材料分析測試方法中透射電鏡部分的教學思考與創(chuàng)新

杜 岳

(湖北師范大學 先進材料研究院，湖北 黃石 435002)

0 引言

材料作為二十一世紀三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，材料研究與我們?nèi)粘Ｉ钆c科技革新緊密相關(guān)。而材料分析測試方法則是解鎖材料研究“四要素”(即性能、組成、合成加工與結(jié)構(gòu))之間復雜關(guān)系最有效的手段。透射電鏡作為打開材料微觀世界大門的重要手段，一直是材料分析測試方法課程教學中重要的一環(huán)。然而在實際教學過程中，透射電鏡涉及到復雜的空間轉(zhuǎn)換和抽象思維，具有較大的學習難度。特別是在講解透射電鏡電子衍射內(nèi)容時，涉及到倒易點陣、Ewald圖解、正空間-倒空間轉(zhuǎn)化等概念時，學生因缺乏空間抽象與晶體學基礎(chǔ)等原因，常難以達到理想的教學效果。近年來，透射電子顯微鏡技術(shù)蓬勃發(fā)展，冷凍電鏡和球差電鏡在生物、物理、材料科學等領(lǐng)域的應(yīng)用嶄露頭角，大大推進了科學研究的進程。因此，有必要對《材料分析測試方法》課程TEM部分教學內(nèi)容進行更新，介紹專業(yè)發(fā)展前沿，適應(yīng)時代的發(fā)展需求。本文將從TEM部分教學特點出發(fā)，從TEM教學內(nèi)容和教學方法兩方面思考上述問題，分享近年來該課程的教學經(jīng)驗與課程創(chuàng)新。

1 透射電鏡部分教學特征

透射電鏡部分教學內(nèi)容兼具實踐性和學術(shù)性，盡管通過實驗教學可使學生更加直觀地學習TEM儀器組成與構(gòu)造，掌握分析測試原理，將課堂上的理論知識與測試實踐相結(jié)合。然而，TEM設(shè)備的價格不菲，其采購價格在幾百萬到上千萬元。由于學校硬件條件的限制，TEM部分的教學常難以做到理論與實踐相結(jié)合。在部分有實踐條件的高校TEM實驗教學過程中，大多為操作演示與講授為主。在有限的時間內(nèi)，學生們僅能加深一下儀器組成和操作方法的印象，并不能起到提升其綜合實驗?zāi)芰εc思維方法的作用[1]。

此外，TEM部分教學內(nèi)容學科交叉屬性明顯，涉及光學、電磁學、晶體學等知識，諸多理論公式、抽象概念和空間思維相交織，使學生難以完全掌握。例如：試樣-倒易空間-顯微像間的傅里葉變換，倒易點陣的空間抽象、相位襯度相和電子衍射圖譜標定等知識要點，信息量龐大且需要空間思維能力，這使得部分基礎(chǔ)不夠扎實的學生難以理解，從而導致了消極學習的情緒[2]。

2 透射電鏡教學內(nèi)容的思考與創(chuàng)新

2.1 抓緊課程教學的主線內(nèi)容

透射電鏡教學內(nèi)容主要有TEM結(jié)構(gòu)與組成、TEM襯度原理和粉晶電子衍射原理、TEM單晶電子衍射等，在《材料分析測試》課程中處于重要位置?！俺猩稀睂庸鈱W顯微分析和掃描電子顯微分析。TEM儀器結(jié)構(gòu)組成與掃描電鏡類似，與光學顯微鏡同樣基于阿貝成像原理。因此，在實際授課過程中，應(yīng)強調(diào)三類顯微儀器結(jié)構(gòu)與原理的歸納，加強教學主線聯(lián)系，從而加深學生對人眼→光學顯微鏡→掃描電子顯微鏡→TEM內(nèi)容的理解。

而TEM教學內(nèi)容“啟下”對接x射線衍射分析則相對復雜，容易引起教學主線的混亂。這是因為TEM不僅是一種微觀形貌分析儀器，其相位襯度相和電子衍射結(jié)果攜帶著大量的材料晶體結(jié)構(gòu)信息，可與x射線衍射分析結(jié)果相互印證。然而，晶體學基礎(chǔ)和晶體衍射分析屬于x射線衍射分析部分授課重點。先進行TEM電子衍射部分內(nèi)容的授課的話，學生常會因缺乏晶體學基礎(chǔ)和晶體衍射分析能力，在學習過程中易由于難度過大，失去興趣。但是，調(diào)轉(zhuǎn)授課順序容易造成學生對剛剛學習掃描電子顯微鏡內(nèi)容的割裂。因此在進行TEM電子衍射部分授課時，應(yīng)注意圍繞微觀粒子的波粒二象性→x射線衍射與電子衍射區(qū)別→TEM相位襯度相與x射線衍射結(jié)果的聯(lián)系與區(qū)別→電子衍射花樣分析的主線進行內(nèi)容設(shè)置，有效提高TEM部分與教學主線內(nèi)容的連貫性。例如：通過圖示講解x射線衍射與電子衍射的區(qū)別與聯(lián)系后，學生們對x射線衍射分析的特點與重要性有了具體概念。在“翻轉(zhuǎn)課堂”的匯報時，部分學生對文獻中TEM電子衍射結(jié)果和x射線衍射分析表征圖譜進行了相互印證的分析，加深對材料分析測試技術(shù)的了解。又如在進行x射線衍射分析授課和x射線單晶衍射儀與勞厄衍射講解時，學生能夠輕易理解儀器原理和單晶x射線衍射圖譜的標定。通過上述改革，增強了學生學習積極性，收到了良好的教學效果。

2.2 實踐教學與突破難點

選擇恰當?shù)慕虒W案例，不僅有利于實現(xiàn)TEM教學內(nèi)容的可視化，加強教學實踐性，而且方便對重難點內(nèi)容進行針對性的突破。例如進行質(zhì)-厚襯度、衍射襯度和相位襯度講解時，以氧化鋅納米顆粒相位襯度相為例，引入Ewald圖解解釋電子射線衍射形成倒易點陣成像的條件，解釋倒空間與正空間的轉(zhuǎn)換機制，加深學生們的空間思維能力。又如通過金的相位襯度相為例，經(jīng)過傅里葉變換得到晶面間距信息，并與金在倒易點陣的單晶衍射斑點圖像和x射線衍射結(jié)果計算所得的晶面間距進行對比，從而揭示相位襯度相、倒易點陣和x射線衍射分析之間的聯(lián)系。結(jié)合案例，學生不僅對試樣-倒易空間-顯微像間的傅里葉變換有了清晰的認知，又加強了其x射線衍射分析與TEM電子衍射分析間的聯(lián)系。為有效提升學生的實踐能力，結(jié)合本人研究課題。在課堂上以Digital micrograph軟件對實測的銳鈦礦TiO2透射電鏡相位襯度相和電子衍射數(shù)據(jù)進行晶格條紋測量、傅里葉變換、反變換、斑點過濾等操作，對倒空間與正空間的轉(zhuǎn)換操作進行展示，使學生更加直觀的掌握TEM中正空間-倒空間的轉(zhuǎn)換。進一步介紹單晶電子衍射圖譜的指標化方法，舉例利用四邊形法則進行單晶Cu的電子衍射花樣標定，通過介紹CaRIne Crystallography軟件的使用與界面介紹，課堂演示計算機軟件標定單晶花樣過程。教學案例的選取與TEM數(shù)據(jù)處理軟件輔助教學的創(chuàng)新，增強了本課程的實踐性，有效激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生們學好這門課的信心。

2.3 教學內(nèi)容與時俱進

透射電子顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用一直與材料科學前沿相伴。近年來，冷凍電鏡和球差電鏡的成功研制與應(yīng)用大大推進了材料科學發(fā)展的進程，TEM部分的授課內(nèi)容也應(yīng)及時更新。冷凍電鏡成像基于電鏡樣品制備，低劑量電子冷凍成像與三維重構(gòu)。教學過程中應(yīng)結(jié)合學科前沿，重點對冷凍電鏡制樣原理和三維重構(gòu)機制進行介紹，如：2017年崔屹教授在Science發(fā)文，冷凍電鏡可用于觀察敏感性電池材料和界面精細結(jié)構(gòu)[3]。而球差電鏡已在材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為觀察單原子成像與元素分析的利器[4]。教學時應(yīng)著重解釋TEM球差形成機制、球差矯正裝置原理和球差電鏡高分辨率的原因，介紹球差電鏡在能源、催化、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用前沿。在課程教學中，通過增加冷凍電鏡和球差電鏡的教學內(nèi)容，向?qū)W生們介紹了學術(shù)前沿，開拓了學生們的視野，收到了積極的反響。

3 透射電鏡教學方法的思考與創(chuàng)新

針對《材料分析測試方法》課程TEM部分的教學內(nèi)容，在實際授課過程中，為有效提升教學效率與課堂效果，我們還應(yīng)注意以下方法的運用：

3.1 多媒體教學與傳統(tǒng)教學方法相結(jié)合

根據(jù)課程的教學特點，在制作課件時應(yīng)注意引入多媒體動畫、視頻等手段，把一些基本概念與教學重難點整合進去，提高教學質(zhì)量。由于TEM部分涉及諸多抽象概念和物理過程，簡單的板書難以描述復雜的空間轉(zhuǎn)換過程。因此，利用動畫、視頻等方式將概念與物理過程具象化，反復播放，有利于加深學生印象，提高教學效果。例如：通過動畫案例描述電子束透過試樣(實空間)，經(jīng)過物鏡在后焦面形成衍射花樣(倒易空間)后最終在相平面形成顯微相(實空間)的過程，將抽象的光路過程具象化。又如通過視頻講解，展示球差電鏡中球差形成的原因與球差矯正原理，使學生對球差電鏡成像原理能夠直觀了解。與此同時，結(jié)合板書對關(guān)鍵的公式推導和概念進行講解分析，將零散的知識串聯(lián)起來，對每部分知識點都及時進行歸納總結(jié)。利用超星、雨課堂等在線平臺，在網(wǎng)絡(luò)上進行習題發(fā)布與答疑，針對重難點知識錄制課程放在網(wǎng)絡(luò)上供學生復習，將學習時間延伸到課堂后，提升教學效果。

3.2 知識體系的串聯(lián)

材料分析測試方法多種多樣，各類科學儀器令人眼花繚亂。其中含激發(fā)源的測試方法原理依賴于電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等與樣品相互作用而產(chǎn)生的信號。在講授TEM部分內(nèi)容時，應(yīng)注意將相關(guān)分析測試儀器內(nèi)容有機串聯(lián)。通過一個知識點將相關(guān)儀器設(shè)備串聯(lián)成體系，從而加深學生對課程教學內(nèi)容的宏觀認識。例如：TEM、掃描電子顯微鏡、電子探針、俄歇電子能譜等分析測試儀器均基于電子與樣品相互作用產(chǎn)生的物理信號(透射電子、二次電子、背散射電子、特征x射線、俄歇電子等)；而TEM的成像則基于阿貝成像原理，光路原理與普通光學顯微鏡一致。此外，需要重點強調(diào)x射線衍射與電子衍射圖譜的區(qū)別與聯(lián)系，有側(cè)重點的進行課堂講解，加強兩部分間的聯(lián)系：1)從基礎(chǔ)的微觀粒子的波粒二象性出發(fā)，比較x射線衍射與電子衍射的區(qū)別；2)強調(diào)TEM相位襯度相的晶面信息與x射線衍射結(jié)果之間的聯(lián)系；3)解釋晶帶、晶帶軸、Bravais格子和點群等晶體學概念，以便于學生理解電子衍射花樣，為x射線衍射分析奠定基礎(chǔ)。在本章內(nèi)容結(jié)束后，還應(yīng)引導學生進行知識系統(tǒng)的梳理，方便學生順利進入下章x射線衍射分析的教學。

3.3 “翻轉(zhuǎn)課堂”模式應(yīng)用于教學

應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)課堂”的模式，提高學生綜合分析的能力。TEM屬于最重要的材料表征手段之一，應(yīng)將科學研究融入教學過程，列舉特征文獻中TEM數(shù)據(jù)進行分析，學生進行分組討論，激發(fā)學習熱情[5]。在TEM部分課程接近尾聲時，教師通過搜集典型TEM文獻數(shù)據(jù)，如：多孔材料、單晶、多晶材料、復合材料等，指導學生分組，并對相關(guān)文獻進行分析與歸類，最終形成匯報PPT.在此過程中，教師可以對學生自主學習質(zhì)量和匯報表現(xiàn)進行評價。課堂上，學生與教師角色翻轉(zhuǎn)，學生分組進行PPT講解，教師對提問并考察學生知識點掌握程度，點評學生授課邏輯思維與表達能力，最后進行小組討論與答疑。授課完成后，同學們普遍表示“翻轉(zhuǎn)課堂”的模式，有利于加強自己的自主學習能力和同學間的團隊協(xié)作能力，諸多實例的講解更有利于自己對TEM教學內(nèi)容的掌握與吸收。

4 結(jié)論

在《材料分析測試方法》課程TEM部分教學實踐中，本人通過對該部分授課難點與課程特點進行分析，設(shè)置授課主線，加強了TEM教學內(nèi)容與課程教學主線的聯(lián)系。革新了TEM教學內(nèi)容，并對重難點問題進行案例教學與軟件輔助授課。授課過程中，借助多媒體動畫、視頻教學、知識點串聯(lián)和“翻轉(zhuǎn)課堂”的形式提升教學效果，激發(fā)了學生學習興趣，提高了學生的實踐能力與創(chuàng)新意識。通過上述透射電鏡教學內(nèi)容和教學方法等方面的改革，鞏固了學生對透射電子顯微分析的基本理論和實踐應(yīng)用的理解，使學生能夠根據(jù)所學內(nèi)容進行TEM數(shù)據(jù)的處理與分析，并為x射線衍射分析教學內(nèi)容的開展奠定了堅實基礎(chǔ)。

Reflection and innovation on the teaching of transmission electron microscope in materials analysis methods

DU Yue