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，不仅用于材料学、医学、微生物学、化学、植物学和动物学等领域的研究，而且还应用于半导体工业、陶瓷工业和化学工业等部门。SEM是目前高校教学、科研工作中至关重要的大型仪器设备。现代快捷的开放共享平台、高质高效的测试服务、科学有效的管理维护等提高了仪器的使用效率，为高校科研工作提供了强有力的支撑。
我国当前电镜技术瓶颈的突破关键在于强化电镜硬件基础教学，以实现从仅能使用到自主研发的转变。扫描电镜模型的开发有助于学生直观的了解设备结构、工作原理和功能特性，同时加深对电镜测试流程及制样技术的认知，这也为进一步获取高质量电镜
和解决常见电镜问题奠定了基础。
针对教学需求，通过实施电镜解剖、直观展示原理、主动参与实践以及关键部件组装等一系列创新教学模式，学生在掌握仪器操作的同时，实践能力得到提升，实现了理论与实际的紧密结合，为电镜硬件教学提供了良好的实践平台。此外，SEM实验教学凸显了其前沿性、趣味性和实用性，有助于激发学生的创新意识、培养创新能力及实践能力。这对于培育我国创新型科研人才、现代分析测试技术储备人才以及扫描电镜维护人才具有重要意义，进而助力学生的职业发展规划。
基于此，通过“启导、扶导、开导”转变“教”的方式，“体验、建构、表现”改革“学”的方式，以现代信息技术模拟扫描电镜电子束工作原理的电路板系统，并构建电镜模拟操作系统，同时引入实物教具，探索电镜实验平台的系统化建设改革。事半功倍解决学生难以将扫描电镜构造与课本结合在一起的问题，为将来从事材料学工作奠定扎实的基础，具有重要的现实意义。
1. 以“技术推进学习”为抓手，用“启导、扶导、开导”转变“教”的方式
（1）以富媒体教学形式，设计“启导”式教学内容。
编制扫描电镜工作原理及内部构造的Flash课件：自主设计制作的Flash课件详细介绍了电子枪、电磁透镜、物镜光阑及扫描线圈的位置和对电子束产生的作用，经过不同探测器成像的整个抽象过程。
图1 新编Flash课件截图
（2）剖析电镜实验教具，开展“扶导”式实践教学。
将报废的电镜制成实验教具：解剖报废的电镜，将镜筒部分沿轴向刨开，再将内部的电磁透镜、物镜光阑、扫描线圈、样品台、探测器等器件原位进行加固，清晰展示真实电镜的内部结构并供学生操作。
图2 解剖前后的扫电镜教具
制作电镜模拟光路系统：在解剖电镜的基础上，通过自主设计模拟扫描电镜内部电子束工作原理的电路板系统，并将该电路板系统镶嵌在解剖电镜教具镜筒内部，清晰展示扫描电镜内部光学器件复杂的的工作原理。
图3 加装电镜模拟光路板的实验教具
（3）搭建信息化交互学习系统，探索“开导”式教学模式。
开发电镜工作原理人机交互学习系统：自主开发的“电镜工作原理人机交互学习系统”设置了典型的实验参数和对应的图像数据，搭配电镜模拟光路系统，可生动展示电镜工作参数和电子成像之间的关系。
图4 扫描电镜模拟操作系统
2. 以“精练助力课堂”为抓手，用“体验、建构、表现”改革“学”的方式
（1）利用3D打印技术复刻开发电镜教具，增强学生“体验”感。
利用3D打印技术1：1完整复刻制作多套扫描电镜模型，增加课上教具台套数，让学生有上机实践的体验，统一完成理论知识加实验课的学习，提高授课效率。
图5 3D打印扫描电镜教具
（2）设计制作可拆装电镜模型教具，强化动手“构建”性。
将已报废电镜各零部件进行拆卸测量、工程建模、切片处理后，利用3D打印技术制作出3套可拆卸扫描电镜模型，供学生们实际动手组装电镜，使学生通过实际动手组装的方法完全掌握电镜内部结构和工作原理。
图6 可拆装扫描电镜教具
教学应用
1.实验教学应用情况
本项目已将扫描电镜实验教学方法实施于我校扫描电镜实验课程中。通过让学生亲自动手组装，使学生全面掌握电镜内部结构及工作原理，提升了学生课堂参与度。项目循序渐进地引导学生从理论入手，深入学习扫描电镜的操作技巧，在有限的教学时间内提高学生对扫描电镜的认知、实践及问题解决能力。在教学过程中，将加工过的扫描电镜实物与自主开发Flash课件紧密结合，实现虚实结合的教学模式，取得了显著成效。
截止目前，为材物、材科、材化、纳米等专业1742名本科生提供了3460人时的实验课程学习。
图7 实验教具在扫描电镜实验课程中的应用
课题组设计了调查问卷（见图8），旨在收集可拆装扫描电镜实验教具的反馈意见，问卷结果不仅可以帮助我们更好地了解学生对教具的看法和建议，而且还可以根据收集到的反馈信息来调整和改进未来的教具设计，对于提高实验教学质量和用户体验具有积极的正面价值。其中98.04%的学生认为实验教具的电子光学电路有助于电镜成像原理的学习，94.12%的学生认为实验教具有助于培养自身的实践意识，表明该教具的开发初步达到了教学方式改革的目的。
图8 部分学生对教具使用后的反馈意见
2.学术讲座及技术培训情况
定期组织学术讲座，线上线下实验课程讲授，依托实验室教学模式及现有设备，免费为在校学生开展扫描电镜应用技术培训。
图9扫描电镜应用培训照片
除承担学院本科生实验课以外，还承接本科毕业设计，硕士、博士每年有近2000人次参与电镜实验工作，同时全程参与材料学、材料加工专业认证体系、材料双一流学科建设项目工作。
3.学术交流（夏令营、来访）及辐射情况
项目组利用切割改造过的扫描电镜作为电镜实验室的特色，组织接待了大量单位来访和交流。
表2 扫描电镜接待参观学习统计表
此外，项目组积极开展全国高中生暑期夏令营，大学生暑期学术夏令营科普、实验实践活动，并在疫情期间组织线上学术讲座，线上实验课程讲授。
图10 教学交流和夏令营实践活动照片
通过以上一系列的教学改革和实践举措，有望培养出一批具备电镜硬件研发和应用能力的专业人才，从而助力我国电镜技术的发展。在此基础上，我国电镜产业将不再受制于人，实现从“只会用，不会造”到“自主研制，引领发展”的华丽转身。
应用前景
1）将此实验课程体系构建为大学生实验实践活动的教育培训基地，旨在培育具备实验实践能力、创新能力以及解决复杂实验实践环节问题能力的高端材料学科技术人才，为我国学科发展和人才培养贡献力量。同时，注重培养兼具电镜理论知识、电镜硬件知识及应用能力的人才，使他们能够致力于解决电镜这一“卡脖子”技术问题，助力相关领域发展。
2）该套实验教学改革的模式可进一步推广到透射电镜TEM及X射线衍射仪等大型仪器设备的实验教学中，以探索全新的大型设备实验教学模式。这将为全校师生及社会提供服务，并为培养具有实践创新能力、解决实际问题能力的材料学科人才做出贡献。目前透射电镜相关课程开发工作已经着手规划。
（来源：北京科技大学）
转自：“科研设施与仪器平台”微信公众号
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