關于《電子顯微學》課程改革的探討

王慧

摘要：本文從教學內容、教學方法和考核方式三方面對電子顯微學課程的改革進行了探討，重點強調將電子顯微學基礎理論、實踐操作以及結果分析等有機結合，提高學生綜合運用電子顯微學手段分析解決材料研究中科學問題的能力。

關鍵詞：電子顯微學;課程改革;材料科學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）41-0077-02

繼光學顯微鏡發明之后，電子顯微鏡為人類打開了研究材料微觀世界的第二扇大門，將人眼的分辨能力從0.2mm提高到亞埃量級，成為一種進行材料形貌、結構、成分以及電子結構分析的綜合性分析手段。電子顯微鏡對材料的發展起到了巨大的推動作用，例如透射電子顯微鏡的三種分析技術：電子衍射襯度像、電子衍射以及高分辨成像技術分別在位錯的證實、準晶的發現以及納米碳管的發現方面發揮了無可替代的作用，其中準晶的發現獲得了2014年的諾貝爾化學獎。目前，電子顯微學的應用已經拓展到除材料以外的其他領域，如物理、化學、生物等科學領域，并且，伴隨著球差校正電子顯微鏡的出現以及原位（高低溫、環境氣氛、電學性能測量）樣品臺的發展，結合X射線能譜分析以及電子能量損失譜分析，電子顯微學在揭示材料的微觀結構及其演化方面展示出其獨特的高空間分辨分析能力。目前，幾乎所有的理工科高校都有透射電子顯微鏡并且開設了電子顯微學相關課程，然而，作為一種相對精密昂貴的設備，不可能對所有需要運用電子顯微學分析的學生都進行儀器操作培訓，而由于缺乏實踐操作這一中間環節，學生在基礎理論知識獲取與透射電子顯微鏡結果分析方面之間存在斷層，不能很好的將所學理論知識靈活運用進行結果分析。本文作者結合多年透射電子顯微鏡操作經驗以及電子顯微學課程的實踐教學進行了思考和總結，對電子顯微學課程的教學內容、教學方法以及考核方式進行初步的改革和探索，以期獲得更好的教學效果。

一、教學內容的改革

在選修《電子顯微學》課程之前，學生應該先修《材料科學基礎》、《晶體學基礎》等相關課程，對材料的晶體學結構有比較好的了解，熟知描述晶體結構的布拉格點陣以及倒易點陣。作為研究生選修課，由于學生的晶體學基礎各異，為保證良好的教學效果，需要對布拉格點陣以及倒易點陣進行系統的知識回顧，以便于學生更好的掌握后續授課內容。

以筆者所在的北京航空航天大學材料學院為例，《電子顯微學》課程以往的授課內容涵蓋了電子光學基礎、透射電子顯微鏡的構造、樣品制備、電子衍射、衍襯像、高分辨成像，其中授課課時過于偏重電子衍射以及衍襯像，均大于8個學時，而高分辨成像章節課時僅有2個學時，課時分配不太合理。其次，伴隨球差校正電鏡的發展，一些新的技術逐漸發展和完善起來，并在材料的原子尺度結構表征方面初顯其獨特的魅力。如利用物鏡球差校正的透射電子顯微鏡，賈春林教授提出的負球差系數成像技術（negative spherical-aberration imaging（NCSI））可以進行輕原子尤其是氧原子的探測;而聚光鏡球差校正的掃描透射電子顯微鏡中，高角度環形暗場像（high angle annular dark field（HAADF））與高探測效率能譜儀的結合已經可以同時進行材料原子尺度HAADF圖像以及成分的分析，同時，相較于高分辨成像，HAADF成像技術由于圖像強度不受實驗條件如樣品厚度、欠焦等條件的影響，更容易解釋而受到越來越多的關注;而環形明場掃描透射圖像可實現輕原子H、Li等元素的探測以及對輕重原子同時成像，在揭示新型能源材料如鋰離子電池的充放電機制方面發揮了重要作用。另外，聚焦離子束制樣技術的發展，使得可以對塊體材料進行精確定位，并且針對微米尺度區域進行透射電鏡樣品制備，從而解決了傳統制樣方法定位減薄難、單次制樣成功率低以及破壞性制樣的缺陷，尤其適用于利用原位透射電子顯微鏡進行材料微觀結構演化研究。因此，有必要對《電子顯微學》的教學內容進行更新和調整，加入這些新技術的成像原理以及案例分析，讓學生充分了解電子顯微學領域最新的發展，從而選用恰當的成像技術解決其在科學研究中遇到的具體科學問題。

二、教學方法的改革

鑒于透射電子顯微鏡不同于光學顯微鏡，不能通過直觀的圖像觀察直接進行結果解釋，需要一定的理論基礎。同時，作為一門實踐性較強的課程，實踐環節必不可少，然而現實是作為分析測試中心，無法提供足夠的機時供選修該課的學生進行上機操作，而短時間的操作只能讓學生了解儀器的基本操作，無法掌握各種分析技術的精髓。通過筆者在分析測試中心透射電子顯微鏡實驗室的長期觀察，發現學生在利用透射電子顯微鏡各種分析技術如電子衍射、衍襯像、高分辨圖像等進行實驗方案設計以及結果分析方面普遍存在困難，實踐操作環節的缺失導致學生無法將所學基礎理論、實驗技術以及結果分析有機結合。因此，如何通過《電子顯微學》課程的開展，讓學生真正的從理解基礎理論知識到靈活運用理論知識分析解決科研中的實際科學問題，值得深思。

傳統的《電子顯微學》課程側重基礎理論知識的傳授，雖然也有案例分析，但多為早期的實驗結果，不能緊密跟蹤電子顯微學發展的步伐;另外，在案例分析時很少將基礎理論知識、具體操作技術、以及結果分析有機結合。因此，有必要在傳授基礎理論知識之外，根據所要掌握的知識點，設計增加最新的案例分析，提高學生綜合運用透射電子顯微鏡各種分析技術解決問題的能力。具體的案例分析步驟為：（1）要求學生根據案例要解決的具體問題設計實驗方案，并提供實驗方案設計的理論依據，指導教師對設計不合理的方案要及時予以糾正，并通過基礎理論的分析講解不可行的原因，以加深學生的理解;（2）對于部分有透射電鏡操作經驗的研究生，要求其進行具體的實驗操作，并在操作過程中講解操作的理論依據，指導教師要及時補充講解與實驗操作相關的基礎理論知識，彌補傳統教學過程中實踐操作環節的缺失;（3）通過多種分析技術獲得初步實驗結果，并要求學生對獲得的實驗結果進行正確的分析表征。實踐表明，這種案例分析的過程相比傳統的教學方法，建立了實踐環節與基礎理論以及結果分析之間的聯系，從而加深了學生對電子顯微學基礎理論知識的理解與掌握，提高了學生利用透射電子顯微鏡分析問題、解決問題的能力。

三、考核方式的改革

開設《電子顯微分析》課程的目的是希望研究生通過本門課程的學習，能夠真正的將所學電子顯微學相關知識應用于具體的科學研究中，因此，本門課程考核重點在于學生能否能夠將所學知識融會貫通，在基礎理論、操作、以及結果分析方面有所收獲。傳統的考核方式以考試為主，重在考核學生對各種基礎理論知識的掌握水平，無法有效評價學生運用所學知識解決實際問題的能力，因此，提供了兩種考核方式對學生的學習效果進行檢驗：對于有實際操作透射電鏡經驗的學生，要求他們能結合自己研究課題中的具體科學問題，選用合適的分析技術開展實驗，并對獲得的透射電鏡結果進行合理正確的分析，從而建立材料微觀結構與宏觀性能的聯系;而對于沒有實際操作透射電鏡經驗的學生，要求他們能結合所研究的方向，進行廣泛的文獻調研，能夠分析文獻中如何綜合利用透射電子顯微術解決材料研究中的具體科學問題，能夠充分理解其分析過程以及分析機理，并能在以后的科研活動中靈活運用。實踐表明，由于考核從學生研究的課題入手，使學生能夠帶著興趣去進行實驗研究以及文獻調研，充分地調動了學生的積極性，實現了自主學習和探索，大大加深了其對電子顯微學基礎理論知識的理解，提高了學生利用電子顯微學進行材料微觀結構分析的能力，從而有效地提高了教學質量。

綜上，通過對電子顯微學課程教學內容、教學方法以及考核方式的改革，探索將電子顯微學基礎理論、實踐操作以及結果分析有機結合，從而提高學生綜合運用透射電子顯微學手段分析解決材料研究中科學問題的能力。

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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