刘小娟，吴锋景，张 何，黄先威，李谷才，刘万民，秦牡兰

(湖南工程学院， 湖南 湘潭 411104)



扫描电镜在应用型本科院校实验教学中的应用*

刘小娟，吴锋景，张 何，黄先威，李谷才，刘万民，秦牡兰

(湖南工程学院， 湖南 湘潭 411104)

扫描电镜(SEM)作为一种大型的精密仪器，在应用型本科院校的实验教学中起着重要的作用。针对扫描电镜实验教学出现的问题，本文进行了教学改革的探索，运用多媒体教学手段，引入合作式教学方法，开展以科研促教学的活动，改善考核方式。通过教学改革探索，激发了学生的求知欲，上课主动性增强，积极性提高，扫描电镜实验教学效果得到了有效地的提升。

扫描电镜；应用型本科；教学改革；教学效果

电子显微技术是一门现代化的显微学科[1]，为微观世界的探测提供了一种新的研究手段。而扫描电子显微镜作为一种新的电子显微仪器设备，其应用越来越广泛，不仅用于植物学、动物学、医学、微生物学、化学和材料学等领域的研究，而且还应用于半导体工业、陶瓷工业和化学工业等部门。随着国家对高校的科研和教学经费投入加大，扫描电子显微镜无论在数量上还是质量上都有所提高，该仪器在科研和教学中承担着十分重要的测试任务[2]。为了促进科研和教学，就笔者所在的湖南工程学院，于2014年购买了一台一百多万的日立SU3500的扫描电镜。由于该仪器本身价格昂贵、数量少，多数时间应用于学校的科研测试，而应用于本科实验教学的机时严重缺乏，导致实验教学效果差[3-4]。教高〔2012〕4号印发《关于全面提高高等教育质量的若干意见》明确提出为促进高校办学，强化实践育人环节，本科实验教学水平的提高起着不可忽视的作用。因此，笔者针对扫描电镜实验教学存在的问题，根据应用型本科院校对材料专业实验课程学习的要求，对实验教学方法的设计和开展进行了有益的探索。

1 扫描电镜实验课的特点

当前，无论是企业还是科研机构，只要涉及材料，扫描电镜的使用程度越来越高，因为扫描电镜是一种对材料微观结构认知有力的测试手段。同光学显微镜相比，扫描电镜测试的图像景深大，立体感强，放大倍数范围宽，分辨率高，有的甚至可达到0.25 nm。通过对扫描电镜实验课程的学习，有助于学生基本掌握仪器的分析测试方法，为以后从事材料测试和研究工作打下良好的基础。目前，在湖南工程学院材料化学专业大三下学期开设有《材料性能测试实验》课程，其中涉及扫描电镜实验课时为5学时。

2 实验教学中存在的问题

2.1 教学方法有待改进

由于扫描电镜价格昂贵，在实验课上一般实行演示实验教学。每班学生以35人计，10～12人/组分组上课，在有限的5学时内，课程内容安排有：扫描电镜工作原理和仪器结构介绍，材料制样方法说明，样品上机测试演示。其中，扫描电镜内部某些结构比如电子光学系统(电子枪，电磁透镜和样品室)、扫描系统、真空系统和信号探测系统等嵌入仪器内部，不便于直接观察；而扫描电镜工作原理因为涉及的理论知识面广，是机械、物理、电磁学、化学、自动化和材料等学科知识的综合；同样，扫描电镜分析的样品，较一般的分析仪器测试过程更为复杂；若测试的材料不同，制样的方式存在差异，测试的方法也相应改变。另外，扫描电镜用于本科学生操作的机会少，导致部分学生在实验教学环节存在认知不足或者错误理解。

2.2 考核方式有待改善

实验课程一般以出勤和实验报告作为考核目标。在以往的扫描电镜实验课上，一些同学实验目的性不强，兴趣不高，上课时心不在焉，走马观花，只有部分同学积极参与教学。在书写实验报告时，同组同学的实验报告内容重复率较高，实验原理、实验步骤和实验分析结果重复率可达80%左右，考核方式急需改善。

3 教学改革

3.1 多媒体教学的运用

多媒体教学是基于计算机硬件环境，将多媒体技术充分运用到课堂教学中的现代化教学模式。与传统的教学相比，多媒体计算机将视听合一的功能与交互性结合在一起，产生出一种新的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式。这种交互对教学过程具有重要意义，能够激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，有利于知识的获取[5]。

针对扫描电镜工作原理理解困难、内部结构难直接观察、材料制样多样性和上机测试过程复杂等特点，应用多媒体手段，将这几部分内容整理成PowerPoint和Flash动画，在实验开展前一周拷贝给学生，让他们做好实验预习，以便对扫描电镜涉及的内容有初步的认识和了解。这样在有限的实验课上，将减少相关知识的讲解，比如关于扫描电镜的工作原理，简要介绍为：在高压下，高能的电子束轰击样品表面时，与样品表面发生碰撞，使样品激发出各种信号，信号有二次电子、背散射电子和X射线等；正是通过这些信号，才得以对样品表面形貌进行观察和分析。

3.2 合作式教学法的引入

在高校里，大班教学是常用教学模式，上课时教师无法注意到每一位学生，很多时候只是单向传授，学生被动的参与。如果课前教师提出几个问题或者任务，分配给事先分成小组的学生去完成，同组的学生明确各自的分工和责任后，积极配合，协同完成[5]。这种合作式教学法可以让学生从被动学习转化为主动学习，学习的兴趣和积极性提高，相比传统教学学到的东西更多，记忆将会更持久。

就笔者学校材料化学专业开展的扫描电镜实验课也是采取这种方式进行教学的。因该实验课设置在大三下学期的中期，正是本科生毕业论文设计之际，在实验开展前一周，将3个具有代表性的毕业论文的课题布置给3组同学，让小组同学各自分工，去跟踪了解毕业论文实验中制备的样品特点，是液体还是固体？若是固体，固体是块状、条状还是粉末？如果是纳米材料粉末，采取直接铺展在导电胶带上还是通过超声分散处理？测试时选取二次电子信号还是背散射电子信号？通过查阅资料，每个学习小组选取合适的扫描电镜制样方法，利用多媒体PPT制定出测试的可行性方案，方案内容包括扫描电镜的测试原理、制样方法和测试步骤。通过合作式教学，每组学生积极参与，加强学生的团队合作意识，在有限的实验教学时间内，针对自己存在的认知不足，能够集中精力学习，较好地掌握扫描电镜的相关知识。

图1 纤维掺杂截面的扫描电镜图

图2 改性淀粉的扫描电镜图

3.3 结合科研教学，培养学生创新能力

传统实验教学是为理论教学服务的，不能结合学生兴趣或需要来设定实验内容，无法充分发挥学生在实验过程中的积极性和创造性[6]。而科学研究是高等学校的三大职能之一，只有教学和科研相结合，才有望培养出创新人才。一方面，要在科学研究中进行教学，通过科研带动教学; 另一方面，要在教学中加大探索因素，进行研究型教学，把科学研究真正贯穿于教学过程之中[7]。笔者学校的电镜室作为教学科研工作的平台，每周有2天时间开放给科研团队，其中涉及教师科研项目以及大学生创新项目，样品测试过程可以让学生认真观察科研课题制备的材料，通过电镜图像发现问题、思考问题，为广大爱好科研工作的师生提供了交流、学习的平台，引领学生深入探讨科学问题，激发学生对科学问题探讨的兴趣，培养了学生的创新能力。

3.4 考核方式的改善

传统的实验课程常采取出勤和实验报告进行考核。对于扫描电镜实验课的考核，我们采取多元化的考核方式，除了出勤和实验报告，还包括实验前材料测试的可行性方案的完成情况和实验课上学生回答问题情况。通过以上的教学方式，我们发现实验报告内容的重复率较降低到20%左右。这种多元化的考核方式有利于培养学生的综合素质。

4 结 语

我们对扫描电镜的教学改革探索主要针对应用型本科的实验教学。在扫描电镜实验教学改革中，运用多媒体教学手段，引入合作式教学方法，开展以科研促教学的活动，改善考核方式，提高了学生学习的兴趣和积极性，有效促进了教学质量的提升。在新形式下随着经济和科技的不断地发展，扫描电镜实验教学方法也要不断地去探索，不断地去改进，以便在材料测试和研究方向培养出素质过硬的综合性人才。

[1] 郭素枝. 扫描电镜技术及其应用[M]. 厦门: 厦门大学出版社，2006: 1.

[2] 张雪红. 拓展实验教学平台提高学生创新能力[J]. 实验科学与技术，2010,8(3):93-95.

[3] 李小红,喻佑华. 场发射扫描电镜及能谱仪在材料科学类专业实验教学的探索[J]. 景德镇高专学报,2013,28(6):16-17.

[4] 晏井利,梅建平,王仕勤. 材料科学与工程专业实验教学改革与实践[J]. 实验技术与管理，2011,28(6):250-261.

[5] 张楚廷.高校教师教育教学技能[M]. 长沙: 湖南师范大学出版社，2015: 117-119．

[6] 陆筑凤,李加友,王红梅. 基于“产学研”平台的扫描电镜实验教学改革与实践[J]. 中国轻工教育, 2016(1): 84-86.

[7] 吴锋景, 刘小娟, 肖鑫, 等. 《金属腐蚀与防护》课程在应用型本科院校的教学[J]. 广州化工, 2016, 11(10): 243-245.

Exploration on the Experimental Teaching of Scanning Electron Microscopy in Application-oriented Undergraduate Universities*

LIUXiao-juan,WUFeng-jing,ZHANGHe,HUANGXian-wei,LIGu-cai,LIUWan-min,QINMu-lan

(Hunan Institute of Engineering, Hunan Xiangtan 411104, China)

The Scanning electron microscopy(SEM)，as a kind of large-scale precision instrument, plays an important role in the experimental teaching. For the application-oriented undergraduate universities, some problems were existed in the SEM experimental teaching, several teaching reformations were explored, using multimedia teaching means, application of the cooperative method of teaching, developing the scientific research and improving the assessment methods to promote the experimental teaching. Those reformations enhanced the teaching effect. The students’ desire for studying SEM knowledge was stimulated, and their learning ability was improved.

scanning electron microscopy; application-oriented undergraduate university; teaching reformation; teaching effect

2016年湖南省教育厅科学研究项目(16C0392)。

刘小娟(1981-)，女，工程师，主要从事功能材料领域的教学与研究以及扫描电镜测试。

G642.0

A

1001-9677(2016)020-0201-03