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第1篇

論文摘要介紹掃描探針顯微鏡教學演示軟件。該軟件將CAI技術和SPM技術結合在一起，主要運用文字說明，靜態(tài)圖像，三維動畫，模擬仿真等方法，對SPM的初學者進行SPM的原理介紹和使用培訓，可以大大縮短他們的學習時間，并能使其在較短的時間內對SPM有一個較為深入和全面的了解。

ApplicationofScanningProbeMicroscopeinMachineryTeaching//YueRui,ZhuWengsheng

AbstractThissoftwarecombinesCAItechnologywithSPMtechnologyandmainlusesmethodsoftextexplanation,three-dimensionanimationaswellasmathematicalsimulationtotrainthebeginnersofSPM.Afterusingthesoftware,thebeginnerscanquicklygetdeepandwholeknowledgeofSPM.

KeywordsscanningtunnellingmicroscopeofNANOVISUAtape（STM）;Pictureprocessing:ScanningProbeMicroscope（SPM）;AtomicForceMicroscope;teachingeffictiveness

Author’saddress

1.GraduateSchool,NanjingAgricultureUniversity，210095,Nanjing,China

2.LianshuiVocationEducationCentre,223400,Lianshui,Jiangsu,China

1引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G．Binning）和海·羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicroscope，簡稱STM）．STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的[1]排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金.NanoVisual，教學型掃描隧道顯微鏡可在機械教學中發(fā)揮良好作用。

2教學型NANOVISUAL掃描隧道顯微鏡

NanoVisual是針對高等院校實驗課程和中學素質教育而設計的教學型掃描隧道顯微鏡。為了適應教學要求，NanoVisual去繁就簡，掃描部件高度集成，操作流程簡練便捷，具備工作原理清晰、穩(wěn)定性優(yōu)越等特點。在線控制軟件和后處理軟件用戶界面友好，輔以生動的教學課件，引導學生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法。[2]NanoVisual掃描隧道顯微鏡具有一定的可擴充性，可以根據(jù)需要增加某些功能部件，從而具備一定科研能力。

3主要性能

掃描圖像BMP/TIFF全兼容文件格式，當前全部工作環(huán)境參數(shù)同步保存。基于WindowsXP/2000/9X的在線控制軟件和后處理分析軟件，簡約化的掃描隧道顯微鏡探頭，初學者只需經簡單的培訓即可掌握操作方法，具有I-V曲線等測量分析功能，具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式的納米加工技術，樣品尺寸直徑30mm、厚度10mm。主控制系統(tǒng)采用德州儀器(TI)32位數(shù)字信號處理器(DSP),每秒可實現(xiàn)高達10億次32位運算。主控制系統(tǒng)采用10M/100M快速以太網(FastEthernet10/100)與計算機連接。[3]全數(shù)字控制,系統(tǒng)狀態(tài)、儀器類型、掃描器和探針架參數(shù)智能識別和控制。具針尖表征及圖像重建功能(針尖形貌估計/圖像重建/用已知針尖重建圖像)。按功能模塊劃分的縱向插卡式結構，便于日后系統(tǒng)維護和升級。

3.1.技術指標

1）軟件系統(tǒng)：基于WindowsXP/2000/9X的在線控制軟件和后處理軟件。

2）系統(tǒng)功能：掃描隧道顯微鏡（STM）。納米加工和操縱，包括圖形刻蝕模式和矢量掃描模式。

3）參數(shù)性能：電流檢測靈敏度：≤10pA。圖像分辨率：128X128,256X256,512X512,1024X1024。掃描角度：0～360°。掃描頻率：0.1～100Hz。預置隧道電流：0.1～10nA。偏置電壓：-2～+2V。

4）電子控制系統(tǒng)：8通道16-bitDAC，建立時間1.5微秒。通信接口：10M/100M快速以太網（FastEthernet10/100）接口。

5）機械性能：樣品尺寸：最大可達直徑30mm，厚度10mm。全自動步進電機控制進樣系統(tǒng)。

4掃描隧道顯微鏡（STM）[1，2]原理分析

掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應。隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關.[4]。

隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個數(shù)量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。

將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象[5]。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z向驅動器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品[6]。

是利用SPM進行納米加工的客觀依據(jù)。同時也說明，SPM不是簡單用來成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進行加工和操作的工具。

5教學課程安排

1）第一周：原理簡介與上機模擬。課后著手資料定向查詢并準備實驗報告。

2）第二周：演示與學生實驗。先用鐵絲作探針練習，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品（光柵）的測量。

3）第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進行圖像處理。課后資料定向查詢并完成實驗報告。報告內容:心得、體會及建議，STM在某個領域的應用或STM儀器的某部件的原理。

4）第四周：宣講實驗報告，每人15分鐘（包括5分鐘提問）。

6圖像處理

1）平滑處理：將像素與周邊像素做加權平均。

2）斜面校正：選擇斜面的一個頂點，以該頂點為基點，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。

3）中值濾波：傅立葉變換。對圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時很有用.

7結束語

在線控制軟件和后處理軟件用戶界面友好，輔以生動的教學課件，引導學生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法.作為一種CAI軟件，本軟件界面好，操作簡便。采用文字、圖形、三維動畫等方式將SPM這一尖端復雜儀器的原理和使用與計算機輔助教學這一形式結合起來，經部分人員試用后，效果明顯，反應良好。可大大增加操作者學習SPM的興趣，并能起到事半功倍的效果，提高課堂教學效果。不足的是AFM和SNOM的數(shù)學模型還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]白春禮.掃描隧道顯微術及其應用[M].上海：上海科技出版社，1991.84—86.

［2］MicrosoftPress,MicrosoftWindows:GuidetoProgramming,1990.

［3］HeinzelmannH.Instrumentaldevelopmentsandrecentexperimentsinnear-fieldopticalmicroscopy.ThinSolidFilms,1996,273∶149—153.

［4］戴長春，黃桂珍等.國產GSPM-930型掃描探針顯微鏡介紹[J].現(xiàn)代科學儀器，1998，(1-2)∶92—93.

第2篇

一、善抓本質，培養(yǎng)思維的深刻性

思維的深刻性，就是善于透過紛繁的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題本質的思維品質。它是一切思維品質的基矗它集中表現(xiàn)在具體進行思維活動時善于深入地思考問題，抓住其本質和規(guī)律，從而園滿地解決問題。化學是一門具有嚴謹科學性的學科，學生具備思維深刻性是學好這一學科及正確答好高考化學試題的必備素質。1995年的高考化學試題突出體現(xiàn)了對學生思維深刻性的考查。

可見，要簡明扼要地解決問題，最主要的應分析問題的實質，找出問題的關鍵所在。既要抓住題目“題眼”作為思維突破點，又要選點準確，使思路暢通，問題解決顯得“敏捷而迅速”。

如何在高考復習中，培養(yǎng)學生思維的深刻性，可根據(jù)知識間的內在聯(lián)系，由淺入深，由表及里，由簡到繁，由易到難去設計多層次練習題，進行一題多解，一題多變的訓練，加深對知識的理解和掌握知識的內在聯(lián)系，以靈活運用知識，提高解題能力。

思維深刻性的另一方面，也可在多項選擇題的解答中體現(xiàn)出來，高考第二大題單項與多項選擇混和，其目的是增加試題難度，降低隨機猜測得分率。而中學生受認知水平，心理特征和學習態(tài)度等因素影響，往往對概念理解不透，記憶不深或僅憑印象進行機械推理，造成知識的負遷移，在思考問題時常常不細致，不深入，或產生思維定勢，從而導致少選，漏眩教師在指導學生練習，經常有意識地漏選選項，有利于幫助學生分析復雜的比較隱蔽的或帶假象的選項時，能去偽存真，正確選擇，以達到有意識地培養(yǎng)學生思維的嚴密性和深刻性之目的。

二、逆向思維，培養(yǎng)思維的邏輯性

思維的邏輯性是指思考問題時，條理清楚，推理準確，有因有果，嚴格遵循邏輯規(guī)律。邏輯思維性強的考生答題時分析論證問題層次分明，推理嚴謹，令人無懈可擊。解題時，運用逆向思維，是培養(yǎng)學生思維邏輯性的一條重要途徑。

中學化學教材中許多內容是培養(yǎng)學生逆向思維的好教材，只要教師在備課時，深入鉆研教材，精心設計問題以啟發(fā)學生逆向思維，持之以恒就會收到奇妙效果。

三、善于變通，培養(yǎng)思維的靈活性

思維的靈活性是指善于根據(jù)事物發(fā)展變化的具體情況，審時度勢，隨機應變，及時調整思路，找出符合實際的解決問題的最佳方案。在遇到難題時，能多角度思考，善于發(fā)散思維，又善于集中思維，一旦發(fā)現(xiàn)按某一常規(guī)思路不能快速達到目的時，就要立即調整思維角度，以期加快思維過程。高考試題大多是靈活性很強的題目，只有善于應變，觸類旁通，方能越關奪隘，攻克難題。所謂難題大致分為兩類：一類是信息遷移試題，另一類是計算題。它們主要側重考查學生的發(fā)散思維能力。

四、快速準確，培養(yǎng)思維的敏捷性

思維的敏捷性是思維的其它品質高度發(fā)展的結果，它表現(xiàn)在能迅速地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。在思維的速度和效率上不循序漸進，而是保持較大的思維跨度，以最訣的速度攻克未知。高考化學試題不僅要求考生全面扎實地掌握中學化學基礎知識和基本技能，還要在有限的時間內迅速提取頭腦中貯存的有關知識，并加以綜合運用，不少考生答題時感到時間緊，不能答完卷，乃因解題速度慢之故。

思維的敏捷性還表現(xiàn)在善于抓住時機，加快對信息的吸收、篩選和運用。例如，高考題第27題，內容繁雜，解題時應首先理順各物質間的數(shù)量關系，每一步推理均要緊緊抓住反應過程中消耗和剩余的各種物質的物質的量，則產生現(xiàn)象的原因不點自明，反應的方程式也能輕而易舉地寫出。

巧用守恒（如質量守恒、體積守恒、濃度守恒、電荷守恒等）出奇制勝，是提高解題速度的重要捷徑。

例如高考試題第17題據(jù)電量守垣，第18題巧用得失電子數(shù)相等，第24題利用質量守恒，第25題巧用濃度守恒。計算題第30題也可以質量守恒關系為基礎進行計算，守恒關系的靈活運用也可使解題速度加快。

為了培養(yǎng)思維的敏捷性，提高學生的解題速度，日常教學中必須定時定量訓練，并鼓勵學生解題時敢于打破常規(guī)，銳意創(chuàng)新，使學生在多變、多解、多思中把握問題的本質，對思路閉塞的學生積極引導，幫助其沖破思維定勢的束縛，以提高思維的敏捷性。

五、標新立異，培養(yǎng)思維的獨創(chuàng)性

思維的獨創(chuàng)性表現(xiàn)為思路開闊，靈活新奇，獨特，有豐富的想象，善于聯(lián)想，長于類比；在心理上還表現(xiàn)為有強烈的創(chuàng)造愿望。知識的發(fā)展有待于創(chuàng)造，只有創(chuàng)造才能在競爭中生存，思維的創(chuàng)造性品質是當今時代最為重要、最可貴的一種品質。1995年高考化學試題充分注意了這一點。

近幾年高考化學信息遷移題的命題可以看出，試題涉及的化學理論知識，由原來的高中基礎知識略加延伸，到現(xiàn)在的大量取材于高等化學、社會生活及工業(yè)生產中的實際問題、新科研成果，就能力測試而言，由著重考查學生從現(xiàn)有知識、原理出發(fā)，分析、判斷、推理解決“老”問題的能力，向考查考生自學新材料、新理論，運用新觀點、新方法創(chuàng)造性解決“新”問題能力方向發(fā)展，有利于培養(yǎng)并選拔創(chuàng)造型人才。誠然、信息遷移題難度系數(shù)比較大、但它不“超綱”，重點考查學生的“現(xiàn)場自學”能力，知識遷移能力，創(chuàng)造想象能力。在復習教學中，不能丟開書本，花大精力，耗費時間去補充“超綱內容”，既浪費了精力，又增加了學生負擔。重在多注意培養(yǎng)學生的自學能力，特別是“現(xiàn)場自學”能力，以及知識遷移能力，創(chuàng)造想象能力。

易受傳統(tǒng)解題方法的約束，不能接受那些違反“常規(guī)”的解題捷徑，也是缺乏思維獨創(chuàng)性的表現(xiàn)。計算題教學中若把計算為主，推理為輔，轉化為推理為主，計算為輔，也能很好地培養(yǎng)學生思維的敏捷性和獨創(chuàng)性，高考題第36題的各種巧解充分體現(xiàn)了這一點。

思維功能高效率的基礎是思維結構的高度完善，促進學生形成最佳思維結構，最大限度地發(fā)揮思維的創(chuàng)造。而善于構造，是創(chuàng)造性思維能力的重要表現(xiàn)，各種類型的題目、解法均有繁簡之別。許多學生滿足于做出來，而不愿在解題技巧方面作深入探討、致使解題速度緩慢，這是廣大考生的弱點，不能不引起教師的高度重視。如果在解題中多留神各種解法，多啟發(fā)誘導，盡可能讓學生自己總結出一些簡捷明快的解法，這本身就是一種創(chuàng)造。如果照本宣科，照析例題，硬套公式，題愈做愈死，越學越怕，思路越走越窄。故此應鼓勵學生打破常規(guī)，發(fā)揮獨創(chuàng)性。

六、統(tǒng)籌全局，培養(yǎng)思維的整體性

第3篇

1.1課程設置改革

首先，資源環(huán)境科學專業(yè)是文理兼收的，故選擇葉芬霞主編的“無機及分析化學”和“無機及分析化學實驗”作為教材。本課程作為專業(yè)基礎課，課程大綱要求學生掌握分析化學的基本原理和方法以及無機及分析化學試驗的基本操作技能，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、分析解決環(huán)境科學問題的能力，并為學習后續(xù)課程和將來從事環(huán)境監(jiān)測工作和環(huán)境化學的學習奠定基礎。因此本課程確定選取容量分析（酸堿滴定法、沉淀滴定法、氧化還原滴定法、配位滴定法）和儀器分析（吸光光度法、原子吸收分光光度法、離子色譜法等）作為重點教學內容，設定教學計劃，理論環(huán)節(jié)50學時，實驗環(huán)節(jié)22學時，實驗分別設計入門項目、驗證性項目、綜合性項目等多種層次的8個實驗項目來反復訓練學生，培養(yǎng)學生獲得整體行動能力，同時注重與本專業(yè)其他課程的銜接和滲透，真正通過本課程學習為后續(xù)專業(yè)理論學習和實踐能力的培養(yǎng)打下良好的基礎。

1.2理論教學改革

在分析化學的理論教學中，既要講授分析化學的基本原理和方法，使學生嚴格樹立起“量”的概念，培養(yǎng)學生從事理論研究和實踐的嚴謹?shù)目茖W作風和能力。又要將新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)代分析方法和技術巧妙的融合到經典分析化學中，如介紹分析化學在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境毒理學、環(huán)境化學等課程方面的應用,特別是環(huán)境污染治理、生命科學在分析化學方向使學生認識到分析化學的重要性，充分調動學生的積極性，激發(fā)學生學習興趣，積極參與到教學活動中。教師教學不應重在講授，而應重在“授之予漁”，引導學生提出問題,指導學生解決問題。首先，教師提出能夠涵蓋課堂教學所有知識點的問題,讓學生課前帶著問題去預習,既培養(yǎng)獨立自主學習能力又可讓學生發(fā)現(xiàn)自己遇到的難點。然后，通過啟發(fā)引導,鼓勵學生提出問題,引導學生尋找解決問題的途徑和方法，并給出一定的時間讓學生去思考,去查閱相關的資料，培養(yǎng)學生獨立解決問題能力，同時讓學生自己挖掘每個問題所涵蓋的知識點,并引導其掌握問題在實際中的應用，以學生為主體通過問題的解決而掌握相關的知識點,不但幫助學生自主分析、解決問題,還提高了學生學習的興趣,使所學知識體系和創(chuàng)新能力不斷提高和發(fā)展。比如新課前先留下問題水中Cl-和CrO4-同時存在，緩慢加入濃的AgNO3哪種離子先沉淀呢？實驗現(xiàn)象又如何？學生帶著問題去預習，學習分步沉淀的原理，同時鼓勵學生小組設計實驗，理論課前可以先進行實驗，觀察現(xiàn)象，通過查找資料分析原因，課堂上教師根據(jù)學生解答問題情況講授新課，理論與實踐相結合，充分調動學生學習的積極性，培養(yǎng)了學生自主學習、團結協(xié)作分析解決問題的能力。課堂教學過程中注重靈活引導學生掌握學習方法，如對比方法，包括將有關同類滴定分析方法原理知識進行橫向或縱向的比較、幾種常規(guī)容量分析法的相似點不同點、化學鍵與分子間作用力的異同點、三種銀量法的異同點等，又如如何選擇最適的指示劑,重點講根據(jù)酸堿滴定曲線中滴定突躍選擇指示劑,而配位滴定和氧化還原滴定,就不再詳細講授,讓學生分組討論學習，而且滴定分析重在應用，加以案例分析教學，有助于提高學習興趣，讓學生學以致用，了解本方法的用途，進而開展實踐教學。

1.3創(chuàng)新實踐教學模式，多種實驗教學模式相結合

現(xiàn)階段分析化學實踐教學中，多數(shù)是老師為學生準備好試驗水樣、土樣、藥品試劑等，學生僅按照試驗步驟依次操作即完成實驗，這并不能滿足全面提升學生綜合實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，針對上述問題，我對分析化學實踐教學做如下改革。以學生為主體、教師為引導，強調以工作任務為驅動組織實踐教學，開展實驗，同時提倡讓學生參與試驗的布點、采樣、試劑配制、試驗耗材準備等實驗整個過程的教學模式。即根據(jù)工作任務讓學生分小組完成任務分配表，包括試驗樣品的選取、實驗藥品用量的計算和配制方法、實驗原理、實驗注意事項等，在實踐教學方法上注重互動式、啟發(fā)式教學模式，鼓勵學生小組籌備實驗，實驗過程中出現(xiàn)問題，引導學生查找分析問題原因，注重培養(yǎng)學生能夠掌握基本的分析原理和方法基礎上，培養(yǎng)學生進行自主式探索研究，能夠自主提出問題、分析問題、并通過分工合作解決實際問題，真正實現(xiàn)教學相長。整個實驗過程，不僅提高了解決分析問題能力，也培養(yǎng)了學生團隊合作精神。實踐教學中工作任務的設置應注重基礎實驗和綜合設計實驗相結合，如基礎項目、驗證性項目、自主性項目、綜合性項目等多種層次的8個實驗項目來反復訓練學生。基礎項目的選取以學生基本操作規(guī)范、實驗常用儀器使用方法為主。如天平的使用、基本儀器操作規(guī)范及注意事項等。驗證性項目則在規(guī)范操作基礎上，與課程教學大綱相結合，學會如何著手解決工作任務，教師給出概要的指導性問題和解決問題可選擇的途徑，學生通過實驗過程記錄現(xiàn)象和課后查閱資料分析現(xiàn)象，形成總結報告，教師根據(jù)結果用部分課堂時間予以點評，如開設水中氯化物含量測定、硫代硫酸鈉的標定、EDTA的配制和標定等等。自主性項目則以小組為單位，進行自主式探索研究，分工合作，引導可以選擇食用米醋酸度的測定、食用鹽中碘含量的測定、自來水中總硬度的測定等。綜合性項目為設計研究跨課程的大型綜合項目，如草溪河水體富營養(yǎng)化評價等，根據(jù)所學的知識和操作技能和查閱相關資料，小組合作寫出設計方案，在教師論證其可行性后籌備實驗，完成實驗，寫出實驗小論文。

1.4改革考試方式，推行全面而科學的考核方法

改革以考核知識的積累、實踐能力為目標，考核采取全過程考核，考核方式有閉卷筆試、實驗操作、平時作業(yè)、實驗報告等多種形式，既注重結果又注重過程。理論部分占總成績的60%，實驗部分占總成績的30%，考勤占10%，共100分。考核內容以應用為主，主要考核學生掌握知識點和靈活運用能力，達到培養(yǎng)學生綜合應用能力的目標。

2成果與展望