测试技术课程中电子显微技术的教学探讨

2020-03-07周卫东胡茂志王赪胤

广州化工 2020年11期

陈娟，周卫东，胡茂志，王赪胤

(扬州大学测试中心，江苏扬州 225127)

随着社会进步和科技的迅猛发展，现代分析测试技术成为科研创新和工程实践中不可或缺的一部分。从高端武器研发到日常生活中的食品安全监测，无不用到现代分析测试技术[1-2]。现代分析测试技术中电子显微技术的应用从材料科学和生命科学开始，如今已经发展到覆盖冶金、化工、生物、环境、园植、医学等几乎所有的科学领域。因电子显微技术能直观观测到材料的形貌和结构，并且能结合材料的成分和性能，对材料进行综合分析与评价，使得该技术成为科学研究和工程应用中必不可少的检测手段。然而如此重要的测试技术在高校设置的课程中所占比例少之又少。我校仅针对研究生开设了一门名为《现代分析测试技术与仪器》的公共课，共48学时，其中电子显微技术共10学时。为了让学生能在如此少的学时中掌握到知识要点并且能将所学技术真正应用于以后的科研工作中，本文将就该课程中电子显微技术模块教学过程中存在的问题进行剖析，并探讨相应的解决措施。

1 《现代分析测试技术与仪器》课程中电子显微技术模块教学中存在的问题

1.1 课堂讲授内容没有及时更新

科技发展日新月异，电子显微技术不断更新，电子显微技术在材料和生物等领域的应用范围也在不断拓展。而课堂展示内容没有及时将新技术和新应用补充上来。

1.2 学生的学习积极性不高

理论教学课堂上很多学生或低头玩手机等电子设备或与同桌窃窃私语，不能较好的紧跟老师讲授的内容；而实验教学过程中因受到场地限制，往往只是以老师示范操作、而学生观看的模式教学，大型仪器的操作步骤往往复杂繁琐，学生很难完全跟上老师的教学节奏，站在后面的同学更是因看不到老师的操作而索性放弃听课。

1.3 教学成效不够理想

虽然有很多研究生学习了这门课程，但是当他们真正做测试时，对于电子显微技术的基本知识知之甚少，没有达到开设这门课程的理想成效。

2 电子显微技术的教学探讨

为针对性的解决上述问题，现作出如下探讨：

2.1 教学内容需与时俱进[3]

教学内容中加入电子显微技术在近些年的发展情况。如最近十几年里电子显微镜的分辨率得到了重大突破，如今的透射电镜的分辨率达到原子级，能看到物质中原子的排列。又如人们将电子显微技术用于观察含水的生物样品时，面临如下难题：电镜需要在真空环境下工作，而生物样品必须保持在有水的环境中，水在真空中很快会蒸发。如何在电镜中观察到含水的生物样品是科学家近些年来致力解决的技术难题。起初科学家们考虑先将样品冷冻起来，再进入电镜观察，但是带来了一系列新的问题，如辐照损伤和冰晶对样品的破坏等。对于样品的辐照损伤问题，科学家提出低剂量成像加上叠加多幅图像的图像处理技术等解决方案。虽然利用很低剂量的电子束拍照会有很低的信噪比，但是叠加几万甚至百万张照片可以提高信噪比。另外，科学家们利用三维重构技术，将二维图像重构出三维样品的结构。通过三维重构、快速冷冻样品、低剂量成像以及图像分析技术，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson攻克了生物样品的辐照损伤难题，这三位科学家于2017年将冷冻电镜技术应用到溶液中的生物分子，高分辨观测到生物分子结构，并获得了诺贝尔化学奖。

2.2 结合多样化的教学方式和多元化的教学成果考核，提高学生的学习积极性

2.2.1 案例教学和实践教学等多样化的教学方式能使课堂生动起来

(1)案例教学

案例教学，即结合身边的科研实例，特别是拿出已获得较好结果的科研实例进行讲授。如我校化学化工学院的刁国旺教授借助电子显微镜技术、小角散射技术表征了柱芳烃的结构参数，帮助其阐述了柱芳烃的作用机理，该研究成果在国际顶级期刊nature communications上发表。授课老师也可以和学生分享以往测试样品的过程中遇到的问题以及解决这一问题的方法。如透射电镜观测高分子材料等不耐照样品时，为避免样品被电子束烧掉，可以通过降低电压、减小电子束强度等方法解决。讲解在没有冷冻电镜等先进仪器设备时，也可以通过如下的简单负染方法制备生物样品：使用重金属盐(如磷钨酸)作为染色剂，先将磷钨酸等重金属盐覆盖并渗透到生物大分子内，再将样品烘干脱水。样品中的蛋白质分子在烘干过程中可能被破坏或者被分解。但是干燥后的盐保留了大分子在干燥前的外部轮廓。而负染样品的缺点是无法获得高分辨图像。

(2)实践教学

对于大型贵重仪器的实践教学在各高校中始终是蜻蜓点水[4-5]。这源于大型仪器的精密与贵重，学生的一个误操作可能导致仪器受到大的损伤；另外一个同样重要的原因是大型仪器往往比较繁忙，无法空出机时让学生分成小组分别进行学习。为克服这些困难，对大型仪器的虚拟仿真设计是一个好的解决问题的方法。如我校设计的针对蔡司扫描电镜Supra55的虚拟仿真软件，可以让学生戴上头盔显示器和数据手套，亲自操作扫描电镜做样的全过程。包括将样品放入样品舱、调节电镜控制台上各功能按钮并观测样品以及将样品从样品舱中取出三个过程。因此，采用虚拟仿真手段进行实践教学，学生不仅都能亲自操作仪器，而且避免了误操作给大型贵重仪器带来的损害，甚至节省了实践课上所需的耗材。

(3)多媒体教学

现代科学技术的发展，让课堂告别了传统沉闷的黑板板书式教学，多媒体设备被普遍引入高校教室[6]。在课堂上，教师通过融合文字、动画、视频和图片等素材进行教学。将枯燥的基础理论知识采用动画演示的方式激起学生的学习热情，同时动画让知识更易理解，更能强化学生的记忆。教师将电镜观察样品的过程制作成视频，学生通过观看视频可以更直观的看到电镜的操作过程。将以往拍的很好的典型照片展示给学生，让学生对哪些是电镜照片的细节以及什么样的照片才是合格的电镜照片等方面有基本印象。另外，教师给学习电子显微技术的学生们建立微信群，并在群中及时推送最新的电子显微技术进展报道，这让平时不会主动关注电镜技术的同学也能了解电子显微技术的研究前沿。学生在微信群中可以自由提问，针对学生提出的问题，老师组织大家进行讨论和解答，使得学生的问题得以及时解决，也激起了学生进一步学习的兴趣。利用这样的多媒体社交平台增加了教师和学生之间的互动，建立了学生对教师的信任。

结合案例教学、实践教学和多媒体教学等，让课堂摆脱沉闷，让空泛的理论知识开始具体化，并更好的展示知识的实用性，这种多样化的教学模式能将学生更好的带入到课堂中。

2.2.2 多元化的教学成果考核能将学生的学习热情进一步激发出来

老的教学成果考核方式往往是在课程全部结束后对所有技术手段的掌握情况一起考核，这会让学生仅仅在考前突击，而在学习每门单独技术时积极性不高。对于电子显微技术模块，通过以下五项进行综合考核：(1)平时考勤成绩。每堂课上课前都点名，并将学生的考勤情况转化为平时成绩；(2)读书看文献后书写读后感。让学生在课外查阅电子显微技术相关文献，通过仔细阅读和自身消化，转化为读书报告等；(3)学生自己做PPT讲述学习心得。学生将学习心得制作成PPT并在课堂上分享，让学生能在课堂上适度紧张，较好的处于听课状态，并能在很短的时间内吸取其他同学通过较长时间的阅读获得的感悟；(4)操作仪器后的拟写操作步骤说明。这个要求不仅促使学生在操作仪器的过程中认真学习，而且有利于学生及时复习仪器操作流程，操作步骤说明作为一个记录文件，以后能常常复习强化记忆；(5)期终考试成绩。将所有的现代测试技术课程学习结束后，考察学生对电子显微技术的掌握情况。将五项加在一起的综合考核，让学生摆脱了传统的只要期终考试考不好便否定了其前期的所有努力的这一状况，更能公平公正的考察学生的真实水平。同时，这种考核方法使得学生在课堂上和实践中，一直都有紧迫感和参与感，能最大限度的激起学生的学习热情。

2.3 提高教师的教学水平，保证课堂教学质量

教师的教学水平可以通过鼓励教师做科研、指导青年教师讲授技巧以及教师自发学习获得教学技能这三个途径进行提高。

2.3.1 鼓励教师做科研

教师投身科研后，对科研过程需要的基础知识更加了解，更加能紧跟前沿，更新技术知识。并且能更多的站在学生做科研的角度讲述电子显微技术，真正让学生掌握电子显微技术的选用原则。教师自身做科研，更能从具体的从某种材料出发讲解材料的显微形貌或结构特点，并将其延伸至探讨材料显微组织结构与性能的相互关系，理清科学研究的思路，提前给学生营造科学研究氛围。教师投身科研，做科研过程中积极进取的状态能促使教师希望更好的讲授好一门课程，更好的对学生负责。

2.3.2 指导青年教师讲授技巧

刚从学校毕业的青年教师从学生身份直接转换成老师身份，对于如何教好一门课程缺乏经验。如果让青年教师通过自身摸索，慢慢总结教学经验，在摸索初期可能会因为很多因素没有周全考虑而影响教学效果。因此可以组织一对一和一对多的培训。一对一培训，即给青年老师指定一个教学资质较老的教师作为其教学导师，该教学导师从备课、上课、出试卷、改试卷等全方位角度指导青年教师教学，这种方式也有助于青年教师在教学过程中遇到问题时能找到对应的导师求教。一对多

培训，即一个授课能力优秀的教师对一批青年教师的集体培训。在培训过程中，培训教师传授其在长期的教学过程中凝练的经验及技巧，并对青年教师中普遍存在的教学问题进行剖析和纠正，助力青年教师提升教学水平。

2.3.3 青年教师自发学习获得教学技能

首先，青年教师每上完一堂课，就要认真总结这一堂课的教学过程中出现哪些问题，分析出现这些问题的原因，并马上列出解决问题的方案，并在下一堂课中实施该解决方案，确定该解决方案是否可行，若可行，则继续推行，若不行，则马上拟出可能适合的另一套方案并实施。这样通过不断的自我总结和调整，得出一套有个人特色的教学方法。另外，在信息发达的现代社会，互联网上有各种各样的名师教学音频、文件等资源，青年教师可以自觉向名师学习。高校中每年都会评选“最受学生欢迎老师”、“金奖堂”等授课能力强的老师，青年教师可以通过听课或请教等方式向这些课堂讲授能力强的教师学习。