掃描電鏡技術在提高林學專業大學生創新能力的實踐探索

卜貴軍，羅世家，周大寨，唐巧玉，趙黎明，肖強

摘要：以掃描電鏡的制樣原理及工作原理為基礎，讓學生查閱大量文獻，尋找不同領域的應用實例，引導學生進行思考、設計方案、實施、分析所得結果，并與所查文獻及初始想法對照，使學生在有限的時間內，讓自己的想法得以正確的實施，從而提高大學生的創新能力及實際操作技能。

關鍵詞：掃描電鏡;創新能力;大學生

中圖分類號：G645???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2014）41-0163-03

一、創新及創新項目

創新是民族進步的靈魂，也是一個國家興旺發達的動力和保持發展活力的重要源泉，隨著科學技術的高速化發展，各個國家的競爭焦點也大都放在了創新人才的培養上。高校是培養高層次人才的一個十分重要的場所，同時也是培養創新能力的主要陣地。創新能力的提高和培養不單單關系到學生的自我發展，也影響到國家的發展，高校到底如何來培養和提高大學生的創新能力已經成為一個普遍關注的問題。為此“國家大學生創新性實驗計劃”應運而生，它是高校本科教學質量與教學改革工程的重要組成部分，也是直接面向大學生的項目[1]。該項目強調自主性、探索性、實踐性和協作性，遵循“興趣驅動、自主試驗、重在過程”的原則，注重創新性實驗項目的實施過程，強調實施過程中在創新思維和創新實踐方面的收獲，重點培養學生的創新意識和創新能力。同時各省、各高校乃至各院系等都設立了相應的大學生創新項目，來鼓勵學生參與、開展創新研究試驗。

二、林學專業概況

湖北民族學院林學為湖北省級重點建設學科，本專業學生主要學習林學及生物學方面的基本理論和基本知識，接受森林培育、林木遺傳育種、森林病蟲害防治、土壤、生態、資源調查等方面的基本訓練，具有森林培育、森林資源經營管理、旅游資源開發及管理、流域綜合治理和生態資源保護及利用等方面的基本能力。主要課程有植物學、植物生理學、遺傳學、林木育種學、生物技術、土壤肥料學、環境科學、森林昆蟲學、林木病理學、森林生態學、測量與遙感、森林資源經營管理、林業經濟管理等。

三、林學專業大學生創新項目

目前湖北民族學院林學園藝學院林學專業的學生參與國家級、校級以及院級的大學生創新項目幾十項，其中有一部分學生對植物的微觀結構感興趣，那就涉及到了掃描電鏡，然而掃描電鏡也屬于貴重、精密儀器，其價格在百萬以上，在本科理論教學中沒有詳盡介紹，所以一些同學覺得非常陌生，因此在管理及使用上要注意方法。

四、掃描電鏡在植物中的應用

作為林學專業的學生接觸最多的還是植物，地球上已經發現的植物有40多萬種，人類對植物形態的區分從最初的靠肉眼觀察的性狀描述水平，發展到借助光學顯微鏡觀察的顯微鑒別水平。但由于光學顯微鏡清晰度和放大倍數的局限性，對植物微觀形態的觀察研究并不理想，也無法繼續深入。掃描電子顯微鏡（SEM）放大倍數可達30萬倍，遠遠超出了光學顯微鏡1000倍的極限，并具有樣品制備簡單、成像清晰、分辨率高等諸多優點，使得電子顯微鏡的應用越來越廣泛，在植物分類學上的應用前景將是非常廣泛的[2]。

五、創新項目的實施過程

1.在申請項目前。首先介紹掃描電鏡的工作原理，并將其與透射電鏡區分開，一般掃描電鏡看表面，透射電鏡看切面。掃描電鏡樣品制備的主要要求是：盡可能將樣品的表面結構保存好，沒有變形和污染，樣品干燥并且有良好導電性能。然后重點介紹掃描電鏡的生物樣品的制樣過程，并說明制樣過程就是根據上面的要求進行的：取材（固定）、清洗、脫水、干燥、鍍膜（導電處理）、上鏡觀察。（1）取材（固定）：對掃描電鏡來說，固定液通常為用磷酸緩沖液配制的戊二醛。（2）清洗：用磷酸緩沖液清洗幾次。（3）脫水：樣品經清洗后用逐級增高濃度的酒精脫水，然后進入叔丁醇。（4）干燥：說明為什么要干燥。即因為掃描電鏡觀察樣品要求在高真空中進行，無論是水或脫水溶液，在高真空中都會產生劇烈地汽化，不僅影響真空度，污染樣品，還會破壞樣品的微細結構，因此，樣品在用電鏡觀察之前必須進行干燥。（5）樣品的導電處理：生物樣品經過脫水、干燥處理后，其表面不帶電，導電性能也差。用掃描電鏡觀察時，當入射電子束打到樣品上，會在樣品表面產生電荷的積累，形成充電和放電效應，影響對圖像的觀察和拍照記錄。因此在觀察之前要進行導電處理，使樣品表面導電。（6）鍍膜后就可用掃描電鏡觀察。舉一些實例，引導學生，讓學生知道如何應用這個工具。比如介紹掃描電鏡在木材鑒定和植物分類中的應用，讓同學們去查閱更多文獻（如中國知網、google學術等），了解目前的應用情況，并找出自己感興趣的植物以及感興趣的方面，看看文獻中有無相關報道，如果有就換掉，直到找到自己感興趣的，且別人沒做過的為止。而后就是針對所選定的植物進行學習，要讓學生通過教材的學習、查植物志、木材質以及相關資料，充分認識該植物，并讓學生到野外尋找該植物且標記。之后取材料做預實驗，結合一開始講的掃描電鏡的工作原理、制樣要求，每一步處理都要問一下為什么。比如固定時問：為什么要固定？為什么要小一些？為什么要用磷酸緩沖液配制？清洗時問：為什么要清洗？脫水時問：為什么要脫水？為什么要用叔丁醇？干燥時問：為什么要干燥？不干燥會怎么樣？導電處理時問：為什么要導電處理？不導電處理會怎么樣？在必要時可以不按固定步驟執行，故意讓樣品處理出問題，先讓學生找原因，然后在提示解答，這樣可以起到很好的效果。上鏡后，教學生如何使用，然后結合他們查的文獻對比，讓他們發現問題、分析問題、解決問題。

2.設計方案。通過前面的文獻查閱和預實驗，學生已經有了一定程度的認識，接下來就是制訂試驗的方案，如對植物進行何種處理，什么時候處理，處理后如何取樣等。制定后先進行小組內討論，然后要求學生模擬實施，發現問題，改進、完善方案。

3.實施。經過完善的實驗方案就可以按照計劃實施，要強調因地制宜，實事求是。掃描電鏡部分按照取材（固定）、清洗、脫水、干燥、鍍膜（導電處理）、上鏡觀察的程序進行。

4.分析測試結果。分析所得結果，并與所查文獻及初始想法對照，使學生在有限的時間內讓自己的想法得以實施，從而提高大學生的創新能力及實際操作技能。如果發現不足，可以讓學生回過頭來重新試驗，直至完成實驗方案。

六、評價

實驗是學生根據自己感興趣的課題或者問題，自主實驗，即學生自己設計實驗、自己完成實驗、自己管理實驗。在實驗方案實施過程中，學生是創新的主體，他們的主動性、積極性和創造性被調動起來，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高創新實踐的能力。在整個過程中，提高學生的自主性、創新性和協作性，實驗教學質量也明顯得到了提高。作為林學專業的學生，在將來的工作中可能會從事木材鑒定的工作，而且現在已經有大量的研究作為參考，例如邵卓平等[3]通過掃描電鏡發現隋唐大運河古沉船木構件包括杉木、香樟、棗樹、青岡櫟;徐永吉等[4]通過掃描電鏡觀察，確定平度隋船南北船中部的木材為楓香，北船后部為香樟;金一民[5]指出，掃描電鏡所揭示的木材亞顯微結構差別顯示了針葉樹木材腐爛的幾種典型方式，有助于對腐爛木材進行種類鑒定;Suyako等利用掃描電鏡結合X衍射圖譜，確定16世紀的一個木制面具為柳屬Salix Linn木材[6];朱偉華等[7]用掃描電鏡觀察木材特征，將馬蹄參屬從五加科移出。植物分類的孢粉學的相關工作[8]，也有大量的文獻報道，樹莓屬花粉的掃描電鏡[9]表明，花粉外壁紋飾有一定的相似性，但變異豐富，甚至在不同品種之間區別明顯;用掃描電鏡對富士芽變系品種的花粉進行了形態觀察[10]，結果表明，花粉紋飾可作為芽變品種鑒定的重要指標;平陰玫瑰的花粉亞顯微形態掃描電鏡觀察結果顯示[11]在花粉亞顯微形態特征方面，各品種之間既有共性，也存在明顯差別，特別是外壁紋飾的不同可作為玫瑰品種鑒別的重要依據;用掃描電鏡對蕓香科、木蘭科、薔薇科的花粉進行形態觀察[12]，探討了不同科、屬花粉的關系，可作為植物的分類依據;花梅和果梅的掃描電鏡觀測表明，大多數品種花粉的形態和大小相似，但外部紋飾有顯著差異。掃描電鏡是學生實驗過程中要選用的大型儀器之一，通過實驗方案的實施，一方面使學生通過學習真正認知掃描電鏡原理結構，更主要的是使他們真正學會利用掃描電鏡為科學研究服務，為創新服務，從而促進教育事業和國家的發展，為實現中國夢盡綿薄之力。

參考文獻：

[1]袁俐，曹紅艷，米利古，王遠志，李永祥.開展國家大學生創新性實驗計劃的思考與實踐[J].醫學教育探索，2010，9（9）：1165-1167.

[2]唐曉山，陳燕.掃描電子顯微鏡在植物分類學中的應用[J].哈爾濱職業技術學院學報，2009，（5）：121-122.

[3]邵卓平，衛廣揚，王建林，等.應用掃描電鏡對隋唐大運河古沉船木構件樹種的鑒定研究[J].安徽農業大學學報，2003，30（1）：95-99.

[4]徐永吉，吳達期，李永敬.平度隋船的木材鑒定[J].電子顯微學報，1983，（2）：40-43.

[5]金一民.木材腐爛的亞顯微結構觀察[J].林業科技，1982，（1）：16，61.

[6]SUYAKOMIZUNO，RYOJITORIZU，JUNJISUGIYAMA.Woodidentifica-tionofa wooden mask using synchrotron X-ray microtomography[J].Jour-nal of Archaeological Science，2010，37（11）：2842-2845.

[7]朱偉華，向其柏，甘習華，等.馬蹄參屬木材解剖特征及其系統學意義[J].四川農業大學學報，木材研究專輯，1998，16（1）：106-109.

[8]孟秋峰，汪炳良，王毓洪，孫崇德，李永華.園藝植物孢粉和種皮分類研究進展[J].長江蔬菜，2008，（16）：1-4.

[9]王小蓉，湯浩茹，黃力，等.樹莓部分野生種及栽培品種花粉亞顯微形態的比較[J].園藝學報，2007，34（6）：1395-1404.

[10]閆忠業，伊凱，李作軒，等.富士芽變系品種花粉形態初探[J].園藝學報，2006，33（6）：1299-1302.

[11]王文莉，趙蘭勇，豐震，等.平陰玫瑰花粉亞顯微形態及品種分類研究[J].園藝學報，2005，32（3）：527-530.

[12]邵鄰相，張佳美.幾種常見觀賞植物花粉的電鏡觀察[J].浙江師范大學學報·自然科學版，2004，27（2）：162-166.

基金項目：湖北民族學院林學園藝學院2013年教學研究與改革項目（LXJY1305）;湖北省教育廳自科基金項目（B2013077）;恩施州第二批農業與社會發展科技指導性計劃表（2011-14）

作者簡介：卜貴軍（1981-），男，講師，碩士，主要從事植物結構生物學的研究及教學。