2017年11月18日，在第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上，有这样一款来自北理工学子研制的教学辅助仪器，凭借出色的创新设计在众多的优秀作品中脱颖而出，得到了评委们的一致认可，并最终获得一等奖。

　　这款名为“透射电子显微镜模拟器”（以下简称：TEMS）的教辅仪器由（中国）科技公司材料学院苏铁健与谭成文老师指导，岳峻逸、姜威宇、李斌斌、张思蒙等八位学生组成的团队研制。它能够有效模拟透射电子显微镜（TEM）成像原理及功能，实现对高端科研设备原理讲授、学习使用的便利化，为更广泛地开展透射电子显微镜理论学习和上机实训需求创造了条件。经过专利检索和文献查询，目前国内没有发现相关的辅助教学与培训设备，这款教辅工具填补了对透射电子显微镜操作流程可视化展示的国内空白。

从TEM到TEMS：“一样也不一样”的“模仿秀”

　　伴随着科学技术的发展，探索物质的微观世界，是当今世界前沿科技的研究热点，这离不开各种先进性观察设备，而透射电子显微镜（TEM）就是目前使用最为常见的一种高水平研究设备，广泛应用于生物、化学和材料等科学领域。透射电子显微镜虽然常用，但复杂的操作和昂贵的价格，让它并不“亲民”。如何让学生便利地学习掌握透射电子显微镜一直让从事相关研究的苏铁健“耿耿于怀”。

　　创新的灵感总是在长期思考中爆发，苏铁健的这件心事，也成为学生们一项思考的命题。某日，岳峻逸等几位同学看到苏老师在课堂上用手中的激光笔照射光栅时，在墙上形成很多亮点形成的阵列，青年人的创造性在此刻迸发。“我们觉得这种现象与TEM的电子衍射非常相像，于是马上将这一灵感记录下来。”岳峻逸回忆说。

　　而面对学生“灵光一现”，随后的几天中，老师们可没有丝毫懈怠，“学生的创新思维，有时候不可小觑”，长期从事科研工作和指导学生的丰富经验，让苏铁健和谭成文两位老师敏锐地意识到，学生的想法大有可为，他们随即与岳峻逸等学生一起深入探讨，伴随着思路的逐渐打开，师生们一拍即合，不久一份TEM模拟器的设计方案就形成了。

　　当然，从一纸方案到一方实物，还需要一番心路历程，两位老师与学生经过精心构思和反复推敲设计，并认真指导由岳峻逸牵头的研制团队，克服困难，终于用了2年时间，将方案变作实物，制作出这款造价仅有5万元左右的透射电子显微镜模拟器（TEMS）。

　　“真正的TEM在工作时，由于发射的是电子束，相当于射线，所以其光路是不可见的，操作是‘暗箱’的。但将TEMS作为教学仪器时，运用激光，你就可以对其工作原理一目了然，这让学生更好地理解了TEM的抽象概念和工作原理。”岳峻逸边说边演示，“你看，激光束模拟的是电子束，而我们放置的光栅就是在模拟被检测的材料样品，光栅的条文疏密还有方向相当于材料样品的微观结构，激光照射后，光发生偏转，然后用透镜把光汇聚到成像平面上，我们就得到了一列列周期排列的亮点。通过测量亮点的间距，就可以算出光栅的结构数据，这一过程和电子束检测材料样品过程和原理是一致的。”

　　正是通过这样巧妙的模拟，这款TEMS不仅一览无余地展示了TEM的工作原理，还依托控制系统、图像采集与处理系统的创新设计，开发出能精准控制设备运行、直观输出结果的计算机程序，建构了友好的人机交互界面。

　　另外，TEMS作为高水平的“模仿者”，努力向“本尊”看齐，经过实验效果测试，TEMS完全能够生成TEM在不同模式下的各种演示效果，还能呈现图像模式与衍射模式的转换关系。当然也必须承认，与“本尊”相比，作为一款教学仪器，TEMS在分析精度方面稍显逊色。“显微镜分辨率跟波长有关，激光束光源的波长是0.5个微米，而电子可以达到原子级别，也就是说TEM可以看到纳米尺度的材料结构细节，但TEMS只能展现到微米级细节，‘本尊’毕竟是‘本尊’嘛！”研究团队中的信息学院学生姜威宇笑着说。

从TEM到TEMS，让更多的学生“玩转”高端设备

　　材料的微观结构决定了材料的各种宏观性能，如强度、韧性、塑性等，而我们的肉眼只能看到材料的外在表象特征，若想探究其内部的微观结构，当前最为通行的手段，就是使用透射电子显微镜等显微分析仪器。

　　透射电子显微镜（TEM），其工作原理是利用高能电子束对材料样品进行轰击，电子束穿透材料样品后发生衍射，再经透镜折射会聚而成像，由于电子束经过高电压加速而波长极短，分辨率可以达0.1nm级别，甚至能看到原子像，这就使其具备了超高的分辨本领，因此常被材料、物理、化学、生物、医学以及地质等学科的研究者，用来观察纳米级的微观组织结构，所以透射电子显微镜可以成为现代科学研究中最为重要、最为常用的观察设备之一。透射电子显微镜发明者——德国科学家E. Ruska在1986年因此获得诺贝尔物理学奖。国内外理工科大学的相关专业普遍开设透射电子显微分析类课程。

　　“TEM的工作原理涉及量子力学、物理光学等看不见摸不着的并且十分抽象的现代物理理论，初学者如果没有经过大量的实践训练，是很难深入理解TEM的理论和熟练掌握其操作技能的，”苏铁健介绍说，“虽然我在法国留学时，常对着厚厚的一本TEM使用说明书操作仪器，但直到现在我做实验时，仍有很多不懂的地方需要翻书。”

　　除了操作难度大外，透射电子显微镜还是一款体积庞大、价格不菲的大设备，每台500多万的价格，也使得它并不能大量采购和普遍装备。“科研上都用不过来，教学使用更是排不上，用不起。北理工目前有2台TEM，工作量十分饱满，做实验的学生需要提前预约，为了保障设备运行和实验结果，大多数情况下都由老师亲自操作或者现场指导。这样一来，针对TEM开展学习实践的机会就非常有限，也直接影响到学生的能力培养和科研效果。”苏铁健对此深有体会。

　　而由北理工学生团队创新研制的“透射电子显微镜模拟器”（TEMS）则巧妙的使用可见的532 nm激光束代替了TEM中不可见的高能电子束，并模拟了其衍射和成像的全过程，以傅里叶光学玻璃透镜代替电磁透镜控制光路、以光栅样品代替薄膜晶体样品建构TEMS的光学系统，利用SolidWorks软件设计并制作能够搭载可以移动光学系统的机械系统，并配套设计了控制机械系统运动的控制系统、能够采集与处理图像的硬件系统与计算机程序，最后通过总装环节集成光学系统、机械系统、控制系统、图像采集与处理系统，最终这样一款原理创新、功能完备，且“物美价廉”的教学仪器在北理工诞生，并且在昆明理工大学、华北理工大学、中南大学和我校的相关专业课程以及海淀区中学生科学实践活动中得到应用验证，受到师生们的一致好评，取得良好的教学效果，实现了让更多的学生和初学者可以“玩转”TEM这样的高端设备。

从TEM到TEMS，为教学仪器领域创新写下精彩一笔

　　“教学实验仪器设计得当，会对学生培养和科学研究起到事半功倍的作用，但是目前国内的大学课堂对教学实验仪器的使用重视不够，当然这也和这类仪器设备的设计构思具有一定难度有关系，不仅要熟知所模拟对象，还要抽象出基本原理，还要去寻找实现的技术手段，考虑展示效果和成本，可谓是难上加难，在我看来，教学仪器的研制，是教学改革中的重要组成部分。”苏铁健向我们阐释了他对于教学仪器的理解。

　　TEMS是为模拟透射电子显微镜（TEM）而专门设计的一种教学培训和科普展示仪器，目的是帮助初学者通过TEMS的操作快速认识和掌握TEM。与TEM相比，其价格和维护成本低、易于维护、使用简单、生成的现象直观，降低了各高校在开展TEM教学时的设备门槛，适用于高等院校电子显微分析类课程的学生实践训练，以及实验室人员培训等，也适合面向中小学生开展科普教育。

　　“该作品是一个涵盖材料、光电及软件等学科的系统工程，由不同专业本科生合作完成，开发的软件能够直接对结果进行处理，使设备原理更为清晰可视；该作品对相关学科的高校本科教学很重要，有很大的发展空间和前景；该设备成本低，可以推向国际市场，特别是科研经费不足的发展中国家，作品产业化可操作性强；建议申报国家教学成果奖，用高端教学仪器开发带动教学改革。”这是在获评2017年全国挑战杯一等奖评选过程中，专家一段中肯的评价。“我们的作品不仅专家评价高，更关键的是受到在场高校同行老师和学生的高度关注与评价，市民开放日当天，吸引了记者、中小学生、广大市民的关注，结束时仍然有很多学生与我们进行交流，我们用自身行动践行了‘大众创业、万众创新’！” 谭成文介绍说。

　　“让更多的学生受益，就是这个科技创新的主要目的。能为师生的教学科研提供些许帮助，让学生们学有所获，是我们最大的自豪感和成就感！”