儀器分析實驗

劉大亮 吳瓊 李瑩

摘要：儀器分析實驗是化學(xué)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，其中電子顯微鏡課程中的掃描電鏡和透射電鏡作為大型精密儀器的代表，為學(xué)生展示了現(xiàn)代分析測試手段，以及其強大的綜合檢測功能。文章針對實驗教學(xué)中的一些問題，提出建立網(wǎng)絡(luò)平臺、結(jié)合測試工作、舉行講座等教學(xué)模式，通過教學(xué)改革提高教學(xué)效果和學(xué)生操作能力。

關(guān)鍵詞：電子顯微鏡;儀器分析;實驗教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）21-0382-02

隨著科技的快速發(fā)展，越來越多的新材料、新產(chǎn)品被研制開發(fā)出來，為科研工作和人類生活帶來便捷和革新。這些材料、產(chǎn)品在開發(fā)及質(zhì)量評價過程中都離不開精密儀器的分析，這就要求相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須熟練掌握分析儀器的知識。遼寧大學(xué)化學(xué)院擁有化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、材料化學(xué)3個本科專業(yè)，本科生約500人，全部開設(shè)了儀器分析實驗作為必修課程，共計48學(xué)時。

儀器分析課程的特點是理論與實踐相結(jié)合，所以課程要求學(xué)生要有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識及操作儀器的能力，開設(shè)儀器分析實驗課程的對象也是各專業(yè)的高年級學(xué)生。學(xué)生通過學(xué)習(xí)不僅可以掌握儀器的原理及基本操作方法，還能夠了解儀器應(yīng)用方向，并利用儀器完成實驗課程內(nèi)容。

“掃描電鏡”和“透射電鏡”是儀器分析課程中的兩種大型儀器，因其直觀性、科研性、實踐性等各方面能力較強，在儀器分析課程中具有重要作用。但是由于儀器自身的特點，目前我?！皰呙桦婄R”和“透射電鏡”儀器分析實驗主要以講授和觀摩的形式授課，教學(xué)方法單一，教學(xué)效果不佳。為此，本文從學(xué)校實際情況出發(fā)，探討、改進現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和模式，為提高教學(xué)效果、增強學(xué)生實踐能力、完善課程體系起到重要作用。

一、電鏡儀器分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀

遼寧大學(xué)化學(xué)院電鏡室目前擁有HITACHI場發(fā)射掃描電鏡、JEOL 200KV超高壓透射電鏡各一臺，配備高級實驗師一名、博士學(xué)歷實驗師兩名，在科研、教學(xué)以及學(xué)生培養(yǎng)各個方面發(fā)揮了巨大的作用，積累了豐富的經(jīng)驗。電鏡儀器分析教學(xué)內(nèi)容主要包括儀器的成像原理、電鏡樣品制備、電鏡觀察等，教學(xué)模式是教師講解和示范操作，這樣的教學(xué)過程重復(fù)了數(shù)十年，也存在著諸多問題。

（一）大型儀器設(shè)備屬性限制了學(xué)生的動手能力

掃描電鏡和透射電鏡都屬于大型精密儀器，其價值均在數(shù)百萬，在教學(xué)過程中不可能每人操作一臺儀器。同時，上機時間（觀摩和操作）需達到要求才可以操作電鏡，如果由于操作不當(dāng)使儀器出錯或損壞，其維修費用較高、維修時間漫長，對學(xué)院的教學(xué)和科研都有巨大的影響。這些嚴(yán)苛的操作條件以及誤操作帶來的風(fēng)險，都表明了學(xué)生無法動手操作儀器的事實。教學(xué)大綱要求，學(xué)生不僅要掌握儀器的原理，更要具備基本的實驗技能。但這種只能觀摩教師演示、學(xué)生無法接觸儀器的教學(xué)方法，注定了學(xué)生動手能力普遍較差的教學(xué)結(jié)果，對學(xué)生將來的科研工作益處甚微。

（二）大量科研測試任務(wù)限制了實驗課時

掃描電鏡和透射電鏡是材料表征的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、物理等各個學(xué)科，是科研必不可少的儀器。由于電鏡應(yīng)用范圍廣、精密度高，故其價格昂貴，各大高校及科研院所擁有的數(shù)量也很少。遼寧大學(xué)化學(xué)院有掃描電鏡和透射電鏡各一臺，也是學(xué)校僅有的兩臺電鏡，承擔(dān)了大量的科研測試任務(wù)，用于教學(xué)的時間有限，無法滿足本科實驗上機操作的課時需求。

（三）理論知識與實驗內(nèi)容嚴(yán)重脫節(jié)

“儀器分析實驗”系列教學(xué)中，針對每臺儀器設(shè)備都有其原理及應(yīng)用的講解，但對于理解儀器的使用來說還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。通常在實驗過程中，學(xué)生只是盲目的聽老師介紹實驗內(nèi)容，對儀器的原理及應(yīng)用并未掌握，當(dāng)面對實驗結(jié)果及現(xiàn)象時，不能夠用理論知識去分析處理，同時也不能用實驗現(xiàn)象促進理論知識的理解吸收。

（四）實驗教學(xué)模式單一枯燥

掃描電鏡和透射電鏡儀器的特殊性，決定了學(xué)生無法動手操作儀器，實驗基本只能以參觀及演示的方式進行教學(xué)，這種單一的教學(xué)模式不僅限制了學(xué)生對儀器技能的掌握，同時也削弱了教師授課的熱情。而且，目前選課模式是15人左右按照課表規(guī)定時間參加課程學(xué)習(xí)，對于電鏡室工作環(huán)境來說，學(xué)生人數(shù)超負(fù)荷，教師在講課的同時還需照顧儀器設(shè)施，無法逐一指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生上課也會心不在焉，授課和學(xué)習(xí)效果都不盡人意。

二、電鏡儀器分析實驗教改方案探討

目前掃描電鏡和透射電鏡儀器分析課程的教學(xué)方法還是存在不足，不利于學(xué)生理解、掌握本課程的知識點。針對上述問題，結(jié)合本院實際情況，筆者現(xiàn)況提出以下教改方法，以改進和充實本實驗課程。

（一）多模式教學(xué)增加授課學(xué)時

1.開設(shè)網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)。近些年，網(wǎng)絡(luò)平臺教育已在高校中普遍開展，遼寧大學(xué)化學(xué)院早已將網(wǎng)絡(luò)平臺教育應(yīng)用于基礎(chǔ)實驗教學(xué)中，效果良好。利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教育平臺，開設(shè)“儀器分析實驗—電子顯微鏡”課程，學(xué)生以姓名、學(xué)號進行注冊并登錄，平臺內(nèi)容包括：教學(xué)資源、交流討論、實驗預(yù)約、在線考試等板塊。教學(xué)資源板塊涵蓋儀器原理及使用過程、樣品測試及制樣要求等內(nèi)容，并且以文本、照片及視頻等多種形式展現(xiàn)。掃描電鏡和透射電鏡這類大型儀器，學(xué)生很少在課程之前有所接觸，學(xué)生可以利用平臺中的視頻、PPT等教學(xué)內(nèi)容自主學(xué)習(xí)，保證了學(xué)習(xí)資源和授課學(xué)時充足。在交流討論板塊中，學(xué)生針對儀器或者課程開展討論或提問，老師跟同學(xué)都可以對所提問題答疑或討論，不僅可以解決學(xué)生的疑惑還可以增進師生的溝通，達到更好的教學(xué)效果。在實驗預(yù)約板塊中，學(xué)生可以根據(jù)課程開放的時間以及自己學(xué)業(yè)的安排，自由選擇上課時間，獲得批準(zhǔn)后即可按照選課時間上課。在線考試板塊中包括教師編寫的多套測試題，學(xué)生上實驗課前進行網(wǎng)上答題。根據(jù)考題的分?jǐn)?shù)，學(xué)生對自己學(xué)習(xí)情況有一定的了解，同時教師分析答題情況考量學(xué)生是否具備上機資格。

2.結(jié)合測試任務(wù)參觀學(xué)習(xí)?；瘜W(xué)院電鏡室每天都有測試任務(wù)，在實際測試過程中會處理不同材料、檢測不同項目。教師可以按照學(xué)生選課時間，安排好測試內(nèi)容，在儀器開始測試前參觀樣品前處理、進樣過程等。在測試過程中，著重講解儀器參數(shù)的設(shè)置及調(diào)整，讓學(xué)生體驗儀器的功能、應(yīng)用，使學(xué)生更直觀地了解儀器。測試完畢后，針對測試的結(jié)果進行分析講解，根據(jù)測試結(jié)果信息，更深入地理解理論知識。

3.舉辦電鏡專題講座。電鏡是分析測試的重要儀器，隨著科研高速發(fā)展，這種精密度高、直觀性強的儀器越來越被需要。由于本科生之前一般都并未接觸過電鏡儀器，因此學(xué)?？梢耘e辦電鏡的專題講座，主要介紹電鏡的功能及應(yīng)用，讓學(xué)生對儀器、科研都有宏觀的認(rèn)識，同時為后續(xù)的電鏡分析實驗課程打下基礎(chǔ)。

（二）培養(yǎng)學(xué)生動手能力

電鏡儀器資源有限以及價格昂貴等因素限制了學(xué)生的動手能力和操作技能的培養(yǎng)，實驗教學(xué)模式只能是教師演示、學(xué)生觀摩，教學(xué)效果不好。根據(jù)電鏡室工作環(huán)境特點，限制每組上課學(xué)生2—4人，在教師的指導(dǎo)下可以操作簡單的處理樣品、上樣、篩選形貌等過程。通過學(xué)生的動手操作，極大地提高了學(xué)習(xí)的能動性，達到了實驗課程的根本目的。

電鏡儀器分析實驗課程的改革，是為了提高學(xué)生的操作技能，給日后的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。同時課程的改革也對任課教師提出了更高的要求，任課教師不僅要進行理論的講解，知識的更新、技術(shù)的掌握、行業(yè)的進展更需要教師不斷學(xué)習(xí)和積累。因此，電鏡儀器分析實驗教學(xué)改革，實現(xiàn)的是教與學(xué)的相互促進、共同發(fā)展。

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Abstract： Instrumental analysis experiment is a compulsory basic course for chemistry majors. Scanning electron microscope （SEM） and transmission electron microscope （TEM） as the representatives of large-scale precision instruments in the course on Electron Microscopy demonstrate modern analytical testing methods and their powerful comprehensive testing functions to students. Aiming at solving problems in the experiment teaching， this paper puts forward a teaching mode of establishing a network platform， combining test work and giving lectures， so as to improve the teaching effect and operation ability of students through reform.

Key words： electron microscope; instrument analysis; experimental teaching; teaching reform