1. 引言
扫描电子显微镜(SEM, Scanning Electron Microscope)是当代微观分析技术的重要工具，广泛应用于材料、生物、环境、地球科学等多个领域。作为理工类高校本科及研究生实验教学的重要组成部分，电镜实习不仅要求学生掌握其基本结构、成像原理和操作流程，还需具备基础图像分析与结果解释能力，培养科研规范、实验素养与安全意识，为科研工作奠定基础[1] [2]。然而，受限于仪器资源、教学模式和学生基础差异，当前电镜实验教学效果参差不齐，迫切需要对其教学方法进行系统性的优化。
本研究聚焦于SEM教学改革的现实需求与发展趋势，尝试将问题驱动学习(PBL)、模块化教学、多维度评价体系、教师协作与实验资源共享机制等理念引入SEM实习教学，系统构建了适应新形势下的SEM教学创新框架[3] [4]。旨在探索该教学模式在提高学生学习积极性、强化操作技能及促进知识应用能力方面的作用，以期为SEM教学模式的创新与优化提供参考。
2. 扫描电镜实习教学现状分析
SEM实习是材料、生物、环境等专业的重要实验教学内容，也是本科生和研究生实验技能基础训练的重要内容。然而，在实际教学过程中，由于设备、人员、课程设置等多方面限制，SEM实习教学仍存在诸多问题，影响了教学质量和学生实践能力培养。具体体现在以下方面。
2.1. 教学目标模糊，课程体系结构不合理
SEM实习课程常作为材料表征或分析测试课程的附属模块，缺乏独立、系统的教学目标和能力培养路线。教学大纲多停留在“了解电镜结构与原理”层面，缺乏对“图像数据分析能力”、“前沿热点”“科研规范、实验素养、安全意识”等实践性、科研导向目标的关注[5] [6]。使得课程难以满足科研型人才的能力要求，也不利于课程之间的衔接与梯度建设。
2.2. 教学内容以理论讲解为主，实践环节薄弱
目前多数高校SEM实习主要以“理论 + 演示”的课堂讲授教学模式为主，内容集中于成像原理、仪器结构和信号分类等基础理论。学生往往只能观摩演示，缺乏实操训练，容易导致学生对高精仪器操作形成“观看记忆”而非“操作记忆”，难以真正掌握其使用要领与成像技巧[6] [7]。尤其对于首次接触高精尖仪器的学生而言，缺乏实操训练会影响理解深度和学习兴趣。
2.3. 操作内容标准化，忽略多样性与问题导向
当前多数SEM实验教学中，操作训练内容普遍趋于标准化和程式化。实验项目通常围绕“样品装载–调焦–观察–拍图”这一标准化路径展开，所选试样多为预制好的金属、硅片、粉体、材料断口等[8] [9]。这种高度程式化的操作流程虽便于实验管理和教学组织，但也存在诸多限制，削弱了学生综合能力培养和科研思维训练。具体体现在：
(1) 缺乏样品多样性，学生难以直观了解不同材料在电镜下的表征差异。现实科研中，学生可能接触到如高分子材料、生物组织、复合材料等导电性差的试样，样品成像要求不同，前处理方式(如喷镀、导电处理等)也存在差异[10]。而教学中使用的“理想样品”往往无需额外处理，无法让学生接触样品制备中的常见问题(如导电性差、试样团聚、图像漂移等)，使其对电镜表征应用的理解停留在浅层。
(2) 实验任务目标单一，缺乏问题导向设计。多数实验教学仅要求学生获得“清晰电子图像”，而未引导学生主动思考样品表征的关键问题(如“图像质量为何不佳”“图像对比度、衬度不佳是参数问题还是样品问题”“样品是否有污染”) [10]。这种教学方式难以激发学生的问题意识和科学思维，忽略了“发现问题–分析原因–调整参数–优化结果”的科研基本流程。
(3) 教学缺少基于真实场景的探索任务。在实际科研中，学生需具备判断样品微观结构与特征的能力(如识别试样原生结构、伴生结构、次生结构等)。然而，现有教学多停留在操作层面，缺乏引导学生在复杂样品中进行图像识别与问题诊断的训练。导致学生即使掌握操作流程，也难以将图像数据转化为科研信息。该现象表明，当前教学过于关注“技能层”的训练，而忽略了“分析层”和“认知层”的能力发展[9] [10]。
2.4. 教学内容陈旧，缺乏前沿热点与综合应用
SEM作为高分辨率表征成像工具在各学科领域的应用在不断拓展，其技术本身也在持续迭代，如低电压成像、SEM与能谱(EDS)联用、SEM原位实验、SEM与晶体学衍射(EBSD)联用、SEM与极速冷冻技术融合等[11]。但当前SEM实习教学重点仍停留在“成像原理 + 样品观察”的传统模式中，呈现出内容滞后、更新缓慢、应用局限等问题。具体如下：
(1) 课程内容与实际科研脱节
当前SEM实验教学普遍聚焦于常规操作训练，如“观察标准样品的表面形貌”“调节焦距与倍率获取清晰图像”等，缺乏对真实科研场景的模拟和再现。学生虽能完成基本操作，但无法深度理解电镜表征在科研中的实际用途(如用于材料失效分析、微观结构定量评估、水氧敏感样品界面特征观察等)。许多学生在实习结束后，仍不具备将电镜表征手段与科研课题相结合的能力。
(2) 缺乏对先进技术的介绍与实践
近年来，SEM领域的新技术不断涌现，如：低真空/无导电涂层高分辨成像(适用于生物/陶瓷等非导体)、SEM与电子背散射衍射(EBSD)联用技术(获取晶体取向、晶界类型等数据)；扫描电镜(SEM)和聚焦离子束(FIB)系统联用技术(适用于微纳加工、芯片修补、三维重构等)；电镜与AI辅助技术融合等[11]，这些先进技术已在科研与工程实践中广泛应用，但在实习课程中鲜有系统介绍，学生对电镜的认知依然停留在“表面形貌拍图工具”的层面。
(3) 实验案例和图像素材更新滞后
当前部分电镜实验指导书、课件及图像数据库存在更新滞后问题，仍在使用早期图像或过时的试样案例(如纯金属、标准硅片等)，缺乏对热点新材料(如MXene、MOF、3D打印材料等)的案例介绍[10]。
(4) 忽视跨学科融合与综合能力培养
扫描电镜不仅服务于材料学科，也广泛应用于生命、环境、地球科学等领域。但多数实习课程弱化了扫描电镜在不同学科多种场景下的应用与挑战。例如：生物样品的脱水与冷冻处理技术；纳米药物包覆结构可视化；矿物解离分析等，学生因此无法形成跨学科的理解与应用视野，不利于适应综合型、交叉型科研任务的需求[11] [12]。
2.5. 缺乏多维度教学资源与评价机制
当前SEM实习教学中，教学资源配置和课程评价体系普遍存在结构单一、形式化突出、缺乏差异化反馈等问题，无法有效支撑学生在知识理解、技能掌握、科研应用等多维度的全面发展，影响了教学效果与学习深度。具体而言：
(1) 教学资源单一，形式相对单调
目前SEM实习教学多以“纸质指导书 + 实验室现场演示”的模式开展教学，内容过于依赖单一实验样品和静态图文材料，缺乏视频演示、虚拟仿真、交互式平台等多模态资源辅助[13] [14]。学生难以深刻体会电镜参数调节(如束斑、加速电压、工作距离、像散)对图像质量的影响；
(2) 缺少与科研任务接轨的综合性训练项目
目前SEM实习课程多以教学示范为导向，鲜少融入科研问题解决与综合分析任务，如：“借助SEM分析某未知材料的断裂机制”；“模拟审稿人提出图像不清楚的问题，优化拍摄参数并重新获取图像数据”等。这类“任务驱动型”项目不仅可以提升学生的实验主动性，还原扫描电镜真实使用场景，还可锻炼学生综合使用电镜工具解决问题的能力。
(3) 缺乏数据管理与批判性思维训练
SEM实习教学中对电子图像数据的分析、记录与表达缺乏系统指导，如缺少图像对比、图像增强处理、数据定量分析等技能的训练。学生难以形成对图像真实性、成像缺陷、伪影误读等现象的辨别与质疑能力。导致学生将电镜视为“图像拍摄工具”，而非科学推理的手段。
3. 教学改革策略与创新设计
针对上述SEM实习教学中存在的问题，本研究提出一套具有针对性的教学改革策略和创新设计方案。该方案围绕“多模块教学设计”“任务驱动式实践”“多元评价机制”和“资源集成优化”等核心理念[12] [13]，旨在构建更加科学、高效、灵活且贴近科研实际的SEM实习教学模式。
3.1. 电镜实习课程可按照模块化方式进行拆解与重构
不同年级或基础层次的学生可通过“基础模块 + 选修模块”组合，实现分层教学和能力差异化发展。
(1) 理论认知模块：涵盖电镜基本结构、成像原理、信号类型与应用场景；
(2) 操作训练模块：聚焦于样品装载、调焦成像、参数调节等核心技能训练；
(3) 样品制备模块：介绍导电处理、喷金、喷碳、低真空等样品前处理方法；
(4) 图像分析模块：强化图像识别、信号来源判断、图像优化与伪影辨识；
(5) 科研拓展模块：详细介绍EDS、EBSD、电镜原位实验等先进功能及其在科研中的应用。
3.2. 引入任务驱动与问题导向型教学模式
电镜实习建议采用“任务驱动式”教学，基于实际科研场景设计实验任务(表1)，激发学生主动思考、解决问题和综合分析的能力。
通过“任务驱动式”教学，使学生从“被动执行”转变为“主动探索”，更贴近未来科研工作的需求。
Table 1. Example of task-oriented teaching design in electron microscopy internship
表1. “任务驱动式”电镜实习教学设计示例表
任务编号 |
教学任务描述 |
对应能力目标 |
适用对象 |
任务一 |
获取并优化一组复合材料的微观结构
图像，并解释材料分层现象 |
成像参数调控能力；图像识别与结构分析能力 |
材料类专业学生 |
任务二 |
模拟审稿人提出“图像质量不达标”
意见，重新设计参数并再成像 |
问题诊断与成像优化能力；
科研表达规范意识 |
本科高年级或研究生 |
任务三 |
设计适合水、氧敏感型样品或某种非导体生物组织的电镜样品处理方案，并进行
成像验证 |
样品制备适应能力；
跨材料理解与操作能力 |
生物、医药类专业学生 |
任务四 |
比较不同加速电压、工作距离条件下图像差异，提出参数优化建议 |
参数控制与成像对比分析
能力；实验数据解读能力 |
通用基础教学任务 |
3.3. 建立多维度融合的评价体系
针对当前以终结性评价为主的现状，建议构建形成性与总结性相结合、过程性与成果性并重的多维评价体系(表2)：
Table 2. Example of a multi-dimensional integrated evaluation system
表2. 多维度融合评价体系示例表
评价维度 |
内容示例 |
占比建议 |
理论掌握 |
小测验、知识图谱构建、小组讨论 |
10% |
操作技能 |
上机操作规范、样品处理能力 |
20% |
图像分析能力 |
图像识别、成像参数解释、问题归因 |
30% |
报告与表达 |
根据实际科研场景设计实验任务并撰写报告、参数记录、图注撰写 |
30% |
参与和反思 |
合作表现、自评互评 |
10% |
3.4. 建立教师协作与实验资源共享机制
当前高校电镜实习教学实践中，面临设备昂贵、机时紧张、师资力量分布不均等问题，导致教学负担集中、指导效率低下、资源利用率不高。因此，构建教师协作机制和实验资源共享体系，不仅是缓解资源紧张的现实需求，更是推动教学内容优化、教学方式革新和课程可持续发展的重要保障。
(1) 构建“主讲 + 技术 + 助教”协同指导模式
为提升实习教学质量和效率，可建立由主讲教师、实验技术人员、研究生助教组成的“三位一体”教学实习团队，各司其职、互为补充。主讲教师负责课程设计、教学内容安排与关键环节指导，统筹教学目标与评价标准；实验技术人员负责仪器日常维护、样品制备辅导、安全培训以及突发故障处理；研究生助教可协助完成前期样品准备、操作演示、答疑指导与学生记录打分等教学辅助任务。该协作机制不仅可减轻教师教学负担，也为研究生提供了教学实践机会，促进“教–学–研”三者融合[15]。
(2) 推动跨学院、跨专业教学协作平台建设
鉴于电镜实习教学具有显著的交叉学科特性，应打破传统学院壁垒，推动资源共建共享，在校内建设“表征技术共享实验教学平台”，由材料学院、化药学院、环境学院等共建课程模块与教学资源；实现仪器预约、课程排课、教学资源调取的平台化管理；推广“通识 + 专业模块”双轨制，开设电镜基础通识课，同时为不同学科设置定制化实操任务(如生物样品脱水/矿物颗粒分析/复合材料界面观察等) [16]。
(3) 促进教师教研共同体建设与持续培训
良好的教学协作不仅体现在教学环节，还需在教师专业发展方面持续投入。鼓励教师参与国内外电镜教学论坛或专业技术培训，持续更新技术视野与教学理念，建立教学成果共享机制，如课件库、图像资料库、问题集与考核题库等共享，实现教学经验可迁移、可复用[17] [18]。
4. 案例分析与教学实践应用
为验证前述教学改革策略与创新教学设计的可行性与有效性，本文选择武汉工程大学材料科学与工程学院2023级本科生为研究对象，在“材料分析与测试技术”课程中的扫描电镜实验教学模块中进行教学实践。通过模块化教学设计、任务驱动式训练、多维度评价机制与资源集成优化等手段，尝试构建一套贴近科研应用、强化操作实践、培养思维能力的电镜实习教学体系。
4.1. 教学对象与基本条件
课程名称：材料分析与测试技术实验；
实验模块：扫描电子显微镜实习模块；
教学对象：2023级材料类专业本科生，共计48人；
教学周期：第8周至第12周，每周一次，每次2学时，共计5次实验课；
仪器配置：蔡司Gemini300场发射扫描电镜1台，日本电子JSM-5510钨灯丝扫描电镜1台，配套样品前处理与喷镀设备；
师资结构：1名主讲教师 + 1名实验技术员 + 2名研究生助教。
4.2. 教学内容与任务安排
电镜实习教学分为5个单元模块，基于任务驱动组织教学内容，每次实验课对应一个目标任务。教学流程如表3所示：
Table 3. Schedule and Learning objectives of SEM laboratory training
表3. SEM实习教学课程安排及目标任务表
周次 |
教学模块名称 |
主要教学任务 |
实验内容安排 |
任务驱动目标 |
第8周 |
基础理论导入和
前沿热点介绍 |
SEM结构与成像原理 |
视频讲解 + 示范图像识别 |
建立基础认知 |
第9周 |
样品制备与
成像入门 |
样品装载与喷镀、
参数设置与成像 |
实操训练 + 样品准备 |
熟悉操作流程 |
第10周 |
图像调控与
结构识别训练 |
对比参数设置成像效果、
诊断图像缺陷来源，识别晶粒、断口、孔隙等微观结构 |
多参数实验 +
图像分析 |
掌握成像调控 +
图像解读 |
第11周 |
综合任务解决 |
模拟审稿问题反馈，图像优化与说明撰写 |
试样再成像 +
图注编写训练 |
问题诊断 + 科研表达
能力 |
第12周 |
成果展示与
课堂回顾 |
展示图像成果与分析心得，
反思学习过程 |
学生汇报 + 教师点评 |
总结提升 + 反馈共享 |
4.3. 教学任务实施实例
以第10周“图像优化与结构识别”任务为例，学生分组对比不同成像参数下的图像质量，尝试解决成像模糊、像散、对比度低、漂移等常见问题，并分析图像中所呈现的材料结构特征。教学要点包括：
1) 设置加速电压(3 kV~15 kV)进行对比成像(图1)；
Figure 1. FE-SEM images obtained by students at different accelerating voltages: (a) 3 kV; (b) 15 kV
图1. 学生使用场发射电镜：(a) 3kv电压下获取图像；(b) 15 kv电压下获取图像
2) 比较不同工作距离、束斑尺寸以及光阑尺寸对图像分辨率影响(图2)；
Figure 2. FE-SEM images obtained by students under different Working Distances (WD) and aperture sizes: (a) WD = 5.2 mm, aperture = 30 μm; (b) WD = 13.4 mm, aperture = 30 μm; (c) WD = 5.4 mm, aperture = 60 μm
图2. 学生使用场发射电镜：(a) WD = 5.2 mm，光阑孔 = 30 μm时获取图像；(b) WD = 13.4 mm，光阑孔 = 30 μm时获取图像；(c) WD = 5.4 mm，光阑孔 = 60 μm时获取图像
3) 观察金属断口样品的韧窝、多层材料样品截面特征(图3)；
Figure 3. SEM images obtained by students using different electron sources: (a) tungsten filament SEM showing dimple morphology of a metal fracture surface; (b) field emission SEM showing the cross-section of a multilayer composite
图3. 学生使用：(a) 钨灯丝电镜获取金属断口的韧窝图像；(b) 场发射电镜获取多层复合材料截面图像
4) 编写图像说明，包括参数记录与结构判断依据。
该任务不仅强化了成像调控与图像辨识能力，也锻炼了学生的信息提取与科研表达能力。
4.4. 学生参与和反馈情况
在各阶段实验结束后，学生需提交个人图像报告与参数记录表，并填写任务反馈表(表4)。
通过本次教学实践案例验证，本文所提出的模块化、任务驱动、多维评价等教学策略在实际操作中具备适用性。学生不仅在技能层面有所提升，在科研思维、团队协作和科学表达等方面也达到了明显的训练效果。
Table 4. Feedback questionnaire for SEM laboratory training
表4. SEM实习教学反馈调查表
反馈维度 |
具体反馈内容 |
学生响应比例 |
反馈类型 |
对应教学改进建议 |
教学方式评价 |
任务驱动教学模式更具挑战性，
更有成就感 |
约79% |
主观认知提升 |
保持任务导向结构，适当提升
任务设计多样性 |
操作技能提升 |
多次图像采集练习使学生电镜操作更加熟练，参数调节更有信心 |
约85% |
技能获得 |
增加独立练习机会与典型操作
问题解剖 |
实验内容深度 |
学生希望增加EDS、BSE、EBSD等高级模块训练，提高分析深度 |
多名学生文本反馈 |
拓展建议 |
后续模块加入高级模块训练内容作为选修单元 |
教学资源使用 |
视频和图像库等课前准备帮助大，但部分演示视频过于简略 |
约81%满意 |
教学资源评价 |
丰富视频内容细节，加入示范
讲解与图像解读环节 |
评价机制体验 |
多数学生认可图像分析 + 任务
打分，比传统报告更合理 |
约90%认可 |
过程评价反馈 |
进一步优化多维评价结构，
增加同伴互评比例 |
课程节奏安排 |
少数学生反馈操作机时紧张 |
约21%提及 |
实施难点反馈 |
增加上机轮换场次 |
5. 局限性与反思
本研究在SEM教学改革策略与创新设计方面提出了若干探索与实践，但仍存在一定的局限性，需在后续研究与实践中进一步改进和深化。
首先，教学对象有限，样本单一。本研究主要聚焦于武汉工程大学材料科学与工程学院本科生，受制于学科背景、实验条件及学生基础水平，研究结论的外部适用性仍需进一步验证。不同类型高校、不同专业方向及不同层次的学生群体，其学习需求和接受方式可能存在差异，未来研究应在更广范围内开展对比与推广，以增强结论的普适性。
其次，评价方式的不足。尽管本文尝试构建多维度的教学评价体系，但实际应用中仍偏重于过程性与结果性指标，学生自主学习能力、跨学科思维及实验创新能力等深层次效果尚未得到充分量化和跟踪。未来应引入更为动态化、纵向化的评价工具，并结合长期追踪机制，以全面呈现教学改革的成效。
综上，未来相关研究应在更大范围和更复杂教学环境中开展实证探索，逐步完善教学模式与评价体系，从而不断提升SEM实习教学的科学性与实效性。
6. 结论
本文围绕SEM实习教学中存在的核心问题，结合现代教学理念与能力导向培养目标，设计并实施了一套模块化、任务驱动、多维评价相结合的创新教学模式。通过具体教学案例的实践与反馈分析，得出以下结论：
1) 任务驱动教学可有效提升学生实践与思维能力。学生在多次图像采集、参数调控和微观结构分析任务中表现出更高的操作熟练度与主动参与意识，教学从“演示型”转向“探索型”取得成效。
2) 模块化与多层次教学设计增强了课程适应性。基础理论、前沿介绍、样品制备、图像识别、科研表达等模块的层层递进设计，使不同基础的学生均可找到适合的技能提升路径。
3) 多维评价体系促进了全过程能力成长。融合过程性记录、操作表现、图像成果与反思报告的综合评价模式，真实反映了学生能力结构与进步轨迹，激发了持续学习动力。
4) 学生反馈积极、教学改革方向得到验证。调查与教学反应显示，超过九成学生认可本模式的实用性与挑战性，部分学生提出了更高层次的内容拓展需求，如建议引入BSE、EBSD等进阶模块，以增强对材料结构的深入分析能力。为后续深化教学改革提供了方向。
5) 高校SEM实习教学仍具有广阔的发展空间，未来可从现有模块化教学体系的基础上，逐步引入电子背散射衍射(EBSD)分析、冷冻制样技术、双束电镜微纳加工、原位变温与力学实验等前沿电镜技术，构建多层次、跨专业适应的拓展型教学体系。不仅有助于强化学生对微观结构表征方法的理解与掌握，更能满足高层次科研型人才培养的综合需求，为材料、生命、环境等交叉学科提供有力的实验教学支撑。
基金项目
本文受教育部第二期供需对接就业育人项目(就业实习基地项目)资助(项目号：20230102996)。