扫描电镜在航空类专业实验教学中的探索与实践

张霜银 汤志荔 索涛

摘  要：文章阐述了扫描电镜在航空类专业实验教学中的必要性，并针对目前实验教学现状和存在的问题，结合学科专业方向，对“飞行器结构设计与强度综合实验”课程中涉及的扫描电镜实验内容进行了探索和实践。通过优化教学内容，调整教学方案，初步总结出扫描电镜实验教学过程中的侧重点以及增加教学有效性和实用性的方法，获得了比较理想的教学效果。

关键词：实验教学;扫描电镜;教学改革

中图分类号：G640 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）35-0029-04

Abstract： This paper expounds the necessity of SEM in the experimental teaching of aviation specialty， and in view of the current experimental teaching situation and existing problems， combined with the discipline direction， explores and practices the SEM experimental course involved in the course of "comprehensive experiment of aircraft structure design and strength". By improving the teaching methods and experimental teaching means， optimizing the teaching content， adjusting the teaching plan， the author preliminarily sums up the key points in the teaching process of Scanning Electron Microscope and how to increase the teaching effectiveness and practicability， and achieves ideal teaching effects.

Keywords： experimental teaching; Scanning Electron Microscope; teaching reform

材料的宏细微观本构理论与破坏过程是现阶段固体力学领域的研究热点，对于材料与结构在极端环境加载条件（如高温、高应变率）下的工程技术问题，单纯用力学实验的方法来直接测定材料的力学性能已远远不能解决此类问题，迫切需要从微观尺度来阐明其断裂和破坏机理。扫描电子显微镜（SEM）是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌展开观察和分析，SEM与能谱（EDS）组合可以进行成分分析，与电子背散射衍射技术（EBSD）结合，可以对材料的晶体结构、织构、位向等进行分析[1]。由于之前航空类专业未开设相关课程，导致学生毕业走向工作岗位或继续深造过程中，在遇到与材料微观分析相关的课题时缺乏理论基础和实践经验。

随着学科发展的需求，材料及结构的微观分析作为一种越来越普及和常用的研究手段，在飞行器设计与工程专业本科生及固体力学专业研究生教学中受到重视。2016年开始，学院开设了飞行器结构设计与强度综合实验课程，将“扫描电镜微观分析技术”纳入实验教学范畴，面向即将毕业的学生及部分研究生授课。论文以课程中开设的内容之一“材料的微观测试技术实验”为对象，探讨利用扫描电子显微镜进行材料及结构的形貌观察、断口分析、显微组织及物相分析的教学过程中，如何进行教学内容优化，教学方法改进，使实验更具针对性、实用性，进而提高实验教学效果，使学生具备运用扫描电镜从事微观组织与结构的分析能力。

一、实验教学现状

我校航空学院购置有一台德国蔡司公司的Zeiss Supra55型场发射扫描电子显微镜，运行成本较高，主要用于大量科研测试任务。因扫描电镜属于大型精密贵重儀器，且台套数少，在本科教学过程中不可能让学生单独操作设备;另外，如果由于操作不当造成仪器故障或损坏，其维修费用较高、维修周期长，对学院的教学和科研都有巨大的影响。教学大纲要求学生不仅要掌握仪器的原理，更要具备基本的实验技能，然而电镜仪器教学资源有限、严格的操作条件以及误操作增加的风险因素限制了学生的动手能力和操作技能的培养[2]。因而在实验教学课堂上，既要充分利用有限的教学资源，又要设置有针对性的教学内容，使学生掌握相关的理论知识的同时又能切实地提高实验技能成为该课程改革的目标。

二、改进实验教学方法

（一）突出学科方向，以专业需求为导向

电镜基本知识内容涉及面较宽，对航空类专业的学生来说比较生疏，若术语概念不清就会对这门课程缺乏兴趣。首先要求学生先通过网上资源知晓仪器的基本原理，其次要求老师在讲述电镜原理的时候注重逻辑性。例如，扫描电镜是由电子光学系统，信号探测处理、图像显示和记录系统，真空系统三部分组成，各部分功能各异但是相互关联，讲解时采用与光学显微镜对比方式：电镜成像首先需要高能聚焦电子束扫描样品表面，那么就要有一个电子束的发射装置——电子枪，此时引出电子枪的结构和原理;接着，电子束发射后束斑需要聚焦透像，则必须通过一系列电磁透镜来控制束斑，进而讲述透镜的名称、特点和功能;又因电子束所经过的整个路径必须清洁且有较高的真空度，故必须配备有高真空系统。

课程根据本学科专业培养方案的要求，实验内容设置力求贴近航空，解决问题力求结合工程实际，在实验课的理论教学中突出学科方向，着重讲述与疲劳断裂及动态破坏失效微观分析相关的理论知识。对扫描电镜原理、功能及操作方法进行有选择性地介绍及实践，让学生参与扫描电镜的操作和测试，并引导学生选择相关的毕业设计课题。

（二）结合多媒体手段开展实验教学

扫描电镜教学中需要展示大量的图片及视频，因此要求教师将多媒体教学与本课程特点紧密结合。在课堂教学过程中发现，在本课程第一节的教学中，利用网络资源和教学科研实践中所获得的图片及视频，充分激发了学生对本课程和相关科研方向的兴趣。比如，扫描电镜的主要结构光学系统和信号探测系统，电子束聚焦光路原理，电子束与样品相互作用以及各种物理信号的产生等工作原理都相当难理解[3-4]，采用PPT中图示及动画形式展示给学生，并对照仪器讲解其相应的结构、部件和功能等。学生从专业角度大量辨认电子图像、熟悉各种材料的金相组织和断口形貌，例如，将韧性断裂的韧窝、脆性断裂的解理面、河流花样、典型的准静态、动态、冲击和疲劳断口的宏观及微观数字化图像、工程中的失效分析图片等，既活跃了课堂气氛，又保证了较好的教学效果。

三、优化实验教学内容

（一）实验教学方案调整

材料与结构的微观分析技术在整个课程中占4个学时，教学内容涉及原理及实践两大部分，教学团队针对学科专业方向编写了新的实验大纲和教学指导书。确定实验目标为：（1）了解扫描电子显微镜的工作原理、构造及功能;（2）掌握影响扫描电镜图像质量的主要参数的调整方法，能按流程规范操作;（3）掌握电镜试样制备步骤及注意事项;（4）能对实验数据进行分析。

（二）教学内容和要求

教学环节采用先理论后实践的教学程序，即先采用板书加PPT的形式进行分辨率原理、电子光学原理、成像原理等内容的课堂教学[5-6];再对学生进行分组，对照设备进行仪器结构、部件、功能及软件操作等内容的讲解;最后指导学生完成从装卸样品到采集出清晰图像的所有步骤，小組学生按时间段进行上机操作。表1所示为具体的教学内容和学时安排。

为提高学生对教学内容的兴趣，达到实验效果，在实验材料的选择上要与专业背景相结合。一是选择的实验材料有代表性。比如选用低碳钢和铸铁的拉伸断口进行观察，分别可以得到韧性断裂的韧窝形貌和脆性断口的解理形貌，对比性强，同时使学生认识材料的力学性能与微观组织之间的关系。二是选择微观结构及金相组织特征比较明显且直观的材料。比如实验样品选用低碳钢、铜合金、镁合金三种材料，可以让学生对比合金的相组成、晶粒尺度、第二相形态及成分等信息，将测试结果分析完成在实验报告中。图1所示为学生拍摄的三种材料的金相组织和微区成分结果。

四、实验课程与科研紧密结合

大部分研究生选修扫描电镜课程的目的是为今后的科研课题工作奠定基础，教学团队根据需求将课程内容与科研紧密结合，利用案例教学优势，引入了最新的科研成果介绍给学生。图2a为学生拍摄的钛合金高应变率加载下绝热剪切带的形貌照片，通过介绍图片引出该问题的研究背景：绝热剪切带是韧性材料最重要的变形和失效机制之一，广泛存在于航空航天、武器弹药等各类动态加载条件下，绝热剪切带的出现往往是断裂的先兆，有重要的研究意义[7]。图2b是韧性材料动态压缩的断口韧窝形貌，此外实验还涉及了复合材料拉伸断口形貌（图2c）及原位拉伸实验观察到的钛合金滑移带和裂纹（图2d）。这些极端环境和条件下的材料力学行为和微观组织研究都是航空类专业固体力学领域最前沿的研究方向。此外从图2可以看出，大量的准静态、动态、疲劳断裂问题及其机理都可以通过扫描电镜微观角度分析其机理，达到预判或定性的目的。

五、结束语

本文针对扫描电镜实验教学过程中存在的教学方式单一、教学手段落后、教学效果不理想等现状和问题，提出了既能使学生掌握相关的理论知识，又能切实地提高实验技能的教学方法和手段，提高了教学效果，切实培养了学生的实践能力。

参考文献：

[1]黄孝瑛.材料微观结构的电子显微学分析[M].北京：冶金工业出版社，2018.

[2]黄德玄，王超贤.扫描电子显微镜实验设计探讨[J].实验室科学，2020，23（2）：52-55.

[3]刘大亮，吴琼，李莹.仪器分析实验-电子显微镜课程教学方法改革[J].教育教学论坛，2020，21（5）：382-383.

[4]姚丽娟，朱满，刘翠霞.高校仪器Quanta 400F型扫描电镜的实验教学及开放共享[J].实验技术与管理，2020，37（6）：266-268.

[5]周广荣.扫描电镜图像最优条件的选择研究[J].电子显微学报，2011，30（2）：171-174.

[6]吴勤，郝婷丽.浅谈扫描电镜实验教学体会[J].教育教学论坛，2020（22）：386-387.

[7]Yazhou Guo， Qichao Ruan，Yulong Li.Dynamic failure of titanium： Temperature rise and adiabatic shear band formation[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2020，135：103811.