透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學(xué)中的應(yīng)用及探索

＊樊紅櫻 陳娟 周俊 王赪胤

（揚州大學(xué) 測試中心 江蘇 225009）

引言

近年來，實踐教學(xué)已經(jīng)成為高等教育教學(xué)中的重要組成部分，對于學(xué)生綜合素質(zhì)、實踐能力、創(chuàng)新精神的提高有重要作用[1-3]。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)代分析技術(shù)也是日新月異。因科研需要，學(xué)校購置了大量先進(jìn)的大型分析測試儀器，這些大型儀器不僅成為高校教學(xué)科研工作必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是高校核心競爭力與學(xué)校綜合實力的體現(xiàn)，為高校開展科研和培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。但是，目前這些大型儀器主要服務(wù)于教師和研究生的課題項目研究，與本科生教學(xué)聯(lián)系不夠緊密。針對以上現(xiàn)狀，利用實驗課教學(xué)來拓展學(xué)校大型儀器設(shè)備的受益群體，并豐富和完善大型儀器設(shè)備在本科教育教學(xué)中的應(yīng)用，提高本科學(xué)生的實踐操作能力，為培養(yǎng)實踐型人才發(fā)揮自己最大的力量。

透射電子顯微鏡，簡稱透射電鏡，以波長極短的電子束作為光源，利用多級電磁透鏡進(jìn)行成像，是一種高放大倍數(shù)、高分辨率的電子光學(xué)儀器[4]。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到生物、農(nóng)林、醫(yī)學(xué)、納米材料、高分子材料等領(lǐng)域，已成為科研領(lǐng)域不可缺少的表征手段[5-8]。而現(xiàn)代測試分析技術(shù)相關(guān)課程中，透射電鏡也是理論講解和實驗技術(shù)中的重要組成部分。但因其設(shè)備本身比較昂貴，學(xué)校擁有臺套數(shù)較少，且維護(hù)和維修難度大且成本高，容錯程度低，導(dǎo)致實驗課的效果不佳。因此，利用先進(jìn)技術(shù)設(shè)計新的本科教學(xué)方案，提高透射電鏡實驗課的教學(xué)效率和教學(xué)效果，已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急必須要解決的問題。

1.透射電鏡在本科實驗教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

高校教育中的實驗教學(xué)是本科教學(xué)中的實踐性教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是連接理論學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用的橋梁，在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和獨立思考能力方面具有其他教學(xué)課程無法替代的作用[9-11]。而大型儀器相關(guān)本科實驗課程的開設(shè)，可以打通教學(xué)與科研之間的壁壘，激發(fā)學(xué)生對高精尖技術(shù)的興趣，提高專業(yè)知識的掌握度及鍛煉動手能力，同時也能有效發(fā)揮大型精密儀器在地方高校中的作用，是充分發(fā)揮教育資源效益的有效途徑。但是，由于各種因素的影響，鮮少有學(xué)校開展大型儀器相關(guān)的本科實驗教學(xué)課程，導(dǎo)致現(xiàn)階段大型儀器相關(guān)課程主要針對部分研究生開展。例如，大型儀器價格昂貴，維護(hù)和維修時間長費用高，對操作規(guī)范性要求嚴(yán)格，稍有不慎就會出現(xiàn)操作失誤引起長時間的機器調(diào)試，更嚴(yán)重的是出現(xiàn)設(shè)備損傷，會造成整個課程甚至是整個測試服務(wù)工作的延誤。因此，為了避免上述問題，實驗課程多采用老師講解及圖片展示的方式，讓學(xué)生了解操作的原理及操作全過程，并帶領(lǐng)學(xué)生去儀器操作室觀看老師的實際操作過程。這將嚴(yán)重影響學(xué)生動手操作能力、實踐能力、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)[12]。

揚州大學(xué)測試中心目前已開設(shè)《現(xiàn)代分析測試技術(shù)與儀器》和《儀器分析樣品處理與實驗操作技術(shù)》兩門課程，其中透射電子顯微鏡在其中占有很大比重，選課學(xué)生較多。透射電鏡是現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)分析儀器設(shè)備中使用頻率較高的儀器，但其價格昂貴、操作復(fù)雜、維護(hù)及維修費用昂貴，在實驗課過程中多以學(xué)生觀看老師演示的方式進(jìn)行，無法讓學(xué)生參與到實驗課的整個過程中。導(dǎo)致學(xué)生在實驗課中的收獲大打折扣，無法達(dá)到實驗課培養(yǎng)學(xué)生動手能力的目的，無法為培養(yǎng)動手能力佳的應(yīng)用人才提供強有力的支撐。綜上所述，大型儀器面向本科實驗教學(xué)開放是勢在必行的趨勢，因此本次探索中以本中心的共享大型儀器透射電子顯微鏡為基礎(chǔ)進(jìn)行本科實驗課程的設(shè)計，利用“虛實結(jié)合”“軟硬結(jié)合”和“線上線下結(jié)合”等多種方法建立教學(xué)方案，讓大型儀器的開放共享不僅可以為科研項目服務(wù)，還能為本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供幫助。

2.透射電鏡虛擬仿真軟件的搭建

學(xué)校為貫徹落實《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》、教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》等文件精神，持續(xù)加強我校實驗教學(xué)改革，豐富實驗教學(xué)資源，創(chuàng)新實驗教學(xué)手段，促進(jìn)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力提升，組織開展了揚州大學(xué)校級虛擬仿真實驗教學(xué)培育項目。而本次教學(xué)方案的設(shè)置所依托的生物電鏡虛擬仿真實驗教學(xué)項目得到了學(xué)校的支持。

生物電鏡虛擬仿真實驗教學(xué)項目的實驗軟件系統(tǒng)包括鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作模擬、練習(xí)題庫、作業(yè)和考試模塊等功能。已經(jīng)初步使用于有透射電鏡樣品測試需求的研究生的培養(yǎng)中。以此為基礎(chǔ)，探索建立電鏡虛擬仿真透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學(xué)中的應(yīng)用方案。

(1)閉環(huán)式實驗教學(xué)模式建設(shè)

通過調(diào)研學(xué)習(xí)其他高校透射電鏡實驗課的優(yōu)秀方案，了解其他高校大型儀器虛擬仿真實驗教學(xué)項目在本科教學(xué)中應(yīng)用的先進(jìn)案例，結(jié)合國家和學(xué)校對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實際要求，建立創(chuàng)新的閉環(huán)式教學(xué)模式[13-15]。跟學(xué)生緊密溝通，做到邊試驗邊總結(jié)邊改進(jìn)，隨時完善教學(xué)方案，打造與時俱進(jìn)的大型儀器實驗教學(xué)新方案，打造可廣泛推廣應(yīng)用的透射電子顯微鏡虛擬仿真項目在本科教學(xué)中應(yīng)用的新教案。

(2)透射電子顯微鏡虛擬仿真實驗軟件開發(fā)

以日立HT7800透射電鏡的虛擬仿真實驗項目為例描述該軟件建設(shè)情況。該軟件在試運行階段，初步嘗試用于有透射電鏡測試需求的研究生，提高他們對透射電鏡的自主操作能力。全過程通過實景操作模擬，進(jìn)行沉浸式教學(xué)，讓學(xué)生完全理解并熟練掌握所有的操作環(huán)節(jié)。

虛擬仿真實驗步驟描述了透射電鏡從鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解到電鏡開關(guān)機及樣品測試的全過程。

軟件主要操作步驟如下：

①登錄網(wǎng)站，進(jìn)入虛擬教學(xué)；登錄虛擬仿真平臺（輸入學(xué)生賬號，密碼）（圖1-A）。

②了解電鏡的結(jié)構(gòu)原理，了解透射電鏡的操作步驟（圖1-B）。

③打開鏡筒電源開關(guān)和電腦主機開關(guān)（圖1-C）。

④打開模擬的HT7800操作軟件并加電壓、燈絲電壓和電子束準(zhǔn)備測樣（圖1-D）。

⑤拔出樣品桿上樣品，然后完成進(jìn)樣（圖1-E，圖1-F，圖1-G）。

⑥在軟件窗口進(jìn)行樣品測試過程，其中包括：全景導(dǎo)航圖的調(diào)用、光闌調(diào)整、樣品大小縮放、亮度調(diào)整、樣品聚焦和主相機窗口拍照等全過程（圖1-H，圖1-I）。

⑦取出樣品，將空樣品桿裝入進(jìn)樣倉，關(guān)掉高壓，關(guān)閉操作軟件，關(guān)閉電腦，完成拍攝的全過程。

3.透射電子顯微鏡實驗技術(shù)教學(xué)體系建立

以測試中心為依托，基于已開發(fā)的透射電鏡室及虛擬仿真實驗軟件，構(gòu)建“透射實驗室-虛擬仿真實驗室”的虛實相結(jié)合的實驗教學(xué)平臺。將理論和實踐相結(jié)合，將線上線下虛擬實驗和實體實驗相結(jié)合，可以拓展透射電鏡實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實驗教學(xué)的時間和空間、優(yōu)化實驗教學(xué)的結(jié)構(gòu)和模式、提升實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。打破傳統(tǒng)的大型儀器實驗課中老師操作學(xué)生觀看的教學(xué)方式，實現(xiàn)教學(xué)方法的多樣化，讓學(xué)習(xí)者通過更多的平臺和更豐富的學(xué)習(xí)方式，完成課程的學(xué)習(xí)。依據(jù)不同類型學(xué)生的需求差異進(jìn)行個性化培養(yǎng)，提升學(xué)生的自主能動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

本教學(xué)體系建立主要通過線上線下和軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行。秉承“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的教學(xué)原則，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，提升大型儀器在本科教學(xué)中的效果，提高應(yīng)用型人才的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。教學(xué)體系建立主要內(nèi)容如下：

充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺完成進(jìn)行實驗教學(xué)。將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗深度結(jié)合。學(xué)生課前可以登錄實驗平臺進(jìn)行預(yù)習(xí)，實驗過程中可線上與老師及同學(xué)交流，即“先自學(xué)課程，后反饋交流”充分發(fā)揮學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生從“要我學(xué)什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔蚁雽W(xué)什么”，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，加強其對相關(guān)知識的理解。虛實結(jié)合，讓更多的學(xué)生有機會更早的接觸到大型儀器的操作，為以后的科研開展和工作實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

通過軟硬件結(jié)合的模式，搭建虛擬仿真室和透射電鏡室相結(jié)合，讓學(xué)生在課時內(nèi)依靠任課老師的講解通過虛擬仿真的方式熟悉操作過程和注意事項，并通過相關(guān)考核后，方可進(jìn)行實際的上機操作。首先，保證有操作需求并具備一定動手操作能力的學(xué)生可以在透射電鏡室進(jìn)行上機操作，既能保障學(xué)生使用電鏡的自身安全性，也能大大降低電鏡操作過程中因操作不當(dāng)帶來的重大損傷的概率。其次，可以將本系統(tǒng)搭載在測試中心官網(wǎng)上，讓學(xué)生在課前對所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前熟悉本次實驗課程的操作內(nèi)容，減少上課過程中的軟件練習(xí)時間，增加有限課時內(nèi)的上機操作時間。保證每個學(xué)生有足夠的時間完成上機操作的實驗過程，完成從原來的老師演示、學(xué)生觀看到現(xiàn)在的學(xué)生自主操作的轉(zhuǎn)變。

軟件中設(shè)計理論學(xué)習(xí)、樣品準(zhǔn)備、操作練習(xí)模式、理論和操作考核模式、操作考核、實驗報告等多種模塊，讓學(xué)生了解電子顯微鏡的基本構(gòu)造和原理、樣品前處理過程，初步了解電子顯微鏡的基本操作過程。學(xué)生可以提前完成理論學(xué)習(xí)，以便后續(xù)實驗課上課過程中更好的理解課程的內(nèi)容，以及加深對操作過程的理解程度。樣品制備過程是透射電子顯微鏡拍攝的重要環(huán)節(jié)，好的樣品制備是好的拍攝結(jié)果的必要條件，引導(dǎo)學(xué)生了解樣品前處理的過程是透射電鏡實驗課程的重要環(huán)節(jié)，但是往往由于實驗課時有限，在實驗課程的過程中無法保證學(xué)生可以自主完成樣品處理的過程。讓學(xué)生在軟件中不限時不限次的進(jìn)行操作練習(xí)，在完成理論和操作考核任務(wù)后，方可進(jìn)行電鏡的上機操作。記錄學(xué)生的操作全過程，在課程結(jié)束后，老師可以根據(jù)上課過程中師生互動情況、線上線下的交流情況、試題和操作的考核成績，以及實體操作的情況綜合進(jìn)行評估，從而為每個學(xué)生提供全面的操作技能評價。

4.結(jié)論

利用已有的虛擬仿真實驗軟件資源建立全方位管理實驗教學(xué)全過程的實驗平臺，可以有效利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，提高本科教學(xué)的效果。有利于通過在線記錄學(xué)生實驗過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以全面分析客觀解析教學(xué)效果，從而充分掌握學(xué)生在實驗教學(xué)課程中的參與情況及其對各個環(huán)節(jié)的感受，為實驗教學(xué)的評估和教學(xué)改革提供詳實的數(shù)據(jù)支撐，為學(xué)校本科實驗教學(xué)的改革提供依據(jù)，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供更好的培養(yǎng)方案。