掃描電鏡在航空類專業(yè)實驗教學中的探索與實踐

張霜銀 湯志荔 索濤

摘? 要：文章闡述了掃描電鏡在航空類專業(yè)實驗教學中的必要性，并針對目前實驗教學現(xiàn)狀和存在的問題，結(jié)合學科專業(yè)方向，對“飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度綜合實驗”課程中涉及的掃描電鏡實驗內(nèi)容進行了探索和實踐。通過優(yōu)化教學內(nèi)容，調(diào)整教學方案，初步總結(jié)出掃描電鏡實驗教學過程中的側(cè)重點以及增加教學有效性和實用性的方法，獲得了比較理想的教學效果。

關(guān)鍵詞：實驗教學;掃描電鏡;教學改革

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）35-0029-04

Abstract： This paper expounds the necessity of SEM in the experimental teaching of aviation specialty， and in view of the current experimental teaching situation and existing problems， combined with the discipline direction， explores and practices the SEM experimental course involved in the course of "comprehensive experiment of aircraft structure design and strength". By improving the teaching methods and experimental teaching means， optimizing the teaching content， adjusting the teaching plan， the author preliminarily sums up the key points in the teaching process of Scanning Electron Microscope and how to increase the teaching effectiveness and practicability， and achieves ideal teaching effects.

Keywords： experimental teaching; Scanning Electron Microscope; teaching reform

材料的宏細微觀本構(gòu)理論與破壞過程是現(xiàn)階段固體力學領(lǐng)域的研究熱點，對于材料與結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境加載條件（如高溫、高應(yīng)變率）下的工程技術(shù)問題，單純用力學實驗的方法來直接測定材料的力學性能已遠遠不能解決此類問題，迫切需要從微觀尺度來闡明其斷裂和破壞機理。掃描電子顯微鏡（SEM）是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌展開觀察和分析，SEM與能譜（EDS）組合可以進行成分分析，與電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）結(jié)合，可以對材料的晶體結(jié)構(gòu)、織構(gòu)、位向等進行分析[1]。由于之前航空類專業(yè)未開設(shè)相關(guān)課程，導致學生畢業(yè)走向工作崗位或繼續(xù)深造過程中，在遇到與材料微觀分析相關(guān)的課題時缺乏理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。

隨著學科發(fā)展的需求，材料及結(jié)構(gòu)的微觀分析作為一種越來越普及和常用的研究手段，在飛行器設(shè)計與工程專業(yè)本科生及固體力學專業(yè)研究生教學中受到重視。2016年開始，學院開設(shè)了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度綜合實驗課程，將“掃描電鏡微觀分析技術(shù)”納入實驗教學范疇，面向即將畢業(yè)的學生及部分研究生授課。論文以課程中開設(shè)的內(nèi)容之一“材料的微觀測試技術(shù)實驗”為對象，探討利用掃描電子顯微鏡進行材料及結(jié)構(gòu)的形貌觀察、斷口分析、顯微組織及物相分析的教學過程中，如何進行教學內(nèi)容優(yōu)化，教學方法改進，使實驗更具針對性、實用性，進而提高實驗教學效果，使學生具備運用掃描電鏡從事微觀組織與結(jié)構(gòu)的分析能力。

一、實驗教學現(xiàn)狀

我校航空學院購置有一臺德國蔡司公司的Zeiss Supra55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，運行成本較高，主要用于大量科研測試任務(wù)。因掃描電鏡屬于大型精密貴重儀器，且臺套數(shù)少，在本科教學過程中不可能讓學生單獨操作設(shè)備;另外，如果由于操作不當造成儀器故障或損壞，其維修費用較高、維修周期長，對學院的教學和科研都有巨大的影響。教學大綱要求學生不僅要掌握儀器的原理，更要具備基本的實驗技能，然而電鏡儀器教學資源有限、嚴格的操作條件以及誤操作增加的風險因素限制了學生的動手能力和操作技能的培養(yǎng)[2]。因而在實驗教學課堂上，既要充分利用有限的教學資源，又要設(shè)置有針對性的教學內(nèi)容，使學生掌握相關(guān)的理論知識的同時又能切實地提高實驗技能成為該課程改革的目標。

二、改進實驗教學方法

（一）突出學科方向，以專業(yè)需求為導向

電鏡基本知識內(nèi)容涉及面較寬，對航空類專業(yè)的學生來說比較生疏，若術(shù)語概念不清就會對這門課程缺乏興趣。首先要求學生先通過網(wǎng)上資源知曉儀器的基本原理，其次要求老師在講述電鏡原理的時候注重邏輯性。例如，掃描電鏡是由電子光學系統(tǒng)，信號探測處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)三部分組成，各部分功能各異但是相互關(guān)聯(lián)，講解時采用與光學顯微鏡對比方式：電鏡成像首先需要高能聚焦電子束掃描樣品表面，那么就要有一個電子束的發(fā)射裝置——電子槍，此時引出電子槍的結(jié)構(gòu)和原理;接著，電子束發(fā)射后束斑需要聚焦透像，則必須通過一系列電磁透鏡來控制束斑，進而講述透鏡的名稱、特點和功能;又因電子束所經(jīng)過的整個路徑必須清潔且有較高的真空度，故必須配備有高真空系統(tǒng)。

課程根據(jù)本學科專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，實驗內(nèi)容設(shè)置力求貼近航空，解決問題力求結(jié)合工程實際，在實驗課的理論教學中突出學科方向，著重講述與疲勞斷裂及動態(tài)破壞失效微觀分析相關(guān)的理論知識。對掃描電鏡原理、功能及操作方法進行有選擇性地介紹及實踐，讓學生參與掃描電鏡的操作和測試，并引導學生選擇相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計課題。

（二）結(jié)合多媒體手段開展實驗教學

掃描電鏡教學中需要展示大量的圖片及視頻，因此要求教師將多媒體教學與本課程特點緊密結(jié)合。在課堂教學過程中發(fā)現(xiàn)，在本課程第一節(jié)的教學中，利用網(wǎng)絡(luò)資源和教學科研實踐中所獲得的圖片及視頻，充分激發(fā)了學生對本課程和相關(guān)科研方向的興趣。比如，掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)光學系統(tǒng)和信號探測系統(tǒng)，電子束聚焦光路原理，電子束與樣品相互作用以及各種物理信號的產(chǎn)生等工作原理都相當難理解[3-4]，采用PPT中圖示及動畫形式展示給學生，并對照儀器講解其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、部件和功能等。學生從專業(yè)角度大量辨認電子圖像、熟悉各種材料的金相組織和斷口形貌，例如，將韌性斷裂的韌窩、脆性斷裂的解理面、河流花樣、典型的準靜態(tài)、動態(tài)、沖擊和疲勞斷口的宏觀及微觀數(shù)字化圖像、工程中的失效分析圖片等，既活躍了課堂氣氛，又保證了較好的教學效果。

三、優(yōu)化實驗教學內(nèi)容

（一）實驗教學方案調(diào)整

材料與結(jié)構(gòu)的微觀分析技術(shù)在整個課程中占4個學時，教學內(nèi)容涉及原理及實踐兩大部分，教學團隊針對學科專業(yè)方向編寫了新的實驗大綱和教學指導書。確定實驗目標為：（1）了解掃描電子顯微鏡的工作原理、構(gòu)造及功能;（2）掌握影響掃描電鏡圖像質(zhì)量的主要參數(shù)的調(diào)整方法，能按流程規(guī)范操作;（3）掌握電鏡試樣制備步驟及注意事項;（4）能對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

（二）教學內(nèi)容和要求

教學環(huán)節(jié)采用先理論后實踐的教學程序，即先采用板書加PPT的形式進行分辨率原理、電子光學原理、成像原理等內(nèi)容的課堂教學[5-6];再對學生進行分組，對照設(shè)備進行儀器結(jié)構(gòu)、部件、功能及軟件操作等內(nèi)容的講解;最后指導學生完成從裝卸樣品到采集出清晰圖像的所有步驟，小組學生按時間段進行上機操作。表1所示為具體的教學內(nèi)容和學時安排。

為提高學生對教學內(nèi)容的興趣，達到實驗效果，在實驗材料的選擇上要與專業(yè)背景相結(jié)合。一是選擇的實驗材料有代表性。比如選用低碳鋼和鑄鐵的拉伸斷口進行觀察，分別可以得到韌性斷裂的韌窩形貌和脆性斷口的解理形貌，對比性強，同時使學生認識材料的力學性能與微觀組織之間的關(guān)系。二是選擇微觀結(jié)構(gòu)及金相組織特征比較明顯且直觀的材料。比如實驗樣品選用低碳鋼、銅合金、鎂合金三種材料，可以讓學生對比合金的相組成、晶粒尺度、第二相形態(tài)及成分等信息，將測試結(jié)果分析完成在實驗報告中。圖1所示為學生拍攝的三種材料的金相組織和微區(qū)成分結(jié)果。

四、實驗課程與科研緊密結(jié)合

大部分研究生選修掃描電鏡課程的目的是為今后的科研課題工作奠定基礎(chǔ)，教學團隊根據(jù)需求將課程內(nèi)容與科研緊密結(jié)合，利用案例教學優(yōu)勢，引入了最新的科研成果介紹給學生。圖2a為學生拍攝的鈦合金高應(yīng)變率加載下絕熱剪切帶的形貌照片，通過介紹圖片引出該問題的研究背景：絕熱剪切帶是韌性材料最重要的變形和失效機制之一，廣泛存在于航空航天、武器彈藥等各類動態(tài)加載條件下，絕熱剪切帶的出現(xiàn)往往是斷裂的先兆，有重要的研究意義[7]。圖2b是韌性材料動態(tài)壓縮的斷口韌窩形貌，此外實驗還涉及了復合材料拉伸斷口形貌（圖2c）及原位拉伸實驗觀察到的鈦合金滑移帶和裂紋（圖2d）。這些極端環(huán)境和條件下的材料力學行為和微觀組織研究都是航空類專業(yè)固體力學領(lǐng)域最前沿的研究方向。此外從圖2可以看出，大量的準靜態(tài)、動態(tài)、疲勞斷裂問題及其機理都可以通過掃描電鏡微觀角度分析其機理，達到預判或定性的目的。

五、結(jié)束語

本文針對掃描電鏡實驗教學過程中存在的教學方式單一、教學手段落后、教學效果不理想等現(xiàn)狀和問題，提出了既能使學生掌握相關(guān)的理論知識，又能切實地提高實驗技能的教學方法和手段，提高了教學效果，切實培養(yǎng)了學生的實踐能力。

參考文獻：

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