由于具有高实空间、动量空间和能量空间分辨率及多样的原位分析手段，透射电子显微镜已成为目前材料、化工、电子及生物医药等高新领域研究发展的必要手段之一，在揭示材料“结构-特性-组成”间关系方面举足轻重。^[1]鉴于电子显微分析技术的重要应用，国内各大高校的物理、化学及材料专业均面向本科生及研究生开设了相关的课程，主要讲授透射电子显微镜的结构、原理及基本应用。随着电镜仪器技术的发展、软件的开发及电镜功能的不断拓展，原有的课程内容设置及教学实践方式已在满足学生实际科研需求方面略显不足。

鉴于目前国内多所高校已购置先进的球差校正电镜、环境透射电镜及多种原位样品杆，对原有课程进行优化改革将更有助于学生能更充分准确地去利用透射电镜技术辅助开展自己的科研课题。笔者从2012年开始从事电子显微学领域的研究，根据近年来所学习的先进电子显微学技术，结合所带学生在材料表征及分析过程中遇到的实际问题，就相关课程的优化改革及提升教学质量的方法与思路进行分析与探讨。

一、电子显微学技术的新发展

与光学显微镜不同，电子显微镜利用了电磁透镜的汇聚原理，来实现对样品微区的放大功能。目前商业的磁透镜并非完美透镜，汇聚在磁透镜不同位置的电子束具有不同的汇聚能力，也就是我们通常所说的球差。最新的透射电子显微镜都具有球差校正器，能够通过内嵌的六次透镜，来校正磁透镜中的球差，从而显著提高空间分辨率。但是球差校正电镜往往价格较贵，需要专业人员维护，学生们往往没有机会能够接触到此类电镜，导致球差电镜这一前沿知识的匮乏。

原位电子显微技术能够直接在原子分子尺度研究外加激励和材料响应之间的关系。^[2]目前的原位电子显微技术主要通过两种方式实现，一种是通过改造电镜，一种是通过改造样品杆。通过改变电镜物镜的构造（比如增加压差光阑），可以实现对在不同气氛中材料使役行为的研究。在实际科研工作中，改造样品杆是采取最多的实验方式。目前有许多商业公司设计制作不同的原位样品杆，主要分为探针式和芯片式。可以实现在材料所处的微环境中施加电、加热、制冷、通气氛、通液体等不同外加激励，大大拓宽了现有的研究内容和研究手段。

透射电子显微镜，顾名思义，电子束需要穿透样品本身。这主要说明了两个问题，第一，样品的制备需要薄，需要对电子束透明；第二，透射电镜得到的结果是样品内部电势和磁势的总和，得到是势的二维投影。近期发展的三维重构技术能够大大缓解这个问题。^[3]通过使用特殊的样品杆（通常是比较细的样品杆），来实现样品在极靴空间内的大角度倾转，从而得到样品的整体的三维信息。再结合三维材料组分分析和材料电子结构分析，能够同时得到材料的三维形貌信息，组成成分和电子结构。

最近几年，由于直接电子探测设备的发展，电子显微学迎来了新一轮的大发展。区别于传统的CCD基电子探测技术，直接电子探测相机使用了CMOS技术，摒弃了闪烁体的使用，使得空间分辨率、信噪比、信息传递效率等指标大大提高。也由此诞生了一些新的技术手段，包括4D扫描透射电子显微镜技术，重构相位的ptychography, 以及高速的电子能量损失谱学技术。初步的实验结果表明，将直接电子探测应用于电子损失谱学，能够将现有的探测拓展到电子束敏感材料、易碳污染材料、易荷电材料等。基于此技术，现有数据的采集量也呈几何式上升，也从而间接提高了计算机技术在电子显微学中的应用，包括人工智能和机器学习等。

二、教学现状及课程内容与时俱进

目前所开设的电子显微学相关课程主要包括透射电子显微镜的发展及特点；电子-材料间相互作用、电镜结构及成像原理；透射电镜样品制备及样品杆介绍；电子衍射原理及分析等四个方面。^[4]在第一部分着重介绍透射电镜的发明发展历程及主要功能，分辨率等基本参数及提升方法。虽然该部分教学内容让学生对电镜的发展及性能提升方法有所认识，但缺少对诸如（双）球差校正电镜、冷冻电镜及环境透射电镜等最新电镜技术的介绍。该部分教学建议增加对目前所广泛使用的不同类型的透射电镜的功能及所适合研究的材料体系的介绍，通过将理论与实际研究的联系，增加学生对透射电子显微技术的充分认识，提高其学习兴趣。第二部分中透射电镜结构及成像原理是学生理解的重点和难点，而目前教学中通常将二者分开来讲授，这就造成学生在实际科研中，不易理解电镜某一参数改变的意义，更难以灵活运用电镜来实现不同的功能，极大的限制了学生在科研过程中的创造力。因此，该部分建议将电镜的结构与成像原理统一来授课，并且通过动画演示的方式来阐明各级镜筒和相应光阑对光路、成像的影响及如何实现不同的电镜功能。在透射电镜样品制备及样品杆介绍方面，不能仅介绍传统体材料样品的制备方法，考虑到纳米、生物及微电子领域的实际应用，还应增加对纳米材料，冷冻电镜等样品的制备方法介绍，特别要介绍聚焦离子束系统在制备透射电镜样品中的应用。

此外，随着近期三维重构样品杆以及力学、电学、液体及气体等原位样品杆的问世，除了介绍传统的单/双倾样品杆外，对这些原位样品杆及其功能也要有所涉及，以拓宽学生对电子显微学研究领域的认识和了解。电子衍射原理及分析这一部分因为与材料、物理及电子专业学生的科研课题密切相关而尤为重要。而学生实际科研过程中对高分辨透射电镜照片及电子衍射图像分析仍然有所困惑，图像及语言表述尚欠缺专业性。暴露出以往课程所教授内容更注重理论而忽略了对学生材料结构分析方面的专业训练等问题。因此，从对学生科研素质的培养方面考虑，还应该通过具体的材料案例，从高分辨透射电镜照片及选区电子衍射图像教授材料结构分析的具体步骤；同时结合能量色散X射线谱及电子能量损失谱教授材料成分、电子结构及价态等信息。

三、教学方式的优化改革

    作为一种材料表征分析技术，电子显微学相关课程的设置的目的是为了使学生理解电子显微术的基本原理、过程、设备及应用，掌握相应的基础知识和材料分析技能，进而使学生能够正确选择并灵活运用电子显微分析技术开展相关的科学研究。然而，目前的教学现状显示相关课程还是以基础知识和基本原理为主要内容，忽略了学生对所学知识的运用及相关科学素养的培养，进而造成学生在科研过程中不能正确的运用所学知识解决实际问题。因此，对教学方式进行一定的优化改革十分必要。首先，采用易于理解的动画演示方式代替图片及枯燥的文字，对电镜结构及成像原理做统一介绍，让学生能更加清晰直观的理解电镜的不同工作模式。课程内容中增加利用不同原位技术手段研究材料微观结构-性能关系的视频素材，提升学生对电子显微学技术的学习兴趣。其次，作为一门实验科学，需要调整课时安排，相对增加教学实践课时并优化实验课程的安排。为促进学生对所学知识的消化理解，应在每部分内容结束后即安排相应的实验课程，对所学内容进行上机操作。最后，为提升学生对材料结构分析能力，在教学中需要借助Digital Micrograph，Crystal Maker，Image J等电镜分析软件向学生介绍诸如衍射斑标定与模拟、图像处理、应变分析及能谱处理等基本的数据分析方法。以上在电镜原理、操作及数据分析等方面的教学方式的优化将有效提高学生的实践应用能力及科研素养。

四、课程考核内容的优化改革

电子显微学相关课程的教学效果主要体现在学生对材料显微结构的数据处理、分析及理解方面，对学生课程考核内容设置亦应着眼与此。首先，在章节作业的布置方面，需要淡化复杂的公式推导及计算，重点让学生认识不同电子显微学技术的优缺点及适用领域；掌握电镜不同成像模式的操作方法及区别；通过实际的样品案例，让学生通过所学的数据处理方式对材料的结构及化学成分进行分析。 

其次，课程期末考核建议让学生采用多媒体汇报的方式，结合学生个人所研究或者感兴趣的材料体系进行文献调研，总结文献中所涉及材料的电镜分析表征过程及结果，介绍材料结构-性能间的关系。通过综合考虑学生多媒体展示内容，所涉及的电镜分析技术的理解，对任课教师及同学提问的回答等方面的表现给出期末考试成绩。以上两方面的课程考核内容有助于学生将所学习的电子显微学技术熟练运用于其实际的科研内容中，能显著提升本课程的教学效果。

五、结语

综上，鉴于目前电子显微学技术的发展及其在众多学科领域中的广泛应用，结合学生在实际应用中遇到的困惑，笔者就目前相关课程的教学现状及问题进行了综合分析，并针对教学课程内容的设置、教学方式以及课程考核内容提出了相应的优化改革思路，以期提升学生对电子显微学技术在其科研过程中的理解及应用能力。

参考文献：

[1]陈江华.透射电镜原子成像新技术在材料科学研究中的应用[J]. 功能材料信息, 2011,8(1):22-25.

[2]李霞章, DENG Fei, NI Chao-ying, 陈志刚. 原位透射电子显微术研究进展[J]. 理化检验-物理分册, 2015,51(4):225-228.

[3]唐明华, 郭军, 陈木子. 透射电子显微镜三维重构技术及其在材料研究领域的应用[J]. 电子显微学报, 2015,34(2):142-148.

[4] 沈永龙. 略论“电子显微分析”课程教学[J]. 教育教学论坛[J], 2020,17,256-257.