大型精密儀器在實驗教學中的應用探索

宋洪海

北京航空航天大學 北京 100191

材料科學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學在材料學專業中起著重要的作用。通過實驗教學，使學生能夠將課堂上學習的理論知識，與科研實踐聯系起來，加深學生對理論知識的理解[1,2]。各大高校材料專業均開設了大量的實驗教學課程，尤其是一些基礎性實驗，各大高校的實驗課程已經發展比較成熟、完善[3]。

1　大型精密儀器設備在實驗教學中的現狀

然而，大型精密儀器設備在實驗教學中的開展并不是非常理想，各大高校依托大型精密儀器開設的實驗課程多數是以演示實驗為主，學生很少能夠自己動手進行操作，對學生的創新性及動手能力的培養較少。一方面，大型精密儀器設備價格昂貴，設備操作復雜，維修維護比較困難[4,5]，且大型精密儀器設備主要服務于科學研究，使得大型精密儀器設備無法保障大量的固定機時用于教學；另一方面，學生需要大量的時間進行學習與練習，才能達到熟練操作大型精密儀器的水平，開設以培養學生動手能力的實驗課程需要占用大型精密儀器大量的機時且學生的學習負擔過重。本文將以掃描電子顯微鏡為例，探討如何推廣大型精密儀器設備在實驗教學中的應用。2009年以前，北京航空航天大學材料科學與工程學院僅有2臺掃描電子顯微鏡。近年來，隨著我國加大對教育、科研的投入，學院擁有的掃描電子顯微鏡增加至6臺，為掃描電子顯微鏡開展實驗教學提供了硬件條件。

2　實驗教學改革

根據學生的學習能力以及學生對自身能力培養的需求不同，開設了3種不同層次的實驗課程，分別為：(1)基礎型實驗教學—綜合性實驗課；(2)創新型實驗教學—特色實驗課、大學生科研訓練計劃(SRTP)、馮如杯；(3)實踐型實驗教學—材料電鏡分析實驗。全方位、多層次的實驗教學，最大化地發揮出大型精密儀器在實驗教學中的作用，充分提高學生的科學研究的熱情，培養學生的創新意識及動手能力。

2.1　基礎型實驗教學

基礎型實驗教學的目的是使學生了解掃描電子顯微鏡的基本原理以及應用。開設的實驗課程為綜合性實驗課，屬于必修課，實驗性質為演示實驗，共2學時。實驗內容主要是向學生介紹掃描電子顯微鏡的組成結構、工作原理以及應用。實驗課中雖然是介紹工作原理，卻與課堂上的介紹的理論知識的學習有所區別。例如，介紹掃描電子顯微鏡分辨率的影響因素，課堂上的理論知識主要介紹了加速電壓對掃描電子顯微鏡的分辨率的影響，加速電壓越高，圖像分辨率越高。在實驗教學中，結合儀器設備的實際使用情況，除了介紹加速電壓對圖像分辨率的影響，還向學生介紹了工作距離、電子束斑對圖像分辨率的影響。通過實驗演示，讓學生充分了解這些儀器參數對實驗結果的影響，避免今后在科研的過程中，因為參數的選擇不正確而造成不理想甚至錯誤的實驗結果。實驗課中不僅介紹掃描電子顯微鏡的基本功能(材料表面形貌觀察以及微區成分分析)，還結合儀器設備的功能特點，通過圖像演示向學生介紹了掃描電子顯微鏡的原位拉伸實驗以及電子背散射衍射實驗。將掃描電子顯微鏡的拓展功能介紹給學生，使得學生能夠全面的了解掃面電子顯微鏡的功能，以及在材料科學研究中的應用。經過基礎型實驗教學后，學生今后參與材料領域的科研實踐時，能夠正確地選擇所需的儀器設備進行實驗。

2.2　創新型實驗教學

對于求知欲強的學生而言，基礎型實驗教學的內容并不能滿足學生對科學探索的渴望。針對這部分優秀的學生，開設了特色實驗課以及大學生科研訓練計劃(SRTP)、馮如杯等實驗教學，旨在培養學生創新意識和創新能力。學生以某一科研項目為主線進行實驗。學生在教師的指導下，自主進行課題研究和探索，了解和掌握基本的科學研究方法和手段，培養學生嚴謹的科學態度、創新意識，提高學生的科研創新能力和綜合實踐能力。整個實驗過程擺脫了教學大綱的條條框框，實驗內容完全由學生根據科研項目決定，學生自己設計實驗，選擇相應的實驗儀器設備。實驗內容、實驗結果都是不唯一的，充分發揮學生的創新性、調動學生參與科研的熱情，系統性地培養學生的科學研究的能力。

2.3　實踐型實驗教學

在創新型實驗教學中，學生參與了實驗的整個過程。然而，由于大型精密儀器設備的操作較為復雜，學生很難快速地掌握設備的操作技巧，整個實驗過程中的操作均是由師兄師姐完成，學生并沒有獲得親自操作大型精密儀器設備的機會。隨著社會的不斷進步，學生越來越重視對自身素質的培養。部分學生不滿足僅僅是了解大型精密儀器設備的功能，更渴望掌握大型精密儀器的操作技能。為了提高學生的實驗技能以及動手能力，開設了材料電鏡分析實驗課程，該實驗課的目的就是讓學生掌握掃描電子顯微鏡的操作技能，課程為選修課，共計16學時。其中4個學時向學生講解掃描電子顯微鏡的操作流程，以及操作過程中的注意事項；12個學時為學生進行操作練習的時間，學生在實驗過程中遇到的問題，指導教師隨時對問題進行講解。經過長達16學時的學習，學生能夠熟練掌握掃描電子顯微鏡的操作，能夠獨立操作，并能夠對實驗結果進行基本的分析。該課程開設以來，受到學生的廣泛歡迎，每年選修的人數都達到課程要求的上限。經過實踐型實驗教學后，學生熟練掌握掃描電鏡的操作技能，提高了動手能力并且調動了學生參與科學研究的熱情，為今后參與科學研究或工作邁出堅實的一步。

3　實驗教學改革成果

自2009年起，經過數年的實驗教學改革，實驗教學課程逐步完善，教學內容和目的更具有針對性，基本滿足對學生培養的要求。通過一系列實驗教學課程的培養，學生對大型精密儀器了解更加深入，越來越多的學生掌握大型精密儀器的操作技能。在參與科研的過程中，學生使用大型精密儀器更便捷，更高效，學生獲得的科研成果也顯著增加。

3.1　大型精密儀器的使用率提高

由于學生通過實驗教學課程掌握了大型精密儀器的操作，學生可以獨立地進行實驗。因此，學生使用大型精密儀器進行實驗更便捷，只要儀器處于空閑狀態，學生就可以進行實驗。學生通過大量的實驗，獲取了海量的實驗數據，同時也極大地提高了大型精密儀器設備的使用效率。圖1中列出2013～2016年3臺主要的掃描電子顯微鏡的科研機時。通過圖1中的數據可以看出，近幾年掃描電子顯微鏡的科研機時在逐步增加。大型精密儀器開展的實驗教學，學生掌握了實驗技能和實驗方法，學生能夠更有效地發揮出大型精密儀器的作用，取得雙贏的效果。

圖1　2013～2016年掃描電子顯微鏡科研機時

3.2　科研成果顯著

通過實驗教學課，學生不僅掌握了大型精密儀器的操作，獲取大量的實驗數據；同時也加深對大型精密儀器的理解，針對科研項目設計實驗更完善，實驗結果分析也更加準確。這都有利于學生獲取更多、更好的科研成果。圖2為2013～2016年本學院研究生發表SCI論文數，由圖2中數據可以看出，近年來的研究生發表SCI論文數穩步增長。

圖2　2013～2016年研究生發表SCI論文數

4　結語

隨著大型精密儀器設備的增加，為大型精密儀器設備開展實驗教學提供了硬件條件。根據學生的學習能力以及學生對自身能力培養的需求不同，開設3種不同層次的實驗教學課程：基礎型實驗教學、創新型實驗教學、實踐型實驗教學。培養學生對大型精密儀器設備的基礎認知、創新精神以及動手能力，充分發揮出大型精密儀器設備在實驗教學中的應用，提高了學生對科學研究的參與熱情，提高大型精密儀器的使用率，學生也取得豐碩的科研成果。

[1]段輝平,宋洪海,杜娟.高校大型分析測試設備服務于本科教學的方法探討[J].中國現代教育裝備,2012(11):25-27.

[2]方萍.有效發揮大型精密儀器在本科實驗教學中的作用[J].紹興文理學院學報,2015(9):93-96.

[3]朱耕宇,陳雪萍,浦群,杜旭英.大型精密儀器用于本科教學實驗的探索[J].實驗室研究與探索,2007(8):134-135.

[4]屈樹新,沈如.探索大型分析設備在本科教學中的應用[J].實驗技術與管理,2005(10):30-33.

[5]賴蕓.充分發揮大型儀器設備資源優勢的幾點思考[ J].實驗室研究與探索,2006(1):134-135.