掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討

李陽陽，席俊華

(杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡，SEM)因其分辨率高、聚焦景深大、制樣方便、不破壞樣品等特點(diǎn)已經(jīng)成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力手段之一，除了斷口形貌觀察、顯微組織觀察等主要應(yīng)用，掃描電鏡還可搭配能量分散譜儀(能譜儀，EDS)實(shí)現(xiàn)微區(qū)化學(xué)成分分析[1]。掃描電鏡強(qiáng)大的功能使其在材料研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。隨著科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，掃描電鏡已經(jīng)慢慢應(yīng)用到高校研究生和本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2]。杭州電子科技大學(xué)材料科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院也將掃描電鏡作為基本的材料測(cè)試方法之一納入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，但是由于掃描電鏡的特殊性，在教學(xué)中存在不少問題。本文通過分析本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)掃描電鏡的教學(xué)現(xiàn)狀，探討了"理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)"相結(jié)合的教學(xué)模式，以期提高教學(xué)效果。

1 掃描電鏡在本科教學(xué)中存在的問題

掃描電鏡作為大型儀器，由于資源有限，價(jià)格昂貴，需要專人操作專人維護(hù)，用于本科教學(xué)時(shí)無法做到像其他實(shí)驗(yàn)課一樣每人一臺(tái)設(shè)備或幾個(gè)人一臺(tái)設(shè)備，上課的時(shí)候往往是十幾甚至幾十個(gè)人聚在一起，無法滿足實(shí)驗(yàn)課小組操作的要求，大多時(shí)候在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只能看著老師示范操作，并沒有親自操作儀器的機(jī)會(huì)或者上機(jī)操作的時(shí)間很短。因?yàn)閮x器設(shè)備的這種特殊性，導(dǎo)致了該類以大型儀器設(shè)備為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課的授課形式只能以教師演示為主[3]，大大降低了學(xué)生參與度。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，提高學(xué)生參與度是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要手段之一，參與度高的實(shí)驗(yàn)形式有利于學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰4]。這種以教師演示為主的實(shí)驗(yàn)課，在上課過程中學(xué)生以看為主，并不能很好地參與到實(shí)踐中，這容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)掃描電鏡的認(rèn)識(shí)只能停留在感性認(rèn)知的層面，仍然會(huì)覺得儀器很神秘，并且不利于學(xué)生加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，容易出現(xiàn)理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

本學(xué)院的掃描電鏡本科教學(xué)的授課計(jì)劃中設(shè)置了8個(gè)學(xué)時(shí)的理論教學(xué)和8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，聽課學(xué)生數(shù)為30人左右。由此可見，授課課時(shí)數(shù)相對(duì)較少，而學(xué)生數(shù)又多，這就導(dǎo)致了學(xué)生上機(jī)的時(shí)間更少，極大地限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不利于學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并且也降低了掃描電鏡的使用率。

2 “理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)”相結(jié)合的教學(xué)模式的建立

針對(duì)掃描電鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，杭州電子科技大學(xué)材料科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院采用了“理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)”相結(jié)合的教學(xué)模式，首先通過基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)掃描電鏡和能譜儀有基本的認(rèn)識(shí)；再通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在地接觸儀器，并對(duì)儀器構(gòu)造和使用方法有一定的了解；最后通過操作培訓(xùn)，讓學(xué)生更加熟悉儀器使用，并真正參與樣品測(cè)試。“理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)”相結(jié)合的教學(xué)模式讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)接觸掃描電鏡，并給學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)參與到實(shí)際樣品測(cè)試中，為其他老師和學(xué)生提供測(cè)試服務(wù)，更好地做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

2.1 理論教學(xué)

通過課堂講授的方式，任課老師向?qū)W生講述掃描電子顯微鏡(SEM)工作原理及構(gòu)造，電子束的產(chǎn)生，掃描電鏡的像襯原理，能量分散譜儀(EDS)，電鏡樣品的制樣及掃描電鏡和能譜儀的應(yīng)用等理論知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)掃描電子顯微鏡分析方法有一定的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)掃描電鏡的興趣，為之后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課由于儀器限制，大型儀器一般只有一臺(tái)，每個(gè)學(xué)生親自操作儀器的時(shí)間非常有限，一般采用教師講授、教師操作結(jié)合指導(dǎo)學(xué)生操作的講課方式，教師通過邊操作邊講授的形式詳細(xì)講解儀器設(shè)備的工作原理、樣品制備及操作流程，在觀察過教師的操作示范后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下，逐一使用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察，元素分析，在操作過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生大致了解了如何使用掃描電鏡。

2.3 操作培訓(xùn)

由于實(shí)驗(yàn)課堂上，一個(gè)學(xué)生接觸掃描電鏡的時(shí)間只有十來分鐘甚至幾分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到對(duì)儀器熟悉的程度，往往課一上完就什么都不記得了，為了進(jìn)一步鍛煉學(xué)生對(duì)掃描電鏡的操作，進(jìn)一步推廣掃描電鏡在學(xué)院乃至學(xué)校層面的廣泛應(yīng)用，我們學(xué)院特地開設(shè)了大型儀器設(shè)備的課外培訓(xùn)，培訓(xùn)以學(xué)生自愿參加、學(xué)院提供學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和鼓勵(lì)學(xué)生積極參加為原則展開，學(xué)生根據(jù)自己興趣，選擇相應(yīng)的大型儀器設(shè)備進(jìn)行報(bào)名，培訓(xùn)老師根據(jù)報(bào)名情況安排培訓(xùn)時(shí)間。

最初的掃描電鏡培訓(xùn)課程以培訓(xùn)老師提供的測(cè)試材料為觀察目標(biāo)，學(xué)生通過觀摩再次復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)容，之后，在培訓(xùn)老師的指導(dǎo)下，根據(jù)要求進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，直到熟練操作儀器設(shè)備。

最后，安排培訓(xùn)合格的學(xué)生給需要做電鏡測(cè)試的教師或者企業(yè)進(jìn)行樣品表面形貌掃描和元素分析，在實(shí)踐過程中往往會(huì)遇到很多既定課程無法預(yù)料的問題，再根據(jù)具體問題具體分析，讓學(xué)生對(duì)掃描電子顯微鏡有了進(jìn)一步的了解及熟悉，學(xué)生對(duì)大型儀器設(shè)備的認(rèn)識(shí)也不會(huì)只局限于課本或者實(shí)驗(yàn)課老師的操作中。

3 教學(xué)效果

“理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)”相結(jié)合的教學(xué)模式實(shí)施兩年以來，有不少學(xué)生積極主動(dòng)地參加了操作培訓(xùn)，在規(guī)定的課程學(xué)習(xí)后更深入地學(xué)習(xí)儀器操作。這樣的學(xué)習(xí)方式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生遇到問題解決問題的能力。經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生基本能熟練地使用掃描電鏡，不但為自己今后的科研道路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還能為教師和企業(yè)提供測(cè)試服務(wù)和技術(shù)支持，真正做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合，將所學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到解決實(shí)際問題中。

“理論教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-課后培訓(xùn)”相結(jié)合的教學(xué)模式的運(yùn)用取得了一定的教學(xué)效果，但是由于課后培訓(xùn)是以學(xué)生自愿參加的形式展開的，而且由于教學(xué)工作量的繁大，該教學(xué)模式在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有待于更進(jìn)一步推廣。