＊樊红樱 陈娟 周俊 王赪胤

（扬州大学 测试中心 江苏 225009）

引言

近年来，实践教学已经成为高等教育教学中的重要组成部分，对于学生综合素质、实践能力、创新精神的提高有重要作用[1-3]。而随着科学技术的发展，当代分析技术也是日新月异。因科研需要，学校购置了大量先进的大型分析测试仪器，这些大型仪器不仅成为高校教学科研工作必不可少的物质基础，同时也是高校核心竞争力与学校综合实力的体现，为高校开展科研和培养高素质人才提供了重要的物质基础和保障。但是，目前这些大型仪器主要服务于教师和研究生的课题项目研究，与本科生教学联系不够紧密。针对以上现状，利用实验课教学来拓展学校大型仪器设备的受益群体，并丰富和完善大型仪器设备在本科教育教学中的应用，提高本科学生的实践操作能力，为培养实践型人才发挥自己最大的力量。

透射电子显微镜，简称透射电镜，以波长极短的电子束作为光源，利用多级电磁透镜进行成像，是一种高放大倍数、高分辨率的电子光学仪器[4]。现已被广泛应用到生物、农林、医学、纳米材料、高分子材料等领域，已成为科研领域不可缺少的表征手段[5-8]。而现代测试分析技术相关课程中，透射电镜也是理论讲解和实验技术中的重要组成部分。但因其设备本身比较昂贵，学校拥有台套数较少，且维护和维修难度大且成本高，容错程度低，导致实验课的效果不佳。因此，利用先进技术设计新的本科教学方案，提高透射电镜实验课的教学效率和教学效果，已经是当务之急必须要解决的问题。

1.透射电镜在本科实验教学中应用的现状分析

高校教育中的实验教学是本科教学中的实践性教学的重要环节，是连接理论学习和实际应用的桥梁，在培养学生的动手能力、创新能力、实践能力和独立思考能力方面具有其他教学课程无法替代的作用[9-11]。而大型仪器相关本科实验课程的开设，可以打通教学与科研之间的壁垒，激发学生对高精尖技术的兴趣，提高专业知识的掌握度及锻炼动手能力，同时也能有效发挥大型精密仪器在地方高校中的作用，是充分发挥教育资源效益的有效途径。但是，由于各种因素的影响，鲜少有学校开展大型仪器相关的本科实验教学课程，导致现阶段大型仪器相关课程主要针对部分研究生开展。例如，大型仪器价格昂贵，维护和维修时间长费用高，对操作规范性要求严格，稍有不慎就会出现操作失误引起长时间的机器调试，更严重的是出现设备损伤，会造成整个课程甚至是整个测试服务工作的延误。因此，为了避免上述问题，实验课程多采用老师讲解及图片展示的方式，让学生了解操作的原理及操作全过程，并带领学生去仪器操作室观看老师的实际操作过程。这将严重影响学生动手操作能力、实践能力、创新思维能力和创造力的培养[12]。

扬州大学测试中心目前已开设《现代分析测试技术与仪器》和《仪器分析样品处理与实验操作技术》两门课程，其中透射电子显微镜在其中占有很大比重，选课学生较多。透射电镜是现在微观结构分析仪器设备中使用频率较高的仪器，但其价格昂贵、操作复杂、维护及维修费用昂贵，在实验课过程中多以学生观看老师演示的方式进行，无法让学生参与到实验课的整个过程中。导致学生在实验课中的收获大打折扣，无法达到实验课培养学生动手能力的目的，无法为培养动手能力佳的应用人才提供强有力的支撑。综上所述，大型仪器面向本科实验教学开放是势在必行的趋势，因此本次探索中以本中心的共享大型仪器透射电子显微镜为基础进行本科实验课程的设计，利用“虚实结合”“软硬结合”和“线上线下结合”等多种方法建立教学方案，让大型仪器的开放共享不仅可以为科研项目服务，还能为本科应用型人才的培养提供帮助。

2.透射电镜虚拟仿真软件的搭建

学校为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》、教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》和《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等文件精神，持续加强我校实验教学改革，丰富实验教学资源，创新实验教学手段，促进学生实践创新能力提升，组织开展了扬州大学校级虚拟仿真实验教学培育项目。而本次教学方案的设置所依托的生物电镜虚拟仿真实验教学项目得到了学校的支持。

生物电镜虚拟仿真实验教学项目的实验软件系统包括镜筒内部结构、操作模拟、练习题库、作业和考试模块等功能。已经初步使用于有透射电镜样品测试需求的研究生的培养中。以此为基础，探索建立电镜虚拟仿真透射电子显微镜虚拟仿真项目在本科教学中的应用方案。

(1)闭环式实验教学模式建设

通过调研学习其他高校透射电镜实验课的优秀方案，了解其他高校大型仪器虚拟仿真实验教学项目在本科教学中应用的先进案例，结合国家和学校对应用型人才培养的实际要求，建立创新的闭环式教学模式[13-15]。跟学生紧密沟通，做到边试验边总结边改进，随时完善教学方案，打造与时俱进的大型仪器实验教学新方案，打造可广泛推广应用的透射电子显微镜虚拟仿真项目在本科教学中应用的新教案。

(2)透射电子显微镜虚拟仿真实验软件开发

以日立HT7800透射电镜的虚拟仿真实验项目为例描述该软件建设情况。该软件在试运行阶段，初步尝试用于有透射电镜测试需求的研究生，提高他们对透射电镜的自主操作能力。全过程通过实景操作模拟，进行沉浸式教学，让学生完全理解并熟练掌握所有的操作环节。

虚拟仿真实验步骤描述了透射电镜从镜筒内部结构了解到电镜开关机及样品测试的全过程。

软件主要操作步骤如下：

①登录网站，进入虚拟教学；登录虚拟仿真平台（输入学生账号，密码）（图1-A）。

②了解电镜的结构原理，了解透射电镜的操作步骤（图1-B）。

③打开镜筒电源开关和电脑主机开关（图1-C）。

④打开模拟的HT7800操作软件并加电压、灯丝电压和电子束准备测样（图1-D）。

⑤拔出样品杆上样品，然后完成进样（图1-E，图1-F，图1-G）。

⑥在软件窗口进行样品测试过程，其中包括：全景导航图的调用、光阑调整、样品大小缩放、亮度调整、样品聚焦和主相机窗口拍照等全过程（图1-H，图1-I）。

⑦取出样品，将空样品杆装入进样仓，关掉高压，关闭操作软件，关闭电脑，完成拍摄的全过程。

3.透射电子显微镜实验技术教学体系建立

以测试中心为依托，基于已开发的透射电镜室及虚拟仿真实验软件，构建“透射实验室-虚拟仿真实验室”的虚实相结合的实验教学平台。将理论和实践相结合，将线上线下虚拟实验和实体实验相结合，可以拓展透射电镜实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学的时间和空间、优化实验教学的结构和模式、提升实验教学的质量和水平。打破传统的大型仪器实验课中老师操作学生观看的教学方式，实现教学方法的多样化，让学习者通过更多的平台和更丰富的学习方式，完成课程的学习。依据不同类型学生的需求差异进行个性化培养，提升学生的自主能动性，提高学生的创新实践能力。

本教学体系建立主要通过线上线下和软硬件结合的方式进行。秉承“虚实互补、能实不虚、以虚促实”的教学原则，结合现代信息技术，提升大型仪器在本科教学中的效果，提高应用型人才的创新和创造能力。教学体系建立主要内容如下：

充分利用虚拟仿真实验教学平台完成进行实验教学。将现代信息技术与传统实验深度结合。学生课前可以登录实验平台进行预习，实验过程中可线上与老师及同学交流，即“先自学课程，后反馈交流”充分发挥学生的主动学习能力，使学生从“要我学什么”转变为“我想学什么”，充分调动学生自主学习的积极性，加强其对相关知识的理解。虚实结合，让更多的学生有机会更早的接触到大型仪器的操作，为以后的科研开展和工作实践打下坚实的基础。

通过软硬件结合的模式，搭建虚拟仿真室和透射电镜室相结合，让学生在课时内依靠任课老师的讲解通过虚拟仿真的方式熟悉操作过程和注意事项，并通过相关考核后，方可进行实际的上机操作。首先，保证有操作需求并具备一定动手操作能力的学生可以在透射电镜室进行上机操作，既能保障学生使用电镜的自身安全性，也能大大降低电镜操作过程中因操作不当带来的重大损伤的概率。其次，可以将本系统搭载在测试中心官网上，让学生在课前对所学的内容进行预习，提前熟悉本次实验课程的操作内容，减少上课过程中的软件练习时间，增加有限课时内的上机操作时间。保证每个学生有足够的时间完成上机操作的实验过程，完成从原来的老师演示、学生观看到现在的学生自主操作的转变。

软件中设计理论学习、样品准备、操作练习模式、理论和操作考核模式、操作考核、实验报告等多种模块，让学生了解电子显微镜的基本构造和原理、样品前处理过程，初步了解电子显微镜的基本操作过程。学生可以提前完成理论学习，以便后续实验课上课过程中更好的理解课程的内容，以及加深对操作过程的理解程度。样品制备过程是透射电子显微镜拍摄的重要环节，好的样品制备是好的拍摄结果的必要条件，引导学生了解样品前处理的过程是透射电镜实验课程的重要环节，但是往往由于实验课时有限，在实验课程的过程中无法保证学生可以自主完成样品处理的过程。让学生在软件中不限时不限次的进行操作练习，在完成理论和操作考核任务后，方可进行电镜的上机操作。记录学生的操作全过程，在课程结束后，老师可以根据上课过程中师生互动情况、线上线下的交流情况、试题和操作的考核成绩，以及实体操作的情况综合进行评估，从而为每个学生提供全面的操作技能评价。

4.结论

利用已有的虚拟仿真实验软件资源建立全方位管理实验教学全过程的实验平台，可以有效利用现有的科学技术，提高本科教学的效果。有利于通过在线记录学生实验过程产生的数据，可以全面分析客观解析教学效果，从而充分掌握学生在实验教学课程中的参与情况及其对各个环节的感受，为实验教学的评估和教学改革提供详实的数据支撑，为学校本科实验教学的改革提供依据，为应用型人才的培养提供更好的培养方案。