基于本科生创新研究需求的扫描电镜实验教学模式探索研究*

覃丽禄，郝龙龙，马 妞

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400030)

扫描电子显微镜(scanning electron microscope，简称扫描电镜/SEM)是一种利用加速聚焦电子束扫描试样表面，让高能电子束与试样物质相互作用，激发出各种信号，如二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子、阴极荧光等，这些信号经过接收、放大和显像后，能够获取材料表面形貌、成分及结构等信息[1]。扫描电镜作为一种重要的材料表征与分析大型仪器设备，具有分辨率高、景深大、立体感强、样品制备简单、样品室空间大、放大倍数连续可调等特点，是研究和检测材料的重要手段，已被广泛应用于材料学、物理学、化学化工、生命科学、医学等领域[2-5]。随着技术的进步，可以在扫描电镜的样品室装入多种探测器，与其它设备联用，例如，X射线波谱仪、拉曼光谱仪、电子背散射衍射仪等。在可变气压样品室的扫描电镜中，还可以搭建原位样品测试系统，如加热、冷却、拉伸、压缩、加气等，在形貌观察的同时可进行原位观察实验，使扫描电镜的功能得到极大的扩展，相当于一个综合分析实验室。

目前，扫描电镜作为一种大型综合分析工具，应用于科研与教学中，许多工科院校在本科生的实验教学以及交叉学科的创新实验教学中均涉及到扫描电镜实验教学课程。实践教学是教育中的重要环节之一，对发挥学生个性、提高应用水平、提升创新能力等方面有着重要的作用[6]。在重视实践教学的传统与新工科建设的背景下，扫描电镜实验教学应以培养“厚基础、强能力、宽适应”的创新型人才为目标[7-11]，培养学生掌握专业理论知识和技术技能，理论联系实际，提升分析问题、解决问题的能力，提高学生综合素质。文章基于多年实验教学经验，结合我校大学生创新研究需求，通过建立网络资源共享平台、改善实验教学体系、建立创新实验教学管理考核机制等手段，探索出了扫描电镜在本科生创新研究中的实验教学新模式。

1 传统扫描电镜实验教学现状

1.1 设备数量少，人均占有量低

扫描电镜属于大型仪器设备，一台设备少则几十万元，多则几百万元，购置费用高昂。实验室需恒温、恒湿、无尘环境，空调、除湿机等辅助设备需常年运行，需定期对设备进行维护、保养、检修等，运行成本高[12]。 由于扫描电镜购置和运行成本的限制因素，目前各高校扫描电镜保有数量少、人均占有量极低，导致服务目标人群范围受限，无法开展大范围实验教学工作，使得扫描电子显微学表征分析技术在本科生培养上普及率较低[13]。

1.2 演示性为主的教学模式缺乏深度体验

目前，在实际扫描电镜实验教学中，由于设备数量少，只能以演示教学为主，且为“一对多”的授课模式，即一名指导老师给多名学生进行实验操作演示，学生在旁观摩学习[14]。以30人的教学班为例，分两组进行2～4学时的授课，内容包括扫描电镜结构、材料制样方法说明、样品上机测试演示等。其中，在扫描电镜内部结构讲解环节，电子光学系统 (电子枪、电磁透镜)、扫描系统、真空系统和信号探测系统等本身比较复杂，且嵌入仪器内部，不便于直接观察，导致学生在有限的时间内无法深入理解课程目标内容。此外，“一对多”模式下学生没有足够的时间进行实验操作，实验参与感少，浸入性差。 因此，演示性授课方式极大地限定了学生运用扫描电镜分析材料的能力，只能停留在感性认识的层面上，缺乏深度理解[15-16]。

1.3 教学内容单一，阻碍学生创新性培养

学生创新能力的培养要以扎实的理论基础为前提，实践是强化理论知识的重要途径，因而增加实践过程是引导学生走向创新的必经之路。改革前的理论、实验及分析环节内容单一。其中，在实验操作环节，采用较单一的标准测试样品进行演示实验操作，对我校冶金工程、材料科学、材料加工、建筑材料工程、材料成型及控制工程 5 个专业方向授课所涉及的材料分析领域契合度较低。但是，扫描电镜实验的复杂性在于测试的材料不同，制样方式就产生差异，实验方法也要进行相应地改变。采用单一手段，无法提高学生兴趣、激发能动性，影响学生对知识的吸收消化能力，严重阻碍学生动手能力和创新能力的提升。

1.4 考核方式急需改善

目前的扫描电镜实验课，一般以出勤和实验报告作为考核项目指标。一些学生上课时往往“漫不经心”、“走马观花”，实验目的性不强，兴趣不高，只有少部分学生能够积极参与其中。学生的实验报告内容重复率较高， 无法判定学习效果，因此考核方式也急需改善[17-18]。

2 以创新需求为导向的实验教学改革措施

基于目前扫描电镜实验教学中存在的问题，根据我校材料学院5个专业方向扫描电镜实验教学情况，结合大学生创新研究需求，从以下三方面进行了新的扫描电镜实验教学改革。

2.1 建立网络资源共享平台，引入直观生动的教学资源

扫描电镜属于复杂的大型精密实验设备，涉及的实验原理和检测内容较多。现有的实验课程预习内容主要基于实验指导书，无法多维展现扫描电镜内部结构，难以观察到扫描电镜的结构与工作原理。改革后的教学模式，充分利用当代互联网发达资源，依托网络平台，紧跟创新性研究型实验，建立网络资源共享平台。在平台中将扫描电镜的发展历史、基本构造、工作原理等教学内容中涉及的图像、动画、视频等直观的教学资源与师生共享。采用网络共享模式，打破“设备极少、课时有限、空间不足”的局限性，让大量学生可以随时随地进行学习，反复观看，加深理解。

2.2 建立“三段进阶式”实验教学体系，逐步培养学生创新研究能力

改革后的教学模式将本科扫描电镜实验课程细分为：基础理论实验教学、综合性实验教学、创新性实验教学，形成“三段进阶式”实验教学体系。学生通过不同阶段的实验课程学习，进阶式学习基础理论、锻炼实验技能、培养创新研究能力。

各阶段实验教学设计具体如下：

第一阶段：基础理论实验教学设计

利用多媒体手段及互联网，共享扫描电镜理论知识资源。学生可以在课前无障碍在线观看扫描电镜发展历程、基本构造和工作原理等内部动态展示视频。多媒体技术的应用，使理论知识内容丰富多彩，刺激感觉器官，丰富联想画面，进而增强学生记忆，便于学生理解。学生在线上初步了解和认识扫描电镜的相关知识后，在线下的实验学习中就更具有针对性和目的性。

第二阶段：综合性实验教学设计

根据不同专业学生的培养计划和专业教学要求，结合专业基础实验开展扫描电镜综合实验教学。

实验原理讲授环节，采用多媒体资料结合现场设备进行讲解。多媒体资料展示电子束光路原理和扫描电镜工作原理，电子束与样品的交互作用，这些动态展示逐点对应扫描电镜部件，给予学生更为直观的体验，提升学生的兴趣，强化理论原理掌握。

实验讲授环节，将学生分为4～6人/组，运用经典案例及实物、动画、视频等多手段交叉，理论联系实际，提高学生学习积极性和参与感。在增加样品的丰富性上贴近生活及专业方向，如实验观察日常生活中的实物(昆虫、毛发、花蕊等)以及针对各专业不同的材料进行现场测试。在样品不变的情况下，变换实验条件而实现综合实验技能培养，如现场操作展示不导电样品喷镀导电涂层前后的形貌效果对比、不耐辐照样品电子束照射前后形貌对比、不同电压下的形貌对比等，从而让学生深刻明白“荷电”、“辐照损伤”现象以及相应的处理方法。

第三阶段：创新性研究型实验设计

经过前两个阶段的实验教学，学生已经初步掌握了扫描电镜实验技术，就可以进行创新性研究型实验教学培养。在第三阶段，利用大学生创新实践平台，结合大学生创新实验和“挑战杯”、“互联网+”大赛研究项目的具体分析测试需求，让学生根据实际情况跨专业自由组合创新团队。在理论和实验教师的指导下，学生独立自主地完成实验测试内容，形成创新性研究型实验教学模式。

创新性研究型实验教学一般过程为：参与创新训练项目的学生，根据课题研究需求提交扫描电镜测试学习申请，经实验设备管理老师审核通过后，进入安全培训、理论培训、安全理论考核、上机操作培训、上机操作考核5个环节。上机内容主要包括：扫描电镜放样取样、形貌观察拍摄、微区元素分析、晶体取向分析等操作，不同专业学生可以根据项目实际需求进行相应操作的深度学习，更具针对性和有效性。经过上机操作培训并通过上机操作考核之后，学生即可通过共享平台预约实验，进行创新训练项目的扫描电子显微学技术研究。

在本阶段，针对不同专业、不同项目要求，整合实验教学资源、放宽实验设备使用范围、简化实验设备培训审批流程，让学生积极地参与到创新性实验当中，使参与教学的学生在科研实践中提高研究分析能力、培养专业实践技能。

2.3 建立创新实验教学管理考核机制，提升实验教学效果

明确对学生的考核要求，制定出各环节、各阶段的考核标准。依托实验室网络管理系统，建立基础和创新一体化的实验教学管理办法，实施一体化实验教学管理机制。建立安全评估体系、共享预约系统、操作考核制度。新的考核方式采用“预习分值、出勤情况、现场表现、实际操作、实验报告”5方面综合评判，增加预习及操作内容，可以充分调动学生的学习自主性，提升上课积极性，鼓励学生参加扫描电镜培训，提高扫描电镜实验教学效果。

3 结 语

进行扫描电镜本科实验教学改革后，形成了“三段进阶式”实验教学体系，学生在整个扫描电镜学习过程中，兴趣提升、目的性增强、实践能力提高。经过基础理论实验教学、综合性实验教学、创新性研究型实验三个部分的学习后，学生的创新研究能力逐步得到提高。新的实验教学模式将实验课程与创新研究项目相结合，促进“科教融合”，可同时提升教师教学水平和学生创新能力，能够提高扫描电镜在本科生创新研究中的使用效率，体现了新的实验教学授课方式的前瞻性和有效性。但是，新的扫描电镜“三段进阶式”实验教学体系仍存在一定的改进空间，需要进一步的探索与实践。例如，可以在经过改革的扫描电镜实验教学体系中加入虚拟仿真实验教学，即在第三阶段的上机操作之前先进行虚拟仿真模拟实验，让学生在一个模拟真实环境下进行多次反复虚拟操作，熟悉扫描电镜各部件的操作流程，使之在实际上机实践中能更快、更好地完成操作流程，提高培训效率。采用虚拟仿真系统与实物实验相结合，做到“虚实结合、优势互补”，全面推进扫描电镜创新实验教学，充分利用高端设备培养新一代高素质综合型人才。