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1、微观结构分析仪器在金属材料本科教学实验中的应用与探索 摘 要 微观结构分析仪器是材料学中先进科学技术的代表，在科研工作和实际生产中起着重要的作用。本文以厦门大学材料学院为例，介绍了扫描电镜、透射电镜和电子探针等微观结构分析仪器在本科生金属材料实验中的应用与探索。 0 引言 随着电子显微技术的快速发展，微观结构分析仪器设备已然成为材料学尤其是金属材料中先进科学技术的代表，在科研工作和实际生产中起着重要的作用，同时也是培养创新人才的重要平台。目前，全国不少高等院校围绕常用大型仪器设备开设了现代测试技术和材料现代研究方法等类似理论课程，但相应的实验课程则由于实验条件和仪器设备使用等诸多条件的限制并未
2、正式开设。因此，如何就大型微观结构分析仪器在本科生金属材料实验中开设相关实验课程是值得探究的。本文就厦门大学材料学院为例，详细介绍了几种主要的微观结构分析仪器，即扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电子探针微区成分分析仪等，阐述这些仪器在本科生金属材料实验中的应用，目的在于充分利用大型仪器设备提高材料及相关专业本科生的实验动手能力，改进实验效果，起到为教学和科研服务的作用。 1 大型微观结构分析仪器开展本科生教学实验存在的主要问题 以往的本科教学实验所讲述的实验都是一些基本实验，所使用的设备相对比较简单、陈旧，学生缺乏学习的兴趣和实验的主动性，在实验过程中并没有将理论知识实际地应用于材料微观组织结
3、构分析。而针对大型微观结构分析仪器，比如扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电子探针微区成分分析仪等，由于设备成本昂贵，机时紧张，仪器操作程序和样品制备过程复杂，且维修保护费用和时间有限，因此这些大型仪器需有专门工程师进行维护管理，一般仅供教师、博士生和硕士生使用，而且是在严格培训的基础上方可独自上机操作。对本科生教学实验开放力度不够，许多大型仪器设备仅是在教师的带领下进行参观，学生并没有机会了解到这些仪器设备的详细结构、实际用途等。 2 大型微观结构分析仪器在开展本科教学实验中的应用与探索 近年来，在我校“985工程”和“211工程”学科建设和教学基地建设项目的大力支持下，我院中心实验室陆续引进
4、大批先进分析测试仪器设备，并于近年成立了材料学院实验教学中心，是厦门大学材料学院教学和科研的重要基地。同时，我校化学化工学院的分析测试中心也拥有大量的微观结构分析测试仪器。目前，我院可用的大型微观结构分析仪器包括扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、电子探针微区成分分析仪等，能够满足材料学尤其是金属材料微观组织结构的分析需要。近年来，为了更好地搭建充分利用大型仪器设备的平台，学院也进行了新的实验教学模式探索，以此提高本科生的材料测试分析方法，增强本科生实践操作技能。 2.1 微观结构分析仪器在本科教学实验中的应用 金相显微方法是金属材料微观组织观察中最为常用的方法，光学显微镜也逐渐成为
5、研究和检验金属材料组织的有效手段，而“金相学”也被认为是金属学的先导和形成基础，也是早期金属学的代名词。但是光学金相显微镜受到光源波长和观察对象细节衍射效应以及透镜成像的物理规律的限制，发展到现在其鉴别能力仅为200nm，有效的放大倍数仅在1000倍左右。而电子显微镜采用比可见光波长短很多的电子波作为光源，其分辨能力远远超过光学显微镜，鉴别能力可达0.30.5nm，有效放大倍数可高达几十万倍，因此可以观察到许多光学显微镜观察不到的微小析出相等，甚至高分辨电子显微镜可以观察到单个晶胞内的原子排列，因此已然成为金属材料微观分析的必要手段。 例如，纯铝的变形和再结晶以及铝合金的拉伸实验是本学院本科生
6、金属材料实验里面的两个综合实验。以往向学生介绍原材料时，主要通过实验讲义，简单地向学生描述原材料的组成以及纯度，学生既没有直接测量，也没有感性认识。结合电子探针成分分析仪可以准确地测量原材料的组成以及纯度，学生不仅了解电子探针试样制备方法、仪器构成、仪器操作及注意事项，还可以结合电子探针的背散射电子衍射成像技术对合金微观组织进行研究。如此，学生可以形象地观察合金的相组成情况，结合光学显微镜的结果，对合金的微观组织结构进行详细的分析。 再比如，学生在材料力学相关课程中已了解到材料的力学性能及相应的拉伸行为，但缺乏直观认识：学生仅能通过拉伸曲线计算出材料的断裂应变和断裂强度等，但无法知晓断口的微观
7、形貌、裂纹的产生以及扩展、缺陷位错的产生等，因为这些细微特征无法通过拉伸曲线或光学显微镜进行准确观察。但结合扫描电子显微镜和透射电子显微镜，上述问题得以进行详细研究与分析。扫描电子显微镜景深比较大，分辨率高，可以清楚观察到拉伸试样的断口，由此可以直观地判断材料属于脆性断裂还是韧性断裂，同时观察拉伸试样的表面，可以分析微观裂纹的产生以及繁衍过程，进而分析影响试样断裂的主要因素，最终提出改善材料塑性的有效方法。众所周知，透射电子显微镜的样品制备过程较其他分析仪器复杂，因此学生可以在教师带领下，对拉伸后的试样进行透射电镜的观察。在此过程中，教师在指导学生了解透射电子显微镜样品的制备方法，如离子减薄或
8、双喷减薄等，以及制备透镜样品的要求和注意事项后，对其进行透镜观察。学生可以直观了解透射电镜的构成、仪器的操作，然后观察拉伸试样的微观缺陷等。这样可以很大程度地提高学生学习的主观能动性，同时也可以使学生将学到的理论知识实际地应用在材料的观察分析中。 2.2 微观结构分析仪器在本科教学实验中的探索 （1）实验教学模式改革。在满足教师和硕博研究生正常的科研需求外，如何合理有效地配置有限的资源，提高大型分析测试仪器的利用率，以及如何搭建教师-研究生-本科生的教学模式，使本科生在进入硕士阶段或是步入社会企业之前就可以了解材料相关微观结构分析的先进仪器，全面提高学生综合素质和动手分析能力，是各高等学校急需
9、解决的现实课题。近年来，国内各高校纷纷提出了大型仪器设备开放资源共享，包括教学开放、科研开放和对外服务开放。厦门大学材料学院在综合考虑了上述因素之后提出了在基础的教学实验外，让学生在大四上学期实行本科生走进各实验室的教学要求，即开展针对性强的综合实验。学生在此过程中，首先拥有选择权，即学生可以根据自身兴趣，选择相关专业方向的导师，然后开始进入该导师实验室开展的相关综合实验。每位导师可以选择34名学生进行指导，既保证了学生的学习兴趣，也保证导师有充足的时间给予每位学生指导。本科生在进入实验室后，导师首先给予相关课题，学生根据实验需求申请相关的大型微观结构分析仪器，并由已经熟悉整个实验过程的硕博士
10、生直接指导，就实验结果进行综合分析，最后向导师汇报和讨论相关结果。学院在大四上学期开展综合实验，已经取得显著的效果。大多数学生在综合实验之后紧接着就开始自己的本科毕业设计，马上上手，无需过渡期，学生本科毕业设计的整体质量有了明显提高。此外，在教师-硕博生-本科生的教学模式下，本科生有机会接触大型微观结构分析仪器，并得到专业的介绍和指导，奠定了大学四年扎实的理论与实践基础，对毕业后参与社会工作起到了重要的作用。 （2）开设创新实践课程。材料的微观结构表征是材料学重要的分析测试手段，尤其针对硕博研究生而言。因此学院在针对硕博士研究开设相关现代材料分析测试方法的相关课程外，需要有针对性的开设相关实践
11、课程。实践课程多以创新实践课程为主体，多期次的大型仪器应用讲座、操作培训为辅，每学期循环进行，时间安排机动，内容形式灵活多变。学生可根据自身材料特点，选择相关常用大型微观结构分析仪器进行培训，并自带样品，现场制备。这样，一方面可以提高硕博士研究生的动手能力、分析和解决问题的能力，同时也学会了该类仪器设备的详细操作流程。很明显，有经验的硕博士研究在搭建教师-研究生-本科生的教学模式中起着十分重要的作用。 （3）提高仪器使用效率，促进实验教学。首先倡导有经验、熟悉大型仪器操作的老师主持实验教学，并由有经验的、能独立操作仪器设备的硕博士研究直接指导本科生的实验；其次，定期开展大型微观结构分析仪器相关
12、培训，使更多学生纳入其中，普及大型精密仪器的使用方法，可由学院安排专业的工程师任教；第三，将研究探索和实验教学可有机地结合起来，搭建教师研究生本科生的实验平台；最后将与学生生活密切相关的对象融入到实验中，包括植物、陶瓷、塑料等其导师科研项目样品作为实验样品，只要满足扫描电镜要求的小样品即可，以教学带科研，以科研促教学。只有实现教学和科研的融合、渗透，才能有利于综合性、创新性实验教学模式的开展。 3 结束语 如果说实验室是培育材料学人才的摇篮，那么微观结构分析仪器便是摇篮里一把十分重要的工具刀。开设本科学生创新实践课程，扩大微观结构分析仪器的受益面，达到资源充分共享，如此提高了使用率，也丰富和完
13、善了学校的实践教学体系。这不仅能够充分发挥国家投入教育资金的作用，而且将有效促进本科实验教学改革的进一步深化。 注释 汤云晖，王波，李耳.大型仪器设备实验教学与本科生、研究生创新能力培养的探索实践J.中国现代教育装备，2010.17：129. 李耀光，王宏志.本科大型实验教学的实践与探索J.实验室研究与探索，2006.25（2）：208-214. 谢友宝.大型综合性创新实验设计研究J.实验室研究与探索，2005.24（12）：70-78. 刘健，孙小权.发挥实验课在培养学生中的作用J.实验室研究与探索，2006.25（5）：641-643. 屈树新，沈如.探索大型分析设备在本科教学中的应用J.实验技术与管理，2005.22（10）：30-33. 赖芸.充分发挥大型仪器设备资源优势的几点思考J.实验室研究与探索，2006.25（1）：134-135. 韩德伟，张建新.金相试样制备与显示技术M.中南大学出版社，2005. 戎咏华.分析电子显微学导论M.高等教育出版社，2006.