強化以應用為目的的透射電鏡實驗教學探索

魏 婷， 唐 靜， 李金霞， 周麗繪， 藍閩波

（華東理工大學化學與分子工程學院，上海 200237）

0 引 言

透射電鏡是進行樣品形貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及微區(qū)成分分析的重要工具［1-2］，廣泛應用于生物醫(yī)學、病毒學、材料科學等許多科學領(lǐng)域［3］。在高校教學和科研工作中，透射電鏡是廣受歡迎和非常重要的大型儀器之一。作為實驗室大型儀器，透射電鏡具有以下特點：①透射電鏡屬于大型貴重儀器，數(shù)量有限；②透射電鏡屬于大型精密儀器，對周圍環(huán)境比如溫度、濕度、磁場、震動、灰塵等有嚴格要求，同時儀器需要定期維護、保養(yǎng)［10］和檢定，維修成本高、周期長；③透射電鏡屬于高真空儀器設(shè)備，操作復雜；④透射電鏡成像原理［11-12］涉及晶體、衍射、成像、能譜等，譜圖分析專業(yè)性強；⑤透射電鏡對樣品制備要求高，前處理有超聲分散、染色、超薄切片、離子束減薄等不同方式。

如今，隨著社會發(fā)展和科技進步，越來越多的高校購置了不同類別的透射電鏡，學生也有機會參與到透射電鏡的使用中。但是，透射電鏡作為高端實驗室教學儀器仍普遍存在著以下問題［13-14］：①實驗儀器數(shù)量有限，導致相關(guān)實驗內(nèi)容難以全面展開，學生上機人數(shù)和練習時長受限；②實驗課程設(shè)置較少，設(shè)計性和綜合性課時比例偏低；③透射電鏡主要應用于科研項目，常態(tài)化的實驗教學占用了其科研測試服務時間。

我校分析測試中心于2013 年啟動儀器開放培訓項目，該項目分理論基礎(chǔ)培訓（A 課／大課）及針對性的儀器培訓課程（B課）兩部分，其中B 課培訓必須在儀器基礎(chǔ)A課完成之后，進一步加強以儀器操作資質(zhì)為目的的一種繼續(xù)教育課程。本文以大型儀器透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM，簡稱透射電鏡）為切入點，結(jié)合透射電鏡應用特點與中心10 年來的實驗教學經(jīng)驗，圍繞如何有效推進高水平新工科人才建設(shè)，如何解決透射電鏡培訓的有效性，如何與時俱進地優(yōu)化透射電鏡實驗教學方案，如何讓更多的學生有機會參與到這個教學建設(shè)中來，以及如何提高透射電鏡的使用效率等問題，提出一種強化以應用為目的的透射電鏡實驗教學探索。

1 TEM實驗教學設(shè)計思路

TEM實驗課自授課以來，教師們不斷地探索創(chuàng)新，在強化培養(yǎng)研究生專業(yè)水平、持續(xù)開發(fā)儀器與軟件新功能、提高儀器的使用效率等方面積累了一定的經(jīng)驗。然而，10 年來，學校招生規(guī)模不斷擴大、國家科研水平顯著提高，所以必須進一步強化學生的動手能力、創(chuàng)新能力和分析能力，必須提高透射電鏡的利用率以加快實驗教學和科學研究的進度，在大型儀器條件有限的情況下，實現(xiàn)高質(zhì)量培養(yǎng)學生和高效率利用透射電鏡的正效應關(guān)系。圖1 列出了現(xiàn)階段透射電鏡實驗教學的實施對象、實施條件、實施目標和實施方案。在實施方案中可以看出，為了強化學生的應用能力，在以往的教學體系里增加了4 個步驟：①實驗A課。借助“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)加強交流，可以讓更多的學生了解透射電鏡的原理、應用以及透射電鏡與自己科研的關(guān)系，有機會進一步參與透射電鏡學習；②實驗B課。增加中期考核環(huán)節(jié)，中期考核分理論和上機兩部分，可以讓學生及時總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)錯誤并反思；③增加了自主訓練的課時數(shù)。學生在老師的指導下進行復雜樣品的練習與分析，可以提高學生學習的自主性。同時，借助“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)，將課堂由課內(nèi)延伸到課外，創(chuàng)造條件把相關(guān)透射電鏡的問題研究到底；④考核合格后，簽發(fā)資格證書，一方面用來約束學生們獨立上機行為，另一方面讓學生有技術(shù)證書雙加持，增加就業(yè)砝碼。

圖1 透射電鏡實驗教學體系設(shè)計方案

2 TEM實驗教學實施方案

2.1 設(shè)計實驗A課和實驗B課

為了克服儀器臺數(shù)少與學生數(shù)量大，培養(yǎng)要求高之間的矛盾，分析測試中心設(shè)置了側(cè)重理論教學的“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)A”和側(cè)重實操教學的“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)B”兩類實驗課程。目前共開設(shè)了3 門課程（“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)A——透射電鏡”“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)B—JEM-2100”和“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)B—JEM-1400”）。部分課程內(nèi)容設(shè)置見表1。

表1 TEM部分課程內(nèi)容設(shè)置

除了以上課程內(nèi)容設(shè)置外，“現(xiàn)代儀器實驗技術(shù)B—JEM-1400”課程設(shè)計有其自身的特點：

（1）生源要求高。①因為透射電鏡儀器貴重且維修成本高、周期長，所以學生必須完成實驗A 課的全部學習且考核成績優(yōu)秀。②作為一個校級測試平臺且大儀資源有限，所以會考慮資源統(tǒng)籌，讓各個學院各大課題組學生能盡量均衡享有機會，提高整個學校的透射電鏡測試效率。

（2）實驗B 課學生實操水平過硬且均具有資質(zhì)證明（可以提供資格證書和機時證明，見圖2），B 課學生一旦考核通過，只要該生導師、分析測試中心與實驗室裝備處三方達成協(xié)議（見圖3），他們都能成長為一個有責任、有擔當、有獨立精神與高水平實操能力的高級用戶，他們可以在整個研究生生涯中擁有上機操作的權(quán)限，在一次又一次實操過程中變得更加成熟。

圖2 資格證書管理系統(tǒng)

圖3 儀器開放責任協(xié)議書

2.2 豐富實驗教學內(nèi)容

（1）前期優(yōu)選實驗樣本。作為研究生專業(yè)選修課，同學們來自不同的專業(yè)，且選課時大部分同學研究課題尚未開題，對于透射電鏡圖片沒有直觀的認識。因此在前幾個課時里，選擇了粒徑分布范圍在2 ～2 000 nm，無機的、有機的、納米級的、微米級的；實心的、空心的、染色的、切片的等不同類型的樣品，讓同學們在練習儀器操作的同時，對于不同類型的樣品能有直觀且廣泛的認識。圖4 列舉了學生練習的6 種典型樣品，這里可以認識薄片、微柵、顆粒、多層結(jié)構(gòu)、染色與切片樣品及背景、金屬顆粒與微米級顆粒圖像襯度、過焦／欠焦與多層結(jié)構(gòu)的區(qū)分等，通過這些典型樣品的練習，能幫助不同專業(yè)學生對各專業(yè)樣品進行快速的初步了解，從而有效地達到了先認識再實踐的目的。

圖4 學生實驗中用于練習樣品

（2）中期增加考核環(huán)節(jié)。中期檢查分3 個內(nèi)容：①每位同學遞交書面上機報告一份，包括儀器基本操作流程、實驗內(nèi)容總結(jié)及相關(guān)思考與建議，以便及時發(fā)現(xiàn)并指出個性問題；②同學們通過團隊合作的方式全流程地操作透射電鏡，以便對共性的錯誤進行指正；③列舉其他常見錯誤，讓同學們提出解決方案，并加以指導，旨在豐富學生認知范圍，有效地提高學生分析能力。部分課件內(nèi)容如圖5 所示。

圖5 透射電鏡常見錯誤分析（節(jié)選）

（3）后期鼓勵自主設(shè)計。后半程的教學為分層教學，一部分學生可以使用教師準備的典型樣品繼續(xù)對透射電鏡儀器操作進行強化訓練；另一部分學生也可以自行制備一些復雜樣品。這樣不僅能激發(fā)學生的學習興趣，而且能提高學生對復雜樣品的分析與處理能力，在證實與證偽、成功與失敗之間，提高學生主觀能動性和強化實驗技能，培養(yǎng)科研素養(yǎng)，也為培養(yǎng)透射電鏡高級用戶作鋪墊。

2.3 引入“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)提高教學質(zhì)量

充分利用發(fā)達的網(wǎng)絡技術(shù)不斷提高教學質(zhì)量，比如：①利用微信、QQ等平臺，建立教師群，收集教師訴求進行有效溝通；建立學生群，及時分配學習任務、回答學生疑問、探討透射技術(shù)、推送優(yōu)秀講座等。在不斷的交流中更新TEM課件，使課件內(nèi)容由儀器操作為主豐富為全面的TEM操作及數(shù)據(jù)分析手冊（圖6 為課件內(nèi)容節(jié)選）。②教師通過嗶哩嗶哩、儀器信息網(wǎng)等網(wǎng)站積極參與相關(guān)學術(shù)交流和各項科研團隊學術(shù)活動，不斷提高自身水平。③利用問卷星等APP 進行學生問卷調(diào)查，形成教學質(zhì)量監(jiān)控，持續(xù)不斷地改進教學質(zhì)量。④特殊情況下，“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)能極大地保障教學工作的順利開展。比如，新冠疫情嚴重時，在保障師生安全的情況下，停課不停學。透射電鏡實驗課程的理論知識講解與上機操作演示均可以通過網(wǎng)絡授課，待疫情穩(wěn)定后，復課時再加強學生上機實操技術(shù)。

圖6 TEM中的測量技術(shù)

3 透射電鏡的教學成效

3.1 有利于人才培養(yǎng)和促進就業(yè)

學生對透射電鏡等大型儀器的熟練操作，有利于科研工作的順利進行，并且在解決實際科研問題和不斷攻堅克難過程中，能更好地了解儀器構(gòu)造、原理和功能，提高學生分析與解決問題的能力，在潛移默化中，成長為應用型、技能型、創(chuàng)新型高層次新工科專業(yè)人才［15］。除此之外，準確認識與排除常見儀器故障、身體力行大型儀器的安全管理規(guī)范、熟悉相關(guān)先進儀器的發(fā)展動態(tài)，以上條件均可能成為提高就業(yè)率的杠桿與砝碼。

3.2 有利于提高透射電鏡使用率

經(jīng)透射電鏡實驗課程訓練后的學生，具有較高的儀器操作和數(shù)據(jù)分析水平，他們具備了良好的上機操作能力，成長為透射電鏡高級用戶。同時他們可以享有透射電鏡的自主上機資格，極大地挖掘晚上和節(jié)假日時間，實現(xiàn)透射電鏡7 ×24 的使用模式，顯著提高儀器使用率，有利于緩解供需矛盾。表2 是近3 年透射電鏡JEM-1400 的部分教學成果。從中可以看出，每年2 個學期可以培養(yǎng)20 個學生（來自20 個課題組），對校內(nèi)高需求課題組的覆蓋率超過80%，他們均考核優(yōu)秀，具備成為透射電鏡JEM-1400 高級用戶的基本條件。這些學生中碩士研究生平均服務1 年，博士研究生平均服務2 ～3 年，一般來說，每年有50 人左右為學校各個課題組的透射電鏡測試需求服務。如果1 年按10 個工作月份計算（寒假和暑假各除去1 個月），上機時長大于20 h，相當于每半個月上機1 h，從表中數(shù)據(jù)可以看出約一半的校內(nèi)高級用戶保障了課題組常規(guī)的科研工作。如果1 年按50 周計算（1 年52 周除去春節(jié)和國慶2 個黃金周），上機時長大于50 h，相當于每周上機至少1 h，更是為高需求量的課題組創(chuàng)造了良好的科研條件。

表2 近3 年JEM-1400 教學相關(guān)數(shù)據(jù)

由此可見，高級用戶的培養(yǎng)有兩個顯著的好處：①明顯提高效率，高級用戶不僅提高了自己課題組的效率，也間接提高了基礎(chǔ)用戶的測試效率與質(zhì)量，高級用戶節(jié)省下來的儀器機時和教師精力均為基礎(chǔ)用戶的高質(zhì)量送樣檢測提供了良好的前提保障。②能極大地節(jié)省國家科研測試成本，其一，自主上機利用的是節(jié)假日及工作日18：00 ～次日8：00 的非工作時間，因此用戶有資格享受學校的測試優(yōu)惠政策；其二，對于JEM-1400 高級用戶來說，因為減少了樣品制備、測試條件的溝通、樣品等待等一系列耗時環(huán)節(jié)。綜上兩點，每個樣品的測試費可以從120.00 元降低到30.00 元左右，顯著降低了教師們的科研成本。

4 結(jié) 語

強化以應用為目的的透射電鏡實驗教學探索，具有以下幾個方面的特點：

（1）實驗課程內(nèi)容設(shè)置清晰，目標設(shè)計明確，分為理論課程與實踐課程兩部分，尤其是實驗B 課舉足輕重，目標就是培養(yǎng)技術(shù)絕對過硬且具有資質(zhì)認定的高水平新工科學生。

（2）顯著提高了透射電鏡的使用效率，因為學生充分利用節(jié)假日和非工作時間，并且他們具備良好的主觀能動性、實踐創(chuàng)新能力和高超的實驗操作與分析能力，所以大大縮短了透射電鏡的等候與測試周期，顯著提高了透射電鏡的機時數(shù)和利用率，從而帶來了高級用戶與基礎(chǔ)用戶、學校-教師-學生多贏的局面。

（3）明顯提高了人才就業(yè)競爭力，高級用戶在大量的自主上機實踐中，能夠準確認識與排除常見儀器故障，并且他們身體力行大型儀器的安全管理規(guī)范，熟悉相關(guān)先進儀器的發(fā)展動態(tài)，再加上資格證書加持，讓就業(yè)如虎添翼。