(gòu)造和使用方法有一定的了解；最后通過操作培訓，讓學生更加熟悉儀器使用，并真正參與樣品測試?！袄碚摻虒W-實驗教學-課后培訓”相結(jié)合的教學模式讓學生有更多的機會接觸掃描電鏡，并給學生創(chuàng)造機會參與到實際樣品測試中，為其他老師和學生提供測試服務(wù)，更好地做到理論與實踐相結(jié)合。

2.1 理論教學

通過課堂講授的方式，任課老師向?qū)W生講述掃描電子顯微鏡(SEM)工作原理及構(gòu)造，電子束的產(chǎn)生，掃描電鏡的像襯原理，能量分散譜儀(EDS)，電鏡樣品的制樣及掃描電鏡和能譜儀的應(yīng)用等理論知識，讓學生對掃描電子顯微鏡分析方法有一定的認識，培養(yǎng)學生學習掃描電鏡的興趣，為之后的實驗教學奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.2 實驗教學

掃描電鏡實驗課由于儀器限制，大型儀器一般只有一臺，每個學生親自操作儀器的時間非常有限，一般采用教師講授、教師操作結(jié)合指導學生操作的講課方式，教師通過邊操作邊講授的形式詳細講解儀器設(shè)備的工作原理、樣品制備及操作流程，在觀察過教師的操作示范后，學生在教師指導下，逐一使用掃描電子顯微鏡對樣品進行形貌觀察，元素分析，在操作過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。實驗課后，學生大致了解了如何使用掃描電鏡。

2.3 操作培訓

由于實驗課堂上，一個學生接觸掃描電鏡的時間只有十來分鐘甚至幾分鐘，遠遠達不到對儀器熟悉的程度，往往課一上完就什么都不記得了，為了進一步鍛煉學生對掃描電鏡的操作，進一步推廣掃描電鏡在學院乃至學校層面的廣泛應(yīng)用，我們學院特地開設(shè)了大型儀器設(shè)備的課外培訓，培訓以學生自愿參加、學院提供學習機會和鼓勵學生積極參加為原則展開，學生根據(jù)自己興趣，選擇相應(yīng)的大型儀器設(shè)備進行報名，培訓老師根據(jù)報名情況安排培訓時間。

最初的掃描電鏡培訓課程以培訓老師提供的測試材料為觀察目標，學生通過觀摩再次復習實驗課堂內(nèi)容，之后，在培訓老師的指導下，根據(jù)要求進行反復測試，直到熟練操作儀器設(shè)備。

最后，安排培訓合格的學生給需要做電鏡測試的教師或者企業(yè)進行樣品表面形貌掃描和元素分析，在實踐過程中往往會遇到很多既定課程無法預料的問題，再根據(jù)具體問題具體分析，讓學生對掃描電子顯微鏡有了進一步的了解及熟悉，學生對大型儀器設(shè)備的認識也不會只局限于課本或者實驗課老師的操作中。

3 教學效果

“理論教學-實驗教學-課后培訓”相結(jié)合的教學模式實施兩年以來，有不少學生積極主動地參加了操作培訓，在規(guī)定的課程學習后更深入地學習儀器操作。這樣的學習方式提高了學生的學習興趣和熱情，調(diào)動了學生的積極性和主動性，培養(yǎng)了學生遇到問題解決問題的能力。經(jīng)過培訓的學生基本能熟練地使用掃描電鏡，不但為自己今后的科研道路打下了堅實的基礎(chǔ)，還能為教師和企業(yè)提供測試服務(wù)和技術(shù)支持，真正做到了理論與實踐相結(jié)合，將所學到的理論知識運用到解決實際問題中。

“理論教學-實驗教學-課后培訓”相結(jié)合的教學模式的運用取得了一定的教學效果，但是由于課后培訓是以學生自愿參加的形式展開的，而且由于教學工作量的繁大，該教學模式在今后的實驗教學中有待于更進一步推廣。