透射电子显微镜在本科教学中的应用探索

孙婧婧　陈莹　廉冀琼　孙东亚　许彬彬　雷彩霞

摘要：透射电子显微镜（TEM）由于其高分辨率及精细的结构分析，广泛应用于纳米材料等新材料的分析研究，是材料分析测试的一种重要方法，也是材料类学生在今后的工作、科研中应掌握的一门必备技术。但由于其理论要求较高、价格昂贵、设备资源稀少，主要用于教师科研工作，很少发挥其在本科教学中的作用。为提升高校分析测试技术课程的教学效果，通过综合分析TEM在本科教学中存在的问题，从理论知识学习到实践操作指导及最后的激励考核机制进行了一系列的探索，有效发挥其在本科教学中的作用，起到为科研服务的同时有效地提升本科教学水平的作用。

关键词：透射电子显微镜（TEM）;材料测试;本科教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0150-02

TEM由于其结构精密、操作复杂，对使用者具有很高的技术要求，有时很小的错误操作，也可能导致仪器发生故障，影响正常使用。同时，其价格一般都比较昂贵，在高校固定资产中占很大比重，设备资源有限。由于管理和资源相对紧缺，目前主要用于教师、研究生的课题研究。而在本科实践教学中，只注重理论知识的了解而非实验技能的掌握，在培养学生自己动手解决实际问题的能力、自我学习能力、培养创新精神和创造能力等方面没有发挥其应有的作用和潜能，绝大部分学生在学习期间没有办法接触到设备。厦门理工学院材料科学与工程学院大型仪器分析测试中心针对透射电镜用于材料类本科生培养方案进行了一系列探索和研究，取得较好的教学效果。

一、透射电镜主要特点

1.原理。透射电镜的成像原理是阿贝提出的相干成像，用电子束代替平行入射光束，用薄膜状的样品代替周期性结构物体，就可重复衍射成像过程。透射电镜是用高能电子束（加速电压一般在200kV以上）照射样品，透过样品的电子由于样品厚度、元素、缺陷、晶体结构等不同，会产生不同的花样或图像衬度，由此可以推测样品的相关信息。电子束要能透过样品，因此样品厚度要求很薄，一般要小于100纳米。

2.微量物质内部精细结构分析。常用的晶体结构及缺陷的测试方法主要有X射线衍射仪（XRD）、EBSD和TEM等，XRD由于其样品需求量较大，对于少量物质的晶体结构无法测量。TEM通过对某一微小区域的选区电子衍射，分析样品的结构及缺陷。

3.纳米材料微区元素分布分析。TEM在扫描透射模式下（STEM）下，场发射电子源发射出电子，通过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺度的束斑。电子束斑聚焦在试样表面后，通过线圈控制逐点扫描样品的一个区域。由于其极高的分辨率，可精确完成材料微小区内的元素分布扫描，可以实现元素的定性，能方便地直接观察、研究材料的内部的相组成和分布，是研究材料微观组织最有力的工具之一，广泛应用于核壳结构及复合纳米材料中。

二、透射电镜在材料分析测试方法课程改革中的探讨

1.理论课程模块化。目前透射电镜课程的教学传统上是遵循先理论后实践的教学程序，即先进行电子光学原理、分辨率原理、成像原理、仪器结构、像差原理、制样技术等内容的课堂教学，再进行样品制备及仪器操作内容的实验。这样做的优点是由浅入深、循序渐进，学生容易接受，但在进行实验之前，学生对仪器设备没有感官的认识，仅靠书本上的图片在头脑中形成一个抽象的仪器。传统教学思路的弊端在于它拉开学生与仪器之间的距离，将理论知识与实践操作孤立开来，同时，透射电镜理论知识较深，降低了学生操作仪器的积极性，从而影响整体教学效果。我们尝试在讲课前先让学生参观仪器设备，通过近距离的观察和现场讲解让学生对设备实物及其结构部件进行认识，克服了以往学生对设备只限于抽象认识的问题，在清楚其构造的基础上再进行理论知识的讲解，让枯燥高深的理论知识浅显易懂。此外，TEM作为材料测试分析的一种工具，对于大部分学生只需掌握如何利用TEM为自己的科研服务，如何从实验结果中获得所需要的重要信息和结论，因此提高学生对实验结果的分析技巧是TEM服务于本科教学的重点。我们将透射电镜理论课程模块化，主要分为仪器结构模块、电子光学模块、真空系统模块、数据分析处理模块，根据学生实际应用有侧重点地讲解，取得了较好的教学成果。

2.实践课程多元化。我校定位于应用型大学，培养具有较强社会適应能力和竞争能力的高素质应用型人才，应注重学生实践能力的培养。透射电镜价格昂贵，操作专业性强，样品制备要求高，因此在材料分析测试方法课程中基本只有3—4课时的实验课，学生只是走马观花式参观，实验印象不深刻，实践教学效果不好。但由于科研的需要，不可能为本科教学提供大量的实习时间，我们采取固定时间实验和与科研结合的分散实践教学相结合的教学方法。透射电镜在样品测试期间，有兴趣的同学可以前来观看学习，学生根据测试中的样品进行透射电镜的分析学习，这样既能服务于科研又能兼顾本科教学，学生接触的样品种类广泛，对电镜的应用分析也有更深入的了解;第二，在综合实验期，选取典型样品，学生分成5—7人一组，从透射电镜的样品制备、仪器简单操作到数据分析进行为期一周的实践课，前期完成的同学可以指导后期实验的同学，采取同学间互相帮扶模式，从而进一步巩固其实践效果。此外，在学期间也会开设开放性实验，进行一部分针对TEM的操作及维护保养，另外一部分是数据处理及分析，主要针对高分辨图像及能谱数据的解析，电子衍射图谱的标定等知识因材施教，对电镜比较有兴趣的同学可有针对性地进行电镜操作维护方面的培养，同时也为设备使用和管理的可持续发展培养人才，通过多方面分层次教学进一步提高本科生的实践动手能力。

3.评价及考核机制合理化。材料分析测试方法课程传统的考核评价方式以理论课程为主，这种评价机制本身就弱化了学生的实践操作能力，学生自身也会模糊实际操作的重要性，在提交的实验报告中经常会出现班级大部分同学报告雷同情况。针对此现象，我们建立了平时成绩与多种考核方式相结合的评价机制。理论课成绩主要是考查学生对理论知识掌握程度，实验报告可以考查学生实验设计思路及数据分析能力，课堂表现主要体现在学生上课的参与性与积极性，通过提问回答情况可体现其知识掌握情况，将课堂表现纳入考核成绩，可有效提高学生的主观能动性，综合实验课可有效考查学生的实际动手能力及分析问题、解决问题的能力。通过多方面综合考评来激发学生的学习积极性，提高其综合技能，为后续的毕业论文设计打下坚实的基础。

三、结论

1.在透射电镜理论课程设计方面，通过分模块教学，调整侧重点，针对学生的需求及后续发展有针对性地教学，真正实现其在本科教学中的作用。

2.在實践应用课程中，采用多模式教学，边研究边学习的方式可以让学生更广泛地了解透射电镜的应用范围及先进的材料研究方向，综合实验课程中通过典型样品的制备分析流程，学生可充分认识透射电镜的整个操作流程，而开放性实验课程则可根据学生的兴趣爱好因材施教，发挥其特长，本科学生在校期间通过各种方式接触和使用此设备，对于提高其实验技能、开拓专业视野、培养创新思维和意识具有重要作用。

3.综合的考试评价制度可以客观公正的评价学生的理论知识及实践动手能力，通过多方面的考评激发与调动学生的学习积极性。

参考文献：

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ApplicationResearch on Transmission Electron Microscope in Undergraduate Experiment Teaching

SUN Jing-jing1，CHEN Ying1，LIAN Ji-qionog1，SUN Dong-ya1，XU Bin-bin2，LEI Cai-xia3

（1.Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian 361002，China;

2.Xiamen University，Xiamen，Fujian 361002，China;

3.Guangxi University，Nanning，Guangxi 530000，China）

Abstract：Because of its high resolution and fine structure analysis，Transmission Electron Microscopy （TEM） is widely used in the analysis and research of nanomaterial，It is unimportant method for Material analysis and an essential skill for the student in future research and work.Because of its high theoretical requirement，high price and scarcity of equipment resources，it is mainly used in research work and seldom playing role in undergraduate teaching.In order to improve the teaching effect of the course of Analytical Testing Technology in Colleges and universities，We comprehensively analysis of the problems of TEM in undergraduate teaching，a series of explorations have been carried out from theoretical knowledge learning to practical operation guidance and the final incentive and assessment mechanism，which can effectively play its role in undergraduate teaching and improve the undergraduate teaching level while serving for scientific research.

Key words：transmission electron microscope;material test;undergraduate teaching

收稿日期：2019-05-24

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目，（51601162）;福建省教育厅中青年教师教育科研项目，（JT180423）;厦门理工学院2018年教育教学改革项目（JG2018010）

作者简介：孙婧婧（1983-），福建厦门人，工程师，实验教辅，研究生，研究方向：主要从事大型仪器管理及分析测试教学与研究工作，新能源材料研发。