关于《电子显微学》课程改革的探讨

王慧

摘要：本文从教学内容、教学方法和考核方式三方面对电子显微学课程的改革进行了探讨，重点强调将电子显微学基础理论、实践操作以及结果分析等有机结合，提高学生综合运用电子显微学手段分析解决材料研究中科学问题的能力。

关键词：电子显微学;课程改革;材料科学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）41-0077-02

继光学显微镜发明之后，电子显微镜为人类打开了研究材料微观世界的第二扇大门，将人眼的分辨能力从0.2mm提高到亚埃量级，成为一种进行材料形貌、结构、成分以及电子结构分析的综合性分析手段。电子显微镜对材料的发展起到了巨大的推动作用，例如透射电子显微镜的三种分析技术：电子衍射衬度像、电子衍射以及高分辨成像技术分别在位错的证实、准晶的发现以及纳米碳管的发现方面发挥了无可替代的作用，其中准晶的发现获得了2014年的诺贝尔化学奖。目前，电子显微学的应用已经拓展到除材料以外的其他领域，如物理、化学、生物等科学领域，并且，伴随着球差校正电子显微镜的出现以及原位（高低温、环境气氛、电学性能测量）样品台的发展，结合X射线能谱分析以及电子能量损失谱分析，电子显微学在揭示材料的微观结构及其演化方面展示出其独特的高空间分辨分析能力。目前，几乎所有的理工科高校都有透射电子显微镜并且开设了电子显微学相关课程，然而，作为一种相对精密昂贵的设备，不可能对所有需要运用电子显微学分析的学生都进行仪器操作培训，而由于缺乏实践操作这一中间环节，学生在基础理论知识获取与透射电子显微镜结果分析方面之间存在断层，不能很好的将所学理论知识灵活运用进行结果分析。本文作者结合多年透射电子显微镜操作经验以及电子显微学课程的实践教学进行了思考和总结，对电子显微学课程的教学内容、教学方法以及考核方式进行初步的改革和探索，以期获得更好的教学效果。

一、教学内容的改革

在选修《电子显微学》课程之前，学生应该先修《材料科学基础》、《晶体学基础》等相关课程，对材料的晶体学结构有比较好的了解，熟知描述晶体结构的布拉格点阵以及倒易点阵。作为研究生选修课，由于学生的晶体学基础各异，为保证良好的教学效果，需要对布拉格点阵以及倒易点阵进行系统的知识回顾，以便于学生更好的掌握后续授课内容。

以笔者所在的北京航空航天大学材料学院为例，《电子显微学》课程以往的授课内容涵盖了电子光学基础、透射电子显微镜的构造、样品制备、电子衍射、衍衬像、高分辨成像，其中授课课时过于偏重电子衍射以及衍衬像，均大于8个学时，而高分辨成像章节课时仅有2个学时，课时分配不太合理。其次，伴随球差校正电镜的发展，一些新的技术逐渐发展和完善起来，并在材料的原子尺度结构表征方面初显其独特的魅力。如利用物镜球差校正的透射电子显微镜，贾春林教授提出的负球差系数成像技术（negative spherical-aberration imaging（NCSI））可以进行轻原子尤其是氧原子的探测;而聚光镜球差校正的扫描透射电子显微镜中，高角度环形暗场像（high angle annular dark field（HAADF））与高探测效率能谱仪的结合已经可以同时进行材料原子尺度HAADF图像以及成分的分析，同时，相较于高分辨成像，HAADF成像技术由于图像强度不受实验条件如样品厚度、欠焦等条件的影响，更容易解释而受到越来越多的关注;而环形明场扫描透射图像可实现轻原子H、Li等元素的探测以及对轻重原子同时成像，在揭示新型能源材料如锂离子电池的充放电机制方面发挥了重要作用。另外，聚焦离子束制样技术的发展，使得可以对块体材料进行精确定位，并且针对微米尺度区域进行透射电镜样品制备，从而解决了传统制样方法定位减薄难、单次制样成功率低以及破坏性制样的缺陷，尤其适用于利用原位透射电子显微镜进行材料微观结构演化研究。因此，有必要对《电子显微学》的教学内容进行更新和调整，加入这些新技术的成像原理以及案例分析，让学生充分了解电子显微学领域最新的发展，从而选用恰当的成像技术解决其在科学研究中遇到的具体科学问题。

二、教学方法的改革

鉴于透射电子显微镜不同于光学显微镜，不能通过直观的图像观察直接进行结果解释，需要一定的理论基础。同时，作为一门实践性较强的课程，实践环节必不可少，然而现实是作为分析测试中心，无法提供足够的机时供选修该课的学生进行上机操作，而短时间的操作只能让学生了解仪器的基本操作，无法掌握各种分析技术的精髓。通过笔者在分析测试中心透射电子显微镜实验室的长期观察，发现学生在利用透射电子显微镜各种分析技术如电子衍射、衍衬像、高分辨图像等进行实验方案设计以及结果分析方面普遍存在困难，实践操作环节的缺失导致学生无法将所学基础理论、实验技术以及结果分析有机结合。因此，如何通过《电子显微学》课程的开展，让学生真正的从理解基础理论知识到灵活运用理论知识分析解决科研中的实际科学问题，值得深思。

传统的《电子显微学》课程侧重基础理论知识的传授，虽然也有案例分析，但多为早期的实验结果，不能紧密跟踪电子显微学发展的步伐;另外，在案例分析时很少将基础理论知识、具体操作技术、以及结果分析有机结合。因此，有必要在传授基础理论知识之外，根据所要掌握的知识点，设计增加最新的案例分析，提高学生综合运用透射电子显微镜各种分析技术解决问题的能力。具体的案例分析步骤为：（1）要求学生根据案例要解决的具体问题设计实验方案，并提供实验方案设计的理论依据，指导教师对设计不合理的方案要及时予以纠正，并通过基础理论的分析讲解不可行的原因，以加深学生的理解;（2）对于部分有透射电镜操作经验的研究生，要求其进行具体的实验操作，并在操作过程中讲解操作的理论依据，指导教师要及时补充讲解与实验操作相关的基础理论知识，弥补传统教学过程中实践操作环节的缺失;（3）通过多种分析技术获得初步实验结果，并要求学生对获得的实验结果进行正确的分析表征。实践表明，这种案例分析的过程相比传统的教学方法，建立了实践环节与基础理论以及结果分析之间的联系，从而加深了学生对电子显微学基础理论知识的理解与掌握，提高了学生利用透射电子显微镜分析问题、解决问题的能力。

三、考核方式的改革

开设《电子显微分析》课程的目的是希望研究生通过本门课程的学习，能够真正的将所学电子显微学相关知识应用于具体的科学研究中，因此，本门课程考核重点在于学生能否能够将所学知识融会贯通，在基础理论、操作、以及结果分析方面有所收获。传统的考核方式以考试为主，重在考核学生对各种基础理论知识的掌握水平，无法有效评价学生运用所学知识解决实际问题的能力，因此，提供了两种考核方式对学生的学习效果进行检验：对于有实际操作透射电镜经验的学生，要求他们能结合自己研究课题中的具体科学问题，选用合适的分析技术开展实验，并对获得的透射电镜结果进行合理正确的分析，从而建立材料微观结构与宏观性能的联系;而对于没有实际操作透射电镜经验的学生，要求他们能结合所研究的方向，进行广泛的文献调研，能够分析文献中如何综合利用透射电子显微术解决材料研究中的具体科学问题，能够充分理解其分析过程以及分析机理，并能在以后的科研活动中灵活运用。实践表明，由于考核从学生研究的课题入手，使学生能够带着兴趣去进行实验研究以及文献调研，充分地调动了学生的积极性，实现了自主学习和探索，大大加深了其对电子显微学基础理论知识的理解，提高了学生利用电子显微学进行材料微观结构分析的能力，从而有效地提高了教学质量。

综上，通过对电子显微学课程教学内容、教学方法以及考核方式的改革，探索将电子显微学基础理论、实践操作以及结果分析有机结合，从而提高学生综合运用透射电子显微学手段分析解决材料研究中科学问题的能力。

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Discussion on the Course Reform of Electron Microscopy

WANG  Hui

（School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：The course reform of electron microscopy was discussed from three aspects including teaching contents，teaching methods and evaluation mode. It is emphasized through the course teaching the basic theoretical knowledge is well combined with practical operation，as well as results analysis，and thus the students' ability of solving problems using electron microscopy analysis methods in materials research is greatly improved.

Key words：electron microscopy;course reform;materials science