扫描电镜实验课程教学模式探索

张 毅，欧阳静，杨 阳

（中南大学资源加工与生物工程学院 湖南 长沙 410083）

扫描电镜是电子显微技术领域不可或缺的检测工具，属于科研和教学中高度依赖的大型精密仪器，在材料、化工、生物、医学等领域有着重要地位[1-3]。本文基于扫描电镜实验课程的教学改革，兼顾课程的科学性、趣味性、针对性、实效性，增强理论教学与实践教学的结合，始终体现学生的主体地位。运用现代教育技术提高课堂教学效率，引导学生主动参与课程教学的各个阶段，在有效学时内讲授扫描电镜技术的发展、基本结构与工作原理、样品制备与电镜观察、图像处理与信息解读、技术难点与前沿应用等内容。同时，建立多种信息交互途径，设计有效的研学问题引领小组合作，设置研究生助教全程参与实践操作，探索“导学、自学、助学”的模式与变式[4-5]。

1 扫描电镜实验课程设置对于人才培养的作用

大型精密仪器在教学科研中发挥着重要作用，是培养人才的重要保障。结合大型精密仪器开设的新型实验教学课程，注重基础知识和实验技能的融合，强调学生对前沿科技的零距离接触，将大型精密仪器打造成学生自主学习、独立探索、深度观察、科研创新的重要平台。扫描电镜实验课程教学讲授了仪器的基本结构、运行原理、实践操作和使用范围，能够辅助学生参与科研项目和完成毕业论文，对于培养学生的综合素质和创新精神具有重要作用。

①通过高校学科交叉的科研平台，实验课程注重培养学生研究问题和分析问题的水平。教学过程中尝试将高校科技创新优势转向学生培养优势，同时综合了解扫描电镜与其他表征技术的融合使用。②通过扫描电镜实验课程前沿领域的自主型实验教学，使学生接触科技发展前沿的成果和技术，有助于丰富学生的知识储备，使其能够更好地理解最新的科学技术。③通过邀请科学技术行业专家进行扫描电镜技术的课堂讲解，包括技术原理、结构配置、管理规章制度等，有助于学生了解扫描电镜前沿应用的发展动态。④通过自主探索与实验操作，鼓励学生自由探索并完成整个实验过程，包括文献查阅、设计准备、实验操作、数据处理等，有助于提高学生的独立思考意识和综合实验技能。⑤通过加强对教师和技术人员的业务培训，定期组织教师和技术人员前往其他单位学习交流，聘请科学技术行业专家进行学术讲座、技术指导与学术交流，有助于提高实验室的管理水平及技术水平。

2 扫描电镜实验课程在本科实验教学中的现状

尽管国家和地区对于教育教学和科学研究给予了大力支持，高校在购置和共享大型精密仪器方面取得了一定成就，但大型精密仪器用于本科实验课程教学仍存在一些问题。如何更好地整合扫描电镜实验课程，使其更贴合实际需求、提升学生的专业综合素质和创新思维意识，辅助学生参与科研项目和完成毕业论文，已是当前实践课程建设的重要课题。

扫描电镜实验课程教学注重学生的理论基础结合实践操作的培养，目前课程内容主要包括扫描电镜技术发展与现状、扫描电镜结构与原理、扫描电镜二次电子图像信息解读、扫描电镜背散射技术、扫描电镜样品制备、扫描电镜图像处理、扫描电镜文献阅读、扫描电镜实践操作等。①扫描电镜技术发展历程与现状课程包括玻璃简史、光学简史、电磁场和电磁波等内容，重点讲解中国电镜发展历程和相关科研技术人员的事迹和贡献。②扫描电镜结构与原理课程包括电子枪、阴极射线管、磁透镜等电子光学系统的工作原理和二次电子、背散射电子、特征X 射线等信号收集系统工作的原理，课堂展示光学显微镜实验、法拉第笼实验、阴极射线管实验。③扫描电镜二次电子图像信息解读课程包括二次电子成像原理、图像标尺信息解读等，重点讲解图像衬度原理和应用。④扫描电镜背散射技术课程包括晶体学和织构基础、原理和花样标定、成像和分析、数据处理等背散射技术，重点讲解图像衬度原理和应用。⑤扫描电镜样品制备课程包括粉末、块体、薄膜等常规样品的制备和细胞、组织等生物样品的制备，并结合实践操作课程进行样品制备处理。⑥扫描电镜图像处理课程包括图像彩色处理、粒径测量和分布统计等数字图像处理，结合实践操作课程结果进行实际处理。⑦扫描电镜文献阅读课程包括纳米颗粒、纺丝薄膜、微球凝胶、高熵合金、细胞细菌等文献阅读，尝试讲解扫描电镜图像与其他表征技术的相互验证。⑧扫描电镜实践操作课程包括扫描电镜样品制备、扫描电镜上机培训与操作、数字图像处理与分析、实验报告撰写等实验课程，鼓励学生讲解实践操作心得体会。其中，平时成绩（占比40%）主要包括到课情况、课堂讨论等，课程成绩（占比60%）主要包括实验报告、平时作业等。

目前扫描电镜实验教学模式仍存在一定问题。理论教学方面，针对市售仪器研发的要求，现有的仪器结构课程内容需要进一步完善和拓展，以满足不断发展的市场需求。前沿领域和交叉学科的教学内容需要及时调整和更新，跟紧科研时事热点。实验操作方面，部分实验报告不够完善，特别是对实验结果的分析和总结方面，需要更加细致入微，以确保实验报告的质量得到提升。实验报告撰写方面，部分学生参照实验报告，而未能真实反映实际操作情况，有可能获得不符合实际情况的较高成绩。课时分配方面，实验操作有效时间少，无法确保学生有足够的时间深入实验，熟练掌握实验技能，难以提高学生对仪器的实际应用能力。

3 扫描电镜实验课程的教学改革措施

通过大型精密仪器教学改革和科研项目引导培养，扫描电镜实验课程教学基于大型精密仪器的基本原理和科学方法，探讨矿业工程主导的学科交叉领域复杂工程问题的解决方案，包括实验设计与上机操作、数据处理与结果分析、观点凝练与报告撰写等。在课堂教学和科研过程中，促使学生由“被动学”变“主动学”，逐步熟练掌握大型精密仪器的操作技能、相关科技文献的观点提取、实践操作方法技术建立、复杂数据结果的处理凝练、科技论文的规范写作等。突出价值导向的重要性，探索“导学、自学、助学”模式的构成要素与主要特点。此外，征集具备较高科研素养教师的在研国家级和省部级科研项目，保证实践教学内容创新性、延续性和研究性的同时，通过对矿业工程相关领域前沿问题的全面参与，不仅能够考查学生对基础知识、操作技术、数据处理、报告撰写等技能的运用，而且还能调动学生主动学习、分工合作和独立创造的思维意识。拓宽学生科研视野和研究范围的同时，培养学生科研创新和终身学习的意识。

3.1 扫描电镜实验教学课程的教学改革措施

理论教学环节。对于学生基础知识薄弱的问题，教师提前制作高质量的教学课件，确保讲解操作的准确和规范，并明确教学内容框架。精选适用的教学视频，包括场发射扫描电镜的原理和构造、离子溅射镀膜仪的原理和操作、样品制备操作、扫描电镜操作等。课前，学生可以根据个体需求有选择性地反复观看教学视频，结合扫描电镜项目学习目标，制订个性化任务，将学生的学习态势从被动接收转变为积极主动学习。对于仪器结构课程，通过多媒体技术、经典物理实验课堂演示、虚拟与仿真等方式进行授课。多媒体技术可以将电镜内部构造等难懂部分整合制作成动画视频，有助于学生巩固扫描电镜的基础知识。经典物理实验包括光学显微镜实验、阴极射线管实验、法拉第笼实验等，直观、生动的演示过程有助于学生更好地理解抽象的扫描电镜工作原理。对于前沿领域知识的学习，注重教学内容与学科发展同步，适当引用相关前沿方向教学内容，包括月壤样品文献阅读、三星堆考古文献阅读、双碳文献阅读等。指导学生掌握科学研究方法，增进学生对于科研热点的了解。此外，课堂教学中适时地实施奖励机制有利于构建高效课堂，增进师生互动，有效地提高学生的参与程度、学习效果、课堂氛围等。改革后的措施丰富了教学内容，拓宽了知识背景，深化了对学生科学思维的培养。

实践操作环节。对于实验报告不够完善的问题，加入实验报告写作指导环节，教师向学生详细解释实验报告的结构和内容，鼓励学生引入图表、图像等更直观的呈现方式，同时提供实例让学生参考，以提高实验报告的完善度。实验报告的撰写强调真实性和独立性，设计实验时可增加一些变量或改变操作步骤。此外，实验样品来源于生活和专业，如粉体样品、薄膜样品、块体样品、生物样品以及日常生活物品（昆虫、毛发、花蕊等），展示不导电样品在喷镀导电涂层前后的形貌效果对比、不耐辐照样品在电子束照射前后的形貌对比，以及不同电压下的形貌对比等，确保每个学生都能根据实际情况进行操作和记录。鼓励学生对实验报告中的问题进行深入讨论，加强对实验过程的理解。可采用反复检查的方式，确保学生的实验报告与实际操作情况相符。对于实验操作安排，重新评估实验操作时间分配，确保学生有足够的时间深入实验。同时，助教全程参与辅助小组合作，确保学生在实验中能够熟练掌握操作技能。另外，探索采用预习材料或在线学习资源，使学生能够在实验前更好地准备，提高实验效率。

3.2 扫描电镜实验教学课程的实践报告成绩评定

实验设计（20%），包括文献查阅总结和实验设计方案制订；实验操作（30%），包括样品制备和上机操作的实验标准规范；实验记录（20%），主要指实验操作过程中的步骤和观察现象；实验报告（30%），包括数据处理与结果讨论。

实验设计阶段，2-4 名学生组团与指导教师和助理学生具体讨论，有助于教师了解学生准备情况，同时增强学生主动学习的兴趣。实验操作阶段，助理学生和课题团队教师全程参与，学生按照课堂笔记中的扫描电镜基本原理、操作步骤和注意事项等进行实验，确保实验操作规范，增强学生的工程实践能力。实验记录阶段，学生参照科研文献格式，详细记录实验现象，增强学生科研记录能力。实验报告阶段，学生参照科研文献，给出实验观察结果，对实验现象进行分析，同时与指导教师讨论，提出存在的问题和改进方案。实验操作由学生自主选题，学生自主学习、教师助教指导和小组讨论等多种形式相结合，打破“指导教师详解实验操作+学生验证实验结果”的输入输出教学方式，要求指导教师引导学生主动查阅科研文献，撰写具体实验设计方案，按照既定的计划进行上机操作，对实践操作中复杂的工程问题进行讨论、比较和总结。通过上述课程教学设计，引导学生主动思考，建立扎实的学科知识体系。

上述培养方案是扫描电镜实验课程教学改革的目标，通过“基础知识储备-实践操作训练-科研报告输出”的教学流程，综合锻炼学生用仪器、看数据、读文献、做分析、写报告的技能，为学生提供理论、实践的综合平台，展示高校专业培养的特色，同时体现当前社会科技发展的前沿热点。这样不仅能够巩固学生的基础知识，提高其自主学习兴趣和学习意识，培养其综合专业水平和科研创新意识，而且使大型精密仪器的教学体系与时俱进，保证教学效果。教学改革措施效果明显，部分学生主动参与教师的研究小组，申报国家级和省级本科生创新项目，实践创新培养成效显著。

4 结语

大型精密仪器实验课程的改革，强调教学内容的互动性与学生的主体性，依据基础理论内容建设思政教育内涵，根据前沿科技成果完善实验课程内容，并通过前期课程内容建设、课堂教学过程设计、课后教学效果总结，构建扫描电镜实验课程高效教学模式，培养符合“双一流”本科教学培养战略思想的综合型人才。