姚丽娟，朱 满，刘翠霞

（西安工业大学 材料与化工学院 陕西省光电功能材料与器件重点实验室，陕西 西安 710021）

高校实验室承担着本科的实验教学以及大量科研任务。不仅是学校教学与科研工作的重要组成，也是培养具有创新能力的高素质人才和开展科技创新的重要基地，对提升人才培养质量、促进学科建设与科技水平的提高具有重要意义。扫描电子显微镜是钢铁、冶金、有色金属、机械加工和化学、半导体、化工等领域中重要而常用的大型设备之一。然而，扫描电镜使用率高、维护成本高，如何科学、规范、高效地让扫描电镜满足实验教学和科学研究的需要尤为重要[1]。本文以Quanta 400F 型热场发射扫描电子显微镜（以下简称扫描电镜）为例，介绍扫描电镜的实验教学过程，并就如何有效管理扫描电镜展开讨论。

1 实验教学

扫描电镜的实验教学加深了学生对书本知识的理解与应用[2]。绝大多数学生仅从教科书上了解扫描电镜的基本原理与操作过程，但并未接触过扫描电镜的真实设备，仅仅依据书本知识进行硬性记忆，而扫描电镜的实验教学恰好弥补了这一缺点。

1.1 教学安排

根据教学大纲要求，扫描电镜的使用对象主要是各学科的本科生和研究生，教学中重点讲解扫描电镜的样品制备和成像原理，对扫描电镜的二次电子成像、背散射电子成像、微区成分分析及电子背散射衍射等功能逐一讲解。学院各专业的电镜实验教学整合实验项目，公共实验室承担相应的实验教学任务，开展基础实验、综合实验、大学生创新实验等；电镜实验课每班分组授课，以4～6 人为一组，鼓励各个小组参与教师的科研工作，制备合适的试样现场操作，结合项目对本科生进行开放实验教学，扩展本科学生的视野。

1.2 运用多媒体技术开展实验教学

场发射扫描电子显微镜配件较多，操作繁琐[3]，但却是材料专业研究生和本科生必须掌握的设备之一。实际操作和动画演示都是教学中不可缺少的内容。设备台数和实验室空间有限，扫描电镜的电子枪、极靴等重要部件和各种探头都在设备厚厚的外壳下，有高压真空状态的保护，不可能将电镜拆开讲解，所以诸如二次电子、背散射电子成像等原理用动画等形式表现，更容易被学生理解和接受。扫描电镜的电子光学系统等结构知识可以用PPT 等形式介绍，用图片即可生动讲解；而试样的制备、电镜的某些功能操作（电子背散射衍射和原位拉伸试验）可以拍摄视频观看，不仅大大节约电镜现场操作时间，学生理解也将更加透彻。近年来，与电镜相关的特色竞赛纷纷出现，奖励除有奖品证书外，还有升学夏令营等条件。教学中可适当引入有关内容，不仅增加课堂活力和吸引力，还鼓励学生深入了解仪器的使用方法。

1.3 因材施教

由于不同专业所研究分析的材料不同，每个专业的电镜教学的知识点难点不同，如非金属专业侧重于材料的形貌分析，重点掌握二次电子形貌衬度概念，而不要求重点掌握背散射成分衬度的概念。对每班内学生分组，要求每组学生在上机操作前，参考理论课学到的扫描电镜知识和文献，提前制作出测试试样，并思考会观察到什么样的组织形貌和成分组成。在实际操作中，仔细检查学生试样的制备情况，详细介绍离子溅射仪的用法，详细询问学生对试样的性质以及测试内容的了解程度，现场操作演示在不同模式下改变光阑尺寸、束斑直径、电压、调焦、消像散等操作，让学生学习不同试样如何选择正确的参数，在测试中得到真实可靠的样品宏观、微观形貌和成分等数据。并带领学生认识电镜的空压机、机械泵、冷水机配件，对配件进行换水、换油等维护，既节约维护机时，还提高学生对设备的了解，考核计入现场回答问题实操成绩加实验报告书面成绩。

通过独立思考过程，学生的动手能力、解决问题能力得到提高，而且对扫描电镜理论知识有了“生动”的概念。对于材料专业的学生而言，演示的内容要对学生产生强烈的视觉冲击，能让学生被微观世界的无穷奥秘所吸引，提升对相关学科学习的兴趣。碳膜上金颗粒和高熵合金组织的扫描电镜照片如图1 所示，其中图1(a)为碳膜上的纳米金颗粒，后期通过Photoshop的渲染上色提高辨识度。图1(b)为学院学生拍摄的高熵合金组织照片。

图1 碳膜上金颗粒和高熵合金组织的扫描电镜照片

2 开放管理

为了更好地服务广大师生，减少原有管理员纸质审批的繁琐工作，学院2014 年开发使用了预约系统，并利用计算机软件统计诸如教学实验开出率、设备利用率等一系列的量化数据，作为衡量实验室开放管理水平的指标[4-6]，有效提高了仪器的使用率和现代化管理水平。

2.1 根据扫描电镜的功能进行设置管理

与传统的钨灯丝扫描电镜不同，Quanta 400F 场发射扫描电镜综合了场发射电镜高分辨和ESEM 环境扫描电镜适合样品多样性的优势，提供高真空、低真空和环境扫描三种操作模式，可对各种各样的样品（包括导电样品、不导电样品、含水含油样品、加热样品等）进行高分辨的静态和动态观察和分析[7-9]。每种功能的测试条件、准备时间和试样制备[10-11]均有很大不同，因而根据不同功能设置了电镜管理方式，由申请人在网上预约申请并填好相关实验信息，然后网上提交给设备管理人员进行审核。

2.2 实验用户分类

根据本设备使用人群确定了用户群范围，主要分为三类：（1）本院教师，学生（本科生、研究生）及其指导教师；（2）其他学院需要使用本扫描电镜的用户；（3）校外使用用户。

以上人员在用户注册时就分别具有不同的通道，学院的实验教师在排好课程后上传系统生成课表，在上课的时间段里不允许预约。本学院的本科生、硕士生有实验要求时，需要由指导教师先审核，使用指导教师的用户账号进行预约。外学院和校外人员用户注册和预约方式与学院内类似。用户实验预约流程如图2所示。设备管理员做好贵重设备管理记录和及时更新发布设备状况信息，根据设备状况和节假日等因素控制开放与关闭设备预约。

图2 用户实验预约流程

2.3 分层次管理、合理分配时间、培养学生的动手能力

由于这款型号的扫描电镜功能多，初学者容易误操作，扫描电镜的实验课主要以讲授和演示相结合的方式为主，重点在于使本科生了解扫描电镜的基础知识。对于测试用户，由于测试的内容不同决定了试样的要求不同。考虑方便实验人员管理、提升用户满意度以及设备安全等因素，需要对各用户群分层次管理[12]。

扫描电镜在使用过程中，存在的主要问题有：（1）测试时间相对集中，主要集中于毕业设计阶段；（2）大量学生甚至部分教师，对设备和测试实验了解程度不够。针对上述情况，对使用次数较多的教师和部分责任心较强的学生进行实验设备培训，合格后即允许他们进行独立相关操作。对于来自其他学院和校外的人员，由于不确定他们对设备和测试参数的了解程度，设备管理员需要审核其试样是否符合电镜要求，由实验师帮助测试，不允许直接操作。

设备管理员可结合扫描电镜的情况和测试特点，实行灵活的实验管理制度。在实验预约系统中，设定提前一周预约。测试需求量大时，可灵活设置开放时间。为保证实验质量，每次预约至少1 小时，供用户组使用。通过网上记录，可自动计算出教学实验开出率、教学负荷量、设备利用率等一系列重要指标。改进管理后的扫描电镜使用效率大大增加，从原来的年均600 机时增加到年均1300 机时。