浅谈扫描电镜实验教学的体会

吴勤 郝婷丽

摘要：扫描电镜是应用领域广泛的精密贵重仪器，通过分析实验课程教学中存在的不足，针对问题提出改进措施，取得了良好的教学效果。

关键词：扫描电镜;实验教学;方法优化

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0386-02

扫描电镜是利用高能的电子束与样品相互作用，然后用相应的探头接收信号，从而得到样品的各种信息。二次电子得到的是样品表面形貌信息，背散射电子得到的是样品原子序数衬度，特征X射线得到的是样品成分信息[1]。扫描电镜有制样简单、立体感强等特点，是一款功能强大的表面微区分析仪器，在材料学、化学、植物学、食品科学等领域有广泛应用[2]。我校目前有两台扫描电镜。一台是日本电子JSM-6480LV型钨灯丝电镜，已使用将近10年。一台是2015年购置的日本日立SU8010型场发射电镜，配备HORIBA X-maxN型能谱。

石河子大学为综合型大学，化学工程与技术是我校一流学科，化学化工学院在工业催化方面与新疆天业、新疆大全新能源等企业联系紧密，生命科学学院研究的新疆特色植物和昆虫、农学院研究的新疆农作物都需要扫描电镜的支持。扫描电镜实验课程对我校理工农科类研究生的专业水平、科研能力具有重要的影响，尤其是在样品的制备、观察、微观元素分析方面。因扫描电镜是精密和贵重仪器，这门实验课的性质为理论讲授加演示，学生积极性不高，未获得满意的效果。本文对之前存在于教学中的问题进行总结，并在现有条件下找出相應的解决办法。

一、实验课程的不足之处

（一）实验仪器陈旧

扫描电镜实验教学任务由日本电子钨灯丝电镜（JSM-6480LV）承担，且没有配备能谱仪，理论放大倍数仅为30万。此台电镜分辨率仅能达到微米级，且已使用将近10年，已经无法满足教学和科研的需求。

（二）是授课方式老旧

之前的授课主要是由管理电镜的实验人员简单地讲解电镜的原理，带领学生参观演示。由于仪器结构复杂，原理抽象难懂，又因扫描电镜结构封闭，学生难以观察到内部，也没有办法观察电子束与样品的作用，单凭口头讲授学生很难理解[3]。加之仪器操作步骤复杂，包括制样、喷金、粘样、上样、操作、观察、取样等步骤，每一步都有需要特别注意的地方，仅靠一次实验并不能学会，更不用说熟练操作，而且即使微小的不当操作都可能会对设备造成致命损坏。扫描电镜是昂贵的大型设备，数量有限，学生没有充足的上机操作时间。另外实验课程与科研结合不够紧密。

（三）考核制度单一

原有的考核以最终的实验报告和出勤作为最终成绩，不能反映教学的效果。学生在上课时参与度低，做实验时走马观花、心不在焉。实验报告内容雷同，往往应付了事。学生的动手能力和科研能力得不到锻炼，也没有充分认识扫描电镜对科研的重要性，以至于很多学生在做科研时束手无策。

二、电镜实验教学改进方案

（一）购买新的实验设备

我校分析测试中心于2015年采购第二台扫描电镜，为日本日立冷场发射扫描电镜，并配备HORIBA能谱仪，最大放大倍数为80万倍。与之前的钨灯丝电镜相比，这款电镜的分辨率等各项性能都有很大提高，能满足目前的科研和教学需求。实验课程使用这台仪器使学生了解到前沿的研究手段，增加了能谱方面的部分，让课程更加丰满。

（二）改进实验教学方法

针对之前存在于实验教学中的问题，我们可以采用相应的方法进行改进。

1.实验课程环节改进。首先把学生分成小组，每组4～6人，以小组为单位轮流开课，这样能保证学生有充分接触仪器的时间。在课前要求学生预习实验内容，学生可以通过网上资源（例如慕课）了解仪器的基本原理，对扫描电镜有一个整体的认识。

上课时采用多媒体教学，在讲解抽象的原理时多使用动画、图片，调动学生兴趣，使学生的知识立体起来[4]。例如，在讲解结构时，把复杂的结构用简化的图片呈现在学生眼前;采用动画的形式展示电子束与样品作用、X射线产生的过程，以及一些有趣的昆虫图像（例如，蚊子的口器、苍蝇的复眼等）。

在课后，针对有意向从事电子显微领域研究的学生进行实操培训。采用一对二的培养模式，以教师演示、学生动手操作的授课方式为主。培训的内容主要包括仪器的操作和软件的使用[5]。

2.实验课程与导师组密切合作。针对有意向从事电子显微领域研究的学生，采用与导师组合作的方式，给导师课题组减免测试费用，课题组的样让学生自己测，增加学生上机机会。这样不仅能够锻炼学生的动手实践能力，还能为课题组科研提供服务，减轻测试人员的压力，提高了仪器使用率。在学生测试时会有一名熟悉仪器操作的老师在一旁指导，以保证学生的正确使用，并及时解决出现的问题。经过40个机时的训练，使学生能够熟练且独立地操作仪器。

3.实验课程与科研紧密结合。大部分研究生选修扫描电镜课程的目的是为今后的科研课题工作奠定基础，因此，实验课程需要与科研紧密结合，紧跟前沿。在授课方面，我们专门聘请在电子显微方面具有丰富科研经验的老师，结合科研中遇到的实际问题，利用案例教学优势，与实验仪器操作人员组合授课，大大提升学生在实际科研中解决问题的能力。

（三）改进实验教学考核方式

新的实验教学考核采用“出勤+实验预习+课堂表现+实验报告+仪器操作”[6]五个方面相结合的综合评价方式。比例分别为：出勤20%，实验预习30%，课堂表现20%，实验报告30%，仪器操作附加10%。降低实验报告比重，增加实验预习和课堂表现所占比例，提升学生上课积极性，鼓励学生参加仪器操作培训，结合多方面表现给出成绩，增加成绩的综合性和客观性。

三、结语

对扫描电镜实验教学的授课方式、内容进行优化，提高了学生的兴趣，提升了学习效果。将实验课程与导师组合作，与科研紧密结合，体现了实验教学的前沿性，提高了学生实践能力，满足了石河子大学的人才培养需求。实验教学培养了电镜后备人才，对学生的就业起到了很大帮助，还解决了分析测试中心人手不足的问题，提高了仪器使用率，一举多得。本文初步探索出适合石河子大学的精密贵重仪器的研究生实验课程，对其他高校实验教学有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2009：15-20.

[2]郭素枝.扫描电镜技术及其应用[M].厦门：厦门大学出版社， 2006：15-29.

[3]肖旋，杨丰静，于航，等.基于大学生创新创业需求扫描电镜实验教学改革探索[J].教育现代化，2017，（22）：15-17.

[4]张强.多媒体技术在扫描电镜实验教学中的应用[J].科技信息，2009，（10）：530.

[5]权茂华，孙建林，熊小涛，等.电镜实验教学中“三层次”培训体系的建立[J].实验室研究与探索，2014，（05）：171-174.

[6]冯向东.实验室工作探索[M].武汉：华中科技大学出版社， 2005：181-184.

Talking about the Experiment Teaching Experience of Scanning Electron Microscope

WU Qin， HAO Ting-li

（Analysis and Testing Center， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003， China）

Abstract： Scanning Electron Microscopy （SEM） is a kind of precise and valuable instrument with a wide range of application in scientific research. There are deficiencies in the teaching of experimental course. Improvement measures are proposed for the problems and good teaching results have been achieved.

Key words： SEM; experimental teaching; method optimization