材料分析測試方法中透射電鏡部分的教學思考與創新

杜 岳

(湖北師范大學 先進材料研究院，湖北 黃石 435002)

0 引言

材料作為二十一世紀三大支柱產業之一，材料研究與我們日常生活與科技革新緊密相關。而材料分析測試方法則是解鎖材料研究“四要素”(即性能、組成、合成加工與結構)之間復雜關系最有效的手段。透射電鏡作為打開材料微觀世界大門的重要手段，一直是材料分析測試方法課程教學中重要的一環。然而在實際教學過程中，透射電鏡涉及到復雜的空間轉換和抽象思維，具有較大的學習難度。特別是在講解透射電鏡電子衍射內容時，涉及到倒易點陣、Ewald圖解、正空間-倒空間轉化等概念時，學生因缺乏空間抽象與晶體學基礎等原因，常難以達到理想的教學效果。近年來，透射電子顯微鏡技術蓬勃發展，冷凍電鏡和球差電鏡在生物、物理、材料科學等領域的應用嶄露頭角，大大推進了科學研究的進程。因此，有必要對《材料分析測試方法》課程TEM部分教學內容進行更新，介紹專業發展前沿，適應時代的發展需求。本文將從TEM部分教學特點出發，從TEM教學內容和教學方法兩方面思考上述問題，分享近年來該課程的教學經驗與課程創新。

1 透射電鏡部分教學特征

透射電鏡部分教學內容兼具實踐性和學術性，盡管通過實驗教學可使學生更加直觀地學習TEM儀器組成與構造，掌握分析測試原理，將課堂上的理論知識與測試實踐相結合。然而，TEM設備的價格不菲，其采購價格在幾百萬到上千萬元。由于學校硬件條件的限制，TEM部分的教學常難以做到理論與實踐相結合。在部分有實踐條件的高校TEM實驗教學過程中，大多為操作演示與講授為主。在有限的時間內，學生們僅能加深一下儀器組成和操作方法的印象，并不能起到提升其綜合實驗能力與思維方法的作用[1]。

此外，TEM部分教學內容學科交叉屬性明顯，涉及光學、電磁學、晶體學等知識，諸多理論公式、抽象概念和空間思維相交織，使學生難以完全掌握。例如：試樣-倒易空間-顯微像間的傅里葉變換，倒易點陣的空間抽象、相位襯度相和電子衍射圖譜標定等知識要點，信息量龐大且需要空間思維能力，這使得部分基礎不夠扎實的學生難以理解，從而導致了消極學習的情緒[2]。

2 透射電鏡教學內容的思考與創新

2.1 抓緊課程教學的主線內容

透射電鏡教學內容主要有TEM結構與組成、TEM襯度原理和粉晶電子衍射原理、TEM單晶電子衍射等，在《材料分析測試》課程中處于重要位置。“承上”對接光學顯微分析和掃描電子顯微分析。TEM儀器結構組成與掃描電鏡類似，與光學顯微鏡同樣基于阿貝成像原理。因此，在實際授課過程中，應強調三類顯微儀器結構與原理的歸納，加強教學主線聯系，從而加深學生對人眼→光學顯微鏡→掃描電子顯微鏡→TEM內容的理解。

而TEM教學內容“啟下”對接x射線衍射分析則相對復雜，容易引起教學主線的混亂。這是因為TEM不僅是一種微觀形貌分析儀器，其相位襯度相和電子衍射結果攜帶著大量的材料晶體結構信息，可與x射線衍射分析結果相互印證。然而，晶體學基礎和晶體衍射分析屬于x射線衍射分析部分授課重點。先進行TEM電子衍射部分內容的授課的話，學生常會因缺乏晶體學基礎和晶體衍射分析能力，在學習過程中易由于難度過大，失去興趣。但是，調轉授課順序容易造成學生對剛剛學習掃描電子顯微鏡內容的割裂。因此在進行TEM電子衍射部分授課時，應注意圍繞微觀粒子的波粒二象性→x射線衍射與電子衍射區別→TEM相位襯度相與x射線衍射結果的聯系與區別→電子衍射花樣分析的主線進行內容設置，有效提高TEM部分與教學主線內容的連貫性。例如：通過圖示講解x射線衍射與電子衍射的區別與聯系后，學生們對x射線衍射分析的特點與重要性有了具體概念。在“翻轉課堂”的匯報時，部分學生對文獻中TEM電子衍射結果和x射線衍射分析表征圖譜進行了相互印證的分析，加深對材料分析測試技術的了解。又如在進行x射線衍射分析授課和x射線單晶衍射儀與勞厄衍射講解時，學生能夠輕易理解儀器原理和單晶x射線衍射圖譜的標定。通過上述改革，增強了學生學習積極性，收到了良好的教學效果。

2.2 實踐教學與突破難點

選擇恰當的教學案例，不僅有利于實現TEM教學內容的可視化，加強教學實踐性，而且方便對重難點內容進行針對性的突破。例如進行質-厚襯度、衍射襯度和相位襯度講解時，以氧化鋅納米顆粒相位襯度相為例，引入Ewald圖解解釋電子射線衍射形成倒易點陣成像的條件，解釋倒空間與正空間的轉換機制，加深學生們的空間思維能力。又如通過金的相位襯度相為例，經過傅里葉變換得到晶面間距信息，并與金在倒易點陣的單晶衍射斑點圖像和x射線衍射結果計算所得的晶面間距進行對比，從而揭示相位襯度相、倒易點陣和x射線衍射分析之間的聯系。結合案例，學生不僅對試樣-倒易空間-顯微像間的傅里葉變換有了清晰的認知，又加強了其x射線衍射分析與TEM電子衍射分析間的聯系。為有效提升學生的實踐能力，結合本人研究課題。在課堂上以Digital micrograph軟件對實測的銳鈦礦TiO2透射電鏡相位襯度相和電子衍射數據進行晶格條紋測量、傅里葉變換、反變換、斑點過濾等操作，對倒空間與正空間的轉換操作進行展示，使學生更加直觀的掌握TEM中正空間-倒空間的轉換。進一步介紹單晶電子衍射圖譜的指標化方法，舉例利用四邊形法則進行單晶Cu的電子衍射花樣標定，通過介紹CaRIne Crystallography軟件的使用與界面介紹，課堂演示計算機軟件標定單晶花樣過程。教學案例的選取與TEM數據處理軟件輔助教學的創新，增強了本課程的實踐性，有效激發了學生的學習興趣，提高了學生們學好這門課的信心。

2.3 教學內容與時俱進

透射電子顯微鏡的發展與應用一直與材料科學前沿相伴。近年來，冷凍電鏡和球差電鏡的成功研制與應用大大推進了材料科學發展的進程，TEM部分的授課內容也應及時更新。冷凍電鏡成像基于電鏡樣品制備，低劑量電子冷凍成像與三維重構。教學過程中應結合學科前沿，重點對冷凍電鏡制樣原理和三維重構機制進行介紹，如：2017年崔屹教授在Science發文，冷凍電鏡可用于觀察敏感性電池材料和界面精細結構[3]。而球差電鏡已在材料領域廣泛應用，成為觀察單原子成像與元素分析的利器[4]。教學時應著重解釋TEM球差形成機制、球差矯正裝置原理和球差電鏡高分辨率的原因，介紹球差電鏡在能源、催化、環境等領域的應用前沿。在課程教學中，通過增加冷凍電鏡和球差電鏡的教學內容，向學生們介紹了學術前沿，開拓了學生們的視野，收到了積極的反響。

3 透射電鏡教學方法的思考與創新

針對《材料分析測試方法》課程TEM部分的教學內容，在實際授課過程中，為有效提升教學效率與課堂效果，我們還應注意以下方法的運用：

3.1 多媒體教學與傳統教學方法相結合

根據課程的教學特點，在制作課件時應注意引入多媒體動畫、視頻等手段，把一些基本概念與教學重難點整合進去，提高教學質量。由于TEM部分涉及諸多抽象概念和物理過程，簡單的板書難以描述復雜的空間轉換過程。因此，利用動畫、視頻等方式將概念與物理過程具象化，反復播放，有利于加深學生印象，提高教學效果。例如：通過動畫案例描述電子束透過試樣(實空間)，經過物鏡在后焦面形成衍射花樣(倒易空間)后最終在相平面形成顯微相(實空間)的過程，將抽象的光路過程具象化。又如通過視頻講解，展示球差電鏡中球差形成的原因與球差矯正原理，使學生對球差電鏡成像原理能夠直觀了解。與此同時，結合板書對關鍵的公式推導和概念進行講解分析，將零散的知識串聯起來，對每部分知識點都及時進行歸納總結。利用超星、雨課堂等在線平臺，在網絡上進行習題發布與答疑，針對重難點知識錄制課程放在網絡上供學生復習，將學習時間延伸到課堂后，提升教學效果。

3.2 知識體系的串聯

材料分析測試方法多種多樣，各類科學儀器令人眼花繚亂。其中含激發源的測試方法原理依賴于電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等與樣品相互作用而產生的信號。在講授TEM部分內容時，應注意將相關分析測試儀器內容有機串聯。通過一個知識點將相關儀器設備串聯成體系，從而加深學生對課程教學內容的宏觀認識。例如：TEM、掃描電子顯微鏡、電子探針、俄歇電子能譜等分析測試儀器均基于電子與樣品相互作用產生的物理信號(透射電子、二次電子、背散射電子、特征x射線、俄歇電子等)；而TEM的成像則基于阿貝成像原理，光路原理與普通光學顯微鏡一致。此外，需要重點強調x射線衍射與電子衍射圖譜的區別與聯系，有側重點的進行課堂講解，加強兩部分間的聯系：1)從基礎的微觀粒子的波粒二象性出發，比較x射線衍射與電子衍射的區別；2)強調TEM相位襯度相的晶面信息與x射線衍射結果之間的聯系；3)解釋晶帶、晶帶軸、Bravais格子和點群等晶體學概念，以便于學生理解電子衍射花樣，為x射線衍射分析奠定基礎。在本章內容結束后，還應引導學生進行知識系統的梳理，方便學生順利進入下章x射線衍射分析的教學。

3.3 “翻轉課堂”模式應用于教學

應用“翻轉課堂”的模式，提高學生綜合分析的能力。TEM屬于最重要的材料表征手段之一，應將科學研究融入教學過程，列舉特征文獻中TEM數據進行分析，學生進行分組討論，激發學習熱情[5]。在TEM部分課程接近尾聲時，教師通過搜集典型TEM文獻數據，如：多孔材料、單晶、多晶材料、復合材料等，指導學生分組，并對相關文獻進行分析與歸類，最終形成匯報PPT.在此過程中，教師可以對學生自主學習質量和匯報表現進行評價。課堂上，學生與教師角色翻轉，學生分組進行PPT講解，教師對提問并考察學生知識點掌握程度，點評學生授課邏輯思維與表達能力，最后進行小組討論與答疑。授課完成后，同學們普遍表示“翻轉課堂”的模式，有利于加強自己的自主學習能力和同學間的團隊協作能力，諸多實例的講解更有利于自己對TEM教學內容的掌握與吸收。

4 結論

在《材料分析測試方法》課程TEM部分教學實踐中，本人通過對該部分授課難點與課程特點進行分析，設置授課主線，加強了TEM教學內容與課程教學主線的聯系。革新了TEM教學內容，并對重難點問題進行案例教學與軟件輔助授課。授課過程中，借助多媒體動畫、視頻教學、知識點串聯和“翻轉課堂”的形式提升教學效果，激發了學生學習興趣，提高了學生的實踐能力與創新意識。通過上述透射電鏡教學內容和教學方法等方面的改革，鞏固了學生對透射電子顯微分析的基本理論和實踐應用的理解，使學生能夠根據所學內容進行TEM數據的處理與分析，并為x射線衍射分析教學內容的開展奠定了堅實基礎。

Reflection and innovation on the teaching of transmission electron microscope in materials analysis methods

DU Yue