“透射電子顯微學”課程教學改革探索

摘要基于“透射電子顯微學”課堂教學中存在的一些問題，本文擬將虛擬電子顯微鏡結合科技論文中所涉及的透射電鏡分析實例引入到課堂教學中，改革該課程傳統(tǒng)教學中以課堂理論教學為主的模式。教師可以更好的將該課程中的理論知識和實踐操作相結合，同時學生可以更直觀的了解透射電鏡，更容易理解透射電鏡的工作原理。通過這樣的教學方式改革，可以確保學生能夠?qū)W以致用，最大限度的調(diào)動學生的主觀能動性，讓“教”與“學”更有機的結合。

關鍵詞 透射電鏡 虛擬電鏡 教學改革 材料分析測試 微觀分析

中圖分類號：G424文獻標識碼：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

“透射電子顯微學”是一門理論、實踐并重的課程，是材料相關專業(yè)本科生和研究生的必修課，該課程旨在培養(yǎng)學生透射電子顯微鏡來分析材料的微觀結構形貌和顯微成分。在過去傳統(tǒng)“透射電子顯微學”的教學過程中，由于電子顯微鏡屬貴重精密設備、維護費用高昂，該課程的教學組織形式只能以課堂理論教學為主，不能組織開展實驗教學。學生只能生澀的理解透射電鏡分析的理論知識，并且對儀器設備的基本原理和構造缺乏直觀的理解。這些弊端造成了學生對該課程的學習積極性不高、學習效率低下，缺乏對該測試分析方法的直觀感受，這對學生以后利用該方法對材料進行測試分析是不利的。

針對以上“透射電子顯微學”課程教學中存在的問題，本文擬將虛擬電子顯微鏡引入課堂教學中，并結合科技論文中利用電子背散射衍射技術分析的實例進行講解。通過引入虛擬電子顯微鏡，學生可以在課堂上利用計算機對電子顯微鏡進行操作，并對電子顯微鏡的構造進行直觀了解。其次，結合科技論文中透射電鏡分析實例，重點講解其中涉及的測試條件、參數(shù)選擇，分析過程等，可以使學生對電子顯微鏡的操作和分析具有更加直觀的理解。

1“透射電子顯微學”課程特點

透射電子顯微學是一門理論與實踐緊密結合的課程。理論知識可以有效的指導實踐，同時也是分析結果的必備基礎。該課程要求教師對透射電子顯微學中涉及的理論知識點（比如：晶體理論、衍射理論、成像原理、能譜分析等）進行系統(tǒng)講解，同時應結合實踐操作對透射電子顯微鏡的構造、測試方法進行介紹。讓學生能夠直觀理解透射電子顯微分析方法。

透射電子顯微學是一門專業(yè)性與多樣性相結合的課程。透射電子顯微學同掃描電子顯微學一樣，都是通過利用高能電子束同物質(zhì)相互作用，并產(chǎn)生各種不同的信號，隨后對這些信號進行分析從而得到想要的結果。另一個方面，不同于掃描電子顯微分析較為單一的分析能力，透射電子顯微分析包括了形貌、結構、成分、能譜等分析手段。

透射電子顯微學是一門“低開高走”的課程。透射電子顯微學作為一門應用、實踐類課程，本課程的授課對象大多是材料類專業(yè)高年級學生或低年級研究生，他們經(jīng)過前期的專業(yè)課程學習，已經(jīng)具備了很多本課程學習所需的專業(yè)基礎。因此，在本課程的學習初期，學生的學習熱情往往較高，但隨著課程的深入，往往需要學生利用多學科的知識來解決問題，這對學生的綜合素質(zhì)以及教師的授課方式提出了較高的要求。

2“透射電子顯微學”課程教學方法

鑒于前面對透射電子顯微學課程特點的描述，教師在教學過程中應著重圍繞以下幾點來展開：

重視透射電子顯微學中涉及的理論基礎的講解。不同于其他現(xiàn)代分析測試技術，透射電子顯微學是一門多學科相結合的應用型課程。期間，教師應對材料的晶體結構、電子與物質(zhì)的相互作用、電子衍射規(guī)律、成像原理等理論知識進行系統(tǒng)講解。

系統(tǒng)、詳細講解透射電子顯微測試方法及涉及的理論內(nèi)容。概括來講，透射電子顯微測試的過程主要包括以下四個步驟：樣品準備、儀器校準（電子束合軸）、成像拍照、結果分析。其中每一個步驟對后面的結果均有重要的影響，因此教師在授課過程中應重視這種內(nèi)在的因果關系，并就每一操作步驟后面涉及的理論基礎進行講解，讓學生知其然也知其所以然。

重視透射電子顯微分析實例的講解，堅持從實踐中來到實踐中去。教師在課程教學中，可以選擇一些常用且具有代表性的測試分析案例進行講解。分析案例可以從科技論文中選取，通過對科技文獻中的測試方法和結果進行系統(tǒng)講解，可以讓學生對為什么使用透射電鏡，怎樣使用透射電鏡，使用透射電鏡能得到什么結果，怎樣分析透射電鏡結果等一系列問題有更加深刻的認識。有助于培養(yǎng)學生的科研思維和素養(yǎng)。

3“透射電子顯微學”課程教學改革探索

3.1教學方法改革探索

教學是由教師的“教”和學生的“學”的結合，如何讓教師的“教”有效的傳遞給學生，讓學生的“學”有所成，是教學活動中的重點。透射電子學作為一門理論和實踐相并重的課程，如何選擇恰當?shù)慕虒W方法和考核方式，是教好、學好這門課程的重要條件。

由于透射電子顯微鏡高昂的維護成本，因此傳統(tǒng)的透射電子學教學幾乎都采用課堂理論教學結合少量案例分析，學生無法直觀的感受設備的構造和工作原理。此外，由于學生幾乎沒有上機操作的可能，因此學生對透射電鏡的測試方法更是了解甚少。本文提出在課堂教學中引入透射電鏡虛擬電子顯微鏡（如圖1所示），可以讓學生在課堂上通過計算機對透射電鏡虛擬電子顯微鏡進行同步操作。由于該虛擬電子顯微鏡還支持零部件單獨操作功能，可以讓學生利用簡單的鼠標單擊選中，了解透射電鏡的零部件構造，以及每一個零部件的功能介紹及其工作原理。因此，教師在透射電子顯微學的課堂講解中，可以結合透射電鏡虛擬電子顯微鏡的這一功能，形象生動的對透射電子顯微學中相對應的理論知識進行講解，充分調(diào)動學生的積極性和主動性，激發(fā)學生的學習興趣。

另一方面，針對傳統(tǒng)透射電子顯微學教學過程中學生無法上機操作。我們可以利用虛擬電子顯微鏡上的模擬仿真功能，讓學生就透射電鏡的一些簡單測試方法進行操作。通過這樣的改進，可以徹底的扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)透射電子顯微學教學過程中，以教師授課為主，學生被動、生澀接受的教學方法；可以極大的增加課程的生動性，充分的讓學生參與進來，真正的做到“教”與“學”的結合；可以充分的發(fā)揮學生的主觀能動性，調(diào)動學生的積極性，使學生積極、主動的去探索、學習透射電子顯微學知識。

透射電子顯微分析在微結構方面擁有強大分析能力的同時，也帶來了復雜的數(shù)據(jù)后處理分析過程。在傳統(tǒng)透射電子顯微學教學中重點幾乎都放在的基本原理、基本構造和基本操作方法，很少關注其數(shù)據(jù)的后處理過程。我們通過將高水平科技文獻中的透射電鏡分析實例引入課堂，通過對這些實例的全流程講解，可以讓學生對透射顯微分析的整個過程有比較深入的了解，更重要的是可以讓學生直觀的了解透射顯微分析的數(shù)據(jù)后處理方法和過程。

3.2教學實例

本文通過在透射顯微電子學課程教學中引入透射電鏡虛擬電子顯微鏡以及科技論文文獻中涉及的典型材料透射電鏡分析案例，更加直觀的呈現(xiàn)該課程中涉及的基礎理論知識，提高學生的學習積極性，讓該課程的“教”與“學”更加緊密的結合。以下舉例如何將透射電鏡虛擬電子顯微鏡和科技論文文獻引入課堂教學中。為了充分發(fā)揮學生在學習過程中的積極性和能動性，加強學生在課程教學中的融入互動。我們將學生分為若干學習小組，每組人數(shù)控制的5-6人，每個小組在課堂學習中合作完成課程任務。

3.2.1透射電鏡結構及基本工作原理講解

透射電鏡結構和基本工作原理是透射電子顯微學課程教學中的基礎和重點，透射電鏡按功能可以分為三個大的部分：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)。其中照明系統(tǒng)由電子槍和聚光鏡組成。成像系統(tǒng)包括：物鏡、中間鏡、投影鏡。觀察記錄系統(tǒng)主要包含一個CCD相機，以及其他各種功能探頭（X射線能譜、電子能量損失譜、高角環(huán)形場探頭等）。以上這些透射電鏡零部件可以讓學生在透射電鏡模擬機上依次選中并操作，了解其基本功能，同時教師結合多媒體演示可逐一對透射電鏡的零部件的幾何結構、功能及工作原理進行詳細講解。

3.2.2透射電鏡的基本測試方法

以下以如何利用透射電子顯微鏡來拍攝選區(qū)電子衍射為例。利用透射電子顯微鏡來拍攝選區(qū)電子衍射主要包括兩個步驟：合軸和選區(qū)電子衍射。首先讓學生打開透射電鏡模擬機，根據(jù)模擬機上提示的操作步驟（如下）逐步操作、熟悉透射電鏡的基本測試方法。

合軸：（1）打開Beam開關，在LOW MAG下，找到試樣的薄區(qū)所在位置；（2）在LOW MAG下將放大倍數(shù)調(diào)至500倍，然后切換至MAG1；（3）找到一個薄區(qū)，將放大倍數(shù)調(diào)至2000倍，按下STDFOCUS，并將試樣邊沿移至屏幕中心，按下IMAGE WOBB X，試樣呈抖動狀態(tài)，再通過調(diào)節(jié)Z軸，使試樣不再抖動；（4）將放大倍數(shù)調(diào)至100K倍，并將無試樣區(qū)域移至屏幕中心，逆時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS至電子束呈合適大小內(nèi)、外圓形；（5）按下BRIGHT TILT按鈕，并通過調(diào)節(jié)SHIFTX和SHIFTY將電子束移至屏幕中心，再通過調(diào)節(jié)DEF/STIG X和DEF/STIG Y將電子束的內(nèi)圓恰好移至外圓的中心；（6）再按下COND STIG按鈕，通過調(diào)節(jié)DEF/STIG X和DEF/STIG Y將電子束的內(nèi)圓內(nèi)的圖形調(diào)成“奔馳”車標形狀；（7）逆時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS，使電子束的內(nèi)圓和外圓重合，再在HIGHVOLTAGE CONTROL界面中點擊“ON”，按下F4，通過調(diào)節(jié)DEF/ STIG X和DEF/STIG Y使內(nèi)外圓同心縮放；（8）順時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS，使電子束充滿整個屏幕，套取一號聚光鏡光闌，將電子束調(diào)至屏幕中心；（9）將放大倍數(shù)調(diào)至100 K倍，并將薄區(qū)邊沿移至屏幕中心，通過調(diào)節(jié)OBJ FOCUS旋鈕，將試樣邊沿調(diào)至為微欠焦（略顯白色邊沿），再將放大倍數(shù)調(diào)至400K倍，并將邊沿區(qū)移至屏幕中心，按下F1，然后打開CCD，并調(diào)出傅里葉變換，按下OBJ STIG，通過調(diào)節(jié)DEF/STIGX和DEF/STIGY和OBJFOCUS旋鈕（使傅里葉變換為一圓環(huán)），得到清晰的高分辨像；（10）關閉CCD，再按下F1，將放大倍數(shù)調(diào)至100K倍，找到感興趣薄區(qū)，并將電子束匯聚于一點，按下SA DIFF按鈕，并將相機常數(shù)調(diào)至60CM，手動將菊池線的交點移至電子束中心。

選區(qū)電子衍射：（1）合軸完成后，在TEM、MAG1模式下，將感興趣區(qū)移至屏幕中心；（2）通過感興趣大、小來套取合適的選取光闌；（3）按下SADIFF按鈕轉(zhuǎn)為衍射模式，獲得相應的電子衍射花樣，并通過調(diào)節(jié)MAG/CAM L獲得合適的相機常數(shù)（20-30CM）——不同相機常數(shù)的意義；（4）通過順時針旋轉(zhuǎn)BRIGHTNESS和調(diào)節(jié)DIF FOCUS獲得足夠暗、圓銳的衍射斑點。

3.2.3透射電鏡實例分析

利用透射電鏡獲得的實驗數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過一些后處理過程，才能獲得有用的結果。然而這一后處理過程在傳統(tǒng)的教材和教學過程中卻鮮有涉及。因此，我們通過引入科技文獻中的透射電鏡分析實例，可以在課堂中將這一過程完整的展現(xiàn)出來。下面以采用Gatan公司提供的Digital Micrograph軟件來對高分辨率透射電鏡圖像進行反傅里葉變換處理為例進行說明，如何將文獻中的透射電鏡分析引入課堂教學。

我們將文獻[4]中關于利用透射電鏡來表征納米陶瓷變形機理的例子引入課堂教學。首先，該文獻介紹了納米陶瓷不同于傳統(tǒng)陶瓷的變形行為。因此，為了理解納米陶瓷這種獨特的力學行為，需要對納米陶瓷在變形過程中微結構的演化進行分析。這是問題的提出。隨后文獻中利用透射電鏡獲得的納米陶瓷變形后微結構的高分辨率圖像（如圖2a所示）。為了更加直觀的展現(xiàn)出納米陶瓷變形后，變形區(qū)域內(nèi)存在的位錯缺陷，需要采用DigitalMicrograph軟件對選定的區(qū)域進行反傅里葉變換處理，進而得到如圖2b所示的圖像。通過將該部分研究實例引入課堂教學中，可以使學生對透射電鏡數(shù)據(jù)后處理有更直觀的了解，同時對以后系統(tǒng)學習Digital Micrograph軟件打下了堅實的基礎。

4總結

本文通過在“透射電子顯微學”課堂教學中引入虛擬電子顯微鏡和科技文獻實例，教師可以更好的將該課程中的理論知識和實踐操作相結合，同時學生可以更直觀的了解透射電鏡，更容易理解透射電鏡的工作原理。通過這樣的教學方式改革，可以確保學生能夠?qū)W以致用，最大限度的調(diào)動學生的主觀能動性，讓“教”與“學”更有機的結合。

*通訊作者：王皓民

參考文獻

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[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.