“透射电子显微学”课程教学改革探索

摘要基于“透射电子显微学”课堂教学中存在的一些问题，本文拟将虚拟电子显微镜结合科技论文中所涉及的透射电镜分析实例引入到课堂教学中，改革该课程传统教学中以课堂理论教学为主的模式。教师可以更好的将该课程中的理论知识和实践操作相结合，同时学生可以更直观的了解透射电镜，更容易理解透射电镜的工作原理。通过这样的教学方式改革，可以确保学生能够学以致用，最大限度的调动学生的主观能动性，让“教”与“学”更有机的结合。

关键词 透射电镜 虚拟电镜 教学改革 材料分析测试 微观分析

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.047

ExplorationonTeachingReformoftheCourseofTransmissionElectronMicrosocpy

WANG Haomin

（Institute for Advanced Study， Chengdu University， Chengdu， Sichuan 610106）

AbstractBased on the problemsin the courseofTransmissionelectronmicroscope（TEM）.Inthis paper，thevirtual TEM and TEM analyzing experiments from scientific papers were introduced into classroom teaching. The reform of teaching method can improve theteaching quality of this course.

Keywordstransmission electron microscope； virtual TEM； teaching reform； material analysis and testing； microscopic analysis

“透射電子显微学”是一门理论、实践并重的课程，是材料相关专业本科生和研究生的必修课，该课程旨在培养学生透射电子显微镜来分析材料的微观结构形貌和显微成分。在过去传统“透射电子显微学”的教学过程中，由于电子显微镜属贵重精密设备、维护费用高昂，该课程的教学组织形式只能以课堂理论教学为主，不能组织开展实验教学。学生只能生涩的理解透射电镜分析的理论知识，并且对仪器设备的基本原理和构造缺乏直观的理解。这些弊端造成了学生对该课程的学习积极性不高、学习效率低下，缺乏对该测试分析方法的直观感受，这对学生以后利用该方法对材料进行测试分析是不利的。

针对以上“透射电子显微学”课程教学中存在的问题，本文拟将虚拟电子显微镜引入课堂教学中，并结合科技论文中利用电子背散射衍射技术分析的实例进行讲解。通过引入虚拟电子显微镜，学生可以在课堂上利用计算机对电子显微镜进行操作，并对电子显微镜的构造进行直观了解。其次，结合科技论文中透射电镜分析实例，重点讲解其中涉及的测试条件、参数选择，分析过程等，可以使学生对电子显微镜的操作和分析具有更加直观的理解。

1“透射电子显微学”课程特点

透射电子显微学是一门理论与实践紧密结合的课程。理论知识可以有效的指导实践，同时也是分析结果的必备基础。该课程要求教师对透射电子显微学中涉及的理论知识点（比如：晶体理论、衍射理论、成像原理、能谱分析等）进行系统讲解，同时应结合实践操作对透射电子显微镜的构造、测试方法进行介绍。让学生能够直观理解透射电子显微分析方法。

透射电子显微学是一门专业性与多样性相结合的课程。透射电子显微学同扫描电子显微学一样，都是通过利用高能电子束同物质相互作用，并产生各种不同的信号，随后对这些信号进行分析从而得到想要的结果。另一个方面，不同于扫描电子显微分析较为单一的分析能力，透射电子显微分析包括了形貌、结构、成分、能谱等分析手段。

透射电子显微学是一门“低开高走”的课程。透射电子显微学作为一门应用、实践类课程，本课程的授课对象大多是材料类专业高年级学生或低年级研究生，他们经过前期的专业课程学习，已经具备了很多本课程学习所需的专业基础。因此，在本课程的学习初期，学生的学习热情往往较高，但随着课程的深入，往往需要学生利用多学科的知识来解决问题，这对学生的综合素质以及教师的授课方式提出了较高的要求。

2“透射电子显微学”课程教学方法

鉴于前面对透射电子显微学课程特点的描述，教师在教学过程中应着重围绕以下几点来展开：

重视透射电子显微学中涉及的理论基础的讲解。不同于其他现代分析测试技术，透射电子显微学是一门多学科相结合的应用型课程。期间，教师应对材料的晶体结构、电子与物质的相互作用、电子衍射规律、成像原理等理论知识进行系统讲解。

系统、详细讲解透射电子显微测试方法及涉及的理论内容。概括来讲，透射电子显微测试的过程主要包括以下四个步骤：样品准备、仪器校准（电子束合轴）、成像拍照、结果分析。其中每一个步骤对后面的结果均有重要的影响，因此教师在授课过程中应重视这种内在的因果关系，并就每一操作步骤后面涉及的理论基础进行讲解，让学生知其然也知其所以然。

重视透射电子显微分析实例的讲解，坚持从实践中来到实践中去。教师在课程教学中，可以选择一些常用且具有代表性的测试分析案例进行讲解。分析案例可以从科技论文中选取，通过对科技文献中的测试方法和结果进行系统讲解，可以让学生对为什么使用透射电镜，怎样使用透射电镜，使用透射电镜能得到什么结果，怎样分析透射电镜结果等一系列问题有更加深刻的认识。有助于培养学生的科研思维和素养。

3“透射电子显微学”课程教学改革探索

3.1教学方法改革探索

教学是由教师的“教”和学生的“学”的结合，如何让教师的“教”有效的传递给学生，让学生的“学”有所成，是教学活动中的重点。透射电子学作为一门理论和实践相并重的课程，如何选择恰当的教学方法和考核方式，是教好、学好这门课程的重要条件。

由于透射电子显微镜高昂的维护成本，因此传统的透射电子学教学几乎都采用课堂理论教学结合少量案例分析，学生无法直观的感受设备的构造和工作原理。此外，由于学生几乎没有上机操作的可能，因此学生对透射电镜的测试方法更是了解甚少。本文提出在课堂教学中引入透射电镜虚拟电子显微镜（如图1所示），可以让学生在课堂上通过计算机对透射电镜虚拟电子显微镜进行同步操作。由于该虚拟电子显微镜还支持零部件单独操作功能，可以让学生利用简单的鼠标单击选中，了解透射电镜的零部件构造，以及每一个零部件的功能介绍及其工作原理。因此，教师在透射电子显微学的课堂讲解中，可以结合透射电镜虚拟电子显微镜的这一功能，形象生动的对透射电子显微学中相对应的理论知识进行讲解，充分调动学生的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣。

另一方面，针对传统透射电子显微学教学过程中学生无法上机操作。我们可以利用虚拟电子显微镜上的模拟仿真功能，让学生就透射电镜的一些简单测试方法进行操作。通过这样的改进，可以彻底的扭转传统透射电子显微学教学过程中，以教师授课为主，学生被动、生涩接受的教学方法；可以极大的增加课程的生动性，充分的让学生参与进来，真正的做到“教”与“学”的结合；可以充分的发挥学生的主观能动性，调动学生的积极性，使学生积极、主动的去探索、学习透射电子显微学知识。

透射电子显微分析在微结构方面拥有强大分析能力的同时，也带来了复杂的数据后处理分析过程。在传统透射电子显微学教学中重点几乎都放在的基本原理、基本构造和基本操作方法，很少关注其数据的后处理过程。我们通过将高水平科技文献中的透射电镜分析实例引入课堂，通过对这些实例的全流程讲解，可以让学生对透射显微分析的整个过程有比较深入的了解，更重要的是可以让学生直观的了解透射显微分析的数据后处理方法和过程。

3.2教学实例

本文通过在透射显微电子学课程教学中引入透射电镜虚拟电子显微镜以及科技论文文献中涉及的典型材料透射电镜分析案例，更加直观的呈现该课程中涉及的基础理论知识，提高学生的学习积极性，让该课程的“教”与“学”更加紧密的结合。以下举例如何将透射电镜虚拟电子显微镜和科技论文文献引入课堂教学中。为了充分发挥学生在学习过程中的积极性和能动性，加强学生在课程教学中的融入互动。我们将学生分为若干学习小组，每组人数控制的5-6人，每个小组在课堂学习中合作完成课程任务。

3.2.1透射电镜结构及基本工作原理讲解

透射电镜结构和基本工作原理是透射电子显微学课程教学中的基础和重点，透射电镜按功能可以分为三个大的部分：照明系统、成像系统和观察记录系统。其中照明系统由电子枪和聚光镜组成。成像系统包括：物镜、中间镜、投影镜。观察记录系统主要包含一个CCD相机，以及其他各种功能探头（X射线能谱、电子能量损失谱、高角环形场探头等）。以上这些透射电镜零部件可以让学生在透射电镜模拟机上依次选中并操作，了解其基本功能，同时教师结合多媒体演示可逐一对透射电镜的零部件的几何结构、功能及工作原理进行详细讲解。

3.2.2透射電镜的基本测试方法

以下以如何利用透射电子显微镜来拍摄选区电子衍射为例。利用透射电子显微镜来拍摄选区电子衍射主要包括两个步骤：合轴和选区电子衍射。首先让学生打开透射电镜模拟机，根据模拟机上提示的操作步骤（如下）逐步操作、熟悉透射电镜的基本测试方法。

合轴：（1）打开Beam开关，在LOW MAG下，找到试样的薄区所在位置；（2）在LOW MAG下将放大倍数调至500倍，然后切换至MAG1；（3）找到一个薄区，将放大倍数调至2000倍，按下STDFOCUS，并将试样边沿移至屏幕中心，按下IMAGE WOBB X，试样呈抖动状态，再通过调节Z轴，使试样不再抖动；（4）将放大倍数调至100K倍，并将无试样区域移至屏幕中心，逆时针旋转BRIGHTNESS至电子束呈合适大小内、外圆形；（5）按下BRIGHT TILT按钮，并通过调节SHIFTX和SHIFTY将电子束移至屏幕中心，再通过调节DEF/STIG X和DEF/STIG Y将电子束的内圆恰好移至外圆的中心；（6）再按下COND STIG按钮，通过调节DEF/STIG X和DEF/STIG Y将电子束的内圆内的图形调成“奔驰”车标形状；（7）逆时针旋转BRIGHTNESS，使电子束的内圆和外圆重合，再在HIGHVOLTAGE CONTROL界面中点击“ON”，按下F4，通过调节DEF/ STIG X和DEF/STIG Y使内外圆同心缩放；（8）顺时针旋转BRIGHTNESS，使电子束充满整个屏幕，套取一号聚光镜光阑，将电子束调至屏幕中心；（9）将放大倍数调至100 K倍，并将薄区边沿移至屏幕中心，通过调节OBJ FOCUS旋钮，将试样边沿调至为微欠焦（略显白色边沿），再将放大倍数调至400K倍，并将边沿区移至屏幕中心，按下F1，然后打开CCD，并调出傅里叶变换，按下OBJ STIG，通过调节DEF/STIGX和DEF/STIGY和OBJFOCUS旋钮（使傅里叶变换为一圆环），得到清晰的高分辨像；（10）关闭CCD，再按下F1，将放大倍数调至100K倍，找到感兴趣薄区，并将电子束汇聚于一点，按下SA DIFF按钮，并将相机常数调至60CM，手动将菊池线的交点移至电子束中心。

选区电子衍射：（1）合轴完成后，在TEM、MAG1模式下，将感兴趣区移至屏幕中心；（2）通过感兴趣大、小来套取合适的选取光阑；（3）按下SADIFF按钮转为衍射模式，获得相应的电子衍射花样，并通过调节MAG/CAM L获得合适的相机常数（20-30CM）——不同相机常数的意义；（4）通过顺时针旋转BRIGHTNESS和调节DIF FOCUS获得足够暗、圆锐的衍射斑点。

3.2.3透射电镜实例分析

利用透射电镜获得的实验数据往往需要经过一些后处理过程，才能获得有用的结果。然而这一后处理过程在传统的教材和教学过程中却鲜有涉及。因此，我们通过引入科技文献中的透射电镜分析实例，可以在课堂中将这一过程完整的展现出来。下面以采用Gatan公司提供的Digital Micrograph软件来对高分辨率透射电镜图像进行反傅里叶变换处理为例进行说明，如何将文献中的透射电镜分析引入课堂教学。

我们将文献[4]中关于利用透射电镜来表征纳米陶瓷变形机理的例子引入课堂教学。首先，该文献介绍了纳米陶瓷不同于传统陶瓷的变形行为。因此，为了理解纳米陶瓷这种独特的力学行为，需要对纳米陶瓷在变形过程中微结构的演化进行分析。这是问题的提出。随后文献中利用透射电镜获得的纳米陶瓷变形后微结构的高分辨率图像（如图2a所示）。为了更加直观的展现出纳米陶瓷变形后，变形区域内存在的位错缺陷，需要采用DigitalMicrograph软件对选定的区域进行反傅里叶变换处理，进而得到如图2b所示的图像。通过将该部分研究实例引入课堂教学中，可以使學生对透射电镜数据后处理有更直观的了解，同时对以后系统学习Digital Micrograph软件打下了坚实的基础。

4总结

本文通过在“透射电子显微学”课堂教学中引入虚拟电子显微镜和科技文献实例，教师可以更好的将该课程中的理论知识和实践操作相结合，同时学生可以更直观的了解透射电镜，更容易理解透射电镜的工作原理。通过这样的教学方式改革，可以确保学生能够学以致用，最大限度的调动学生的主观能动性，让“教”与“学”更有机的结合。

*通讯作者：王皓民

参考文献

[1]刘辉，李亮，鄢国平，等.E+材料化学专业“材料研究与测试方法”课程分析与改善[J].山东化工，2018，47（22）：148-149.

[2]于景媛，李强，齐义辉，等.材料测试方法课程教学改革与实践[J].实验科学与技术，2015， 13（06）：92-94.

[3]石晓明，彭鹏，孟玉宁，等.《材料测试方法与技术》课程教学改革探析[J].当代化工研究， 2018（12）：139-140.

[4]Barak Ratzker， Avital Wagner， Maxim Sokol， et al. Deformation in nanocrystalline ceramics： A microstructure study of MgAl2O4[J]. Acta Mater，2020，183：137-144.