掃描電鏡技術(shù)在提高林學專業(yè)大學生創(chuàng)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(chǔ)，讓學生查閱大量文獻，尋找不同領(lǐng)域的應用實例，引導學生進行思考、設(shè)計方案、實施、分析所得結(jié)果，并與所查文獻及初始想法對照，使學生在有限的時間內(nèi)，讓自己的想法得以正確的實施，從而提高大學生的創(chuàng)新能力及實際操作技能。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡;創(chuàng)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(chuàng)新及創(chuàng)新項目

創(chuàng)新是民族進步的靈魂，也是一個國家興旺發(fā)達的動力和保持發(fā)展活力的重要源泉，隨著科學技術(shù)的高速化發(fā)展，各個國家的競爭焦點也大都放在了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)上。高校是培養(yǎng)高層次人才的一個十分重要的場所，同時也是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的主要陣地。創(chuàng)新能力的提高和培養(yǎng)不單單關(guān)系到學生的自我發(fā)展，也影響到國家的發(fā)展，高校到底如何來培養(yǎng)和提高大學生的創(chuàng)新能力已經(jīng)成為一個普遍關(guān)注的問題。為此“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”應運而生，它是高校本科教學質(zhì)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(diào)自主性、探索性、實踐性和協(xié)作性，遵循“興趣驅(qū)動、自主試驗、重在過程”的原則，注重創(chuàng)新性實驗項目的實施過程，強調(diào)實施過程中在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面的收獲，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。同時各省、各高校乃至各院系等都設(shè)立了相應的大學生創(chuàng)新項目，來鼓勵學生參與、開展創(chuàng)新研究試驗。

二、林學專業(yè)概況

湖北民族學院林學為湖北省級重點建設(shè)學科，本專業(yè)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(tài)、資源調(diào)查等方面的基本訓練，具有森林培育、森林資源經(jīng)營管理、旅游資源開發(fā)及管理、流域綜合治理和生態(tài)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(shù)、土壤肥料學、環(huán)境科學、森林昆蟲學、林木病理學、森林生態(tài)學、測量與遙感、森林資源經(jīng)營管理、林業(yè)經(jīng)濟管理等。

三、林學專業(yè)大學生創(chuàng)新項目

目前湖北民族學院林學園藝學院林學專業(yè)的學生參與國家級、校級以及院級的大學生創(chuàng)新項目幾十項，其中有一部分學生對植物的微觀結(jié)構(gòu)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(yè)的學生接觸最多的還是植物，地球上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的植物有40多萬種，人類對植物形態(tài)的區(qū)分從最初的靠肉眼觀察的性狀描述水平，發(fā)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(shù)的局限性，對植物微觀形態(tài)的觀察研究并不理想，也無法繼續(xù)深入。掃描電子顯微鏡（SEM）放大倍數(shù)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(yōu)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(chuàng)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jù)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(jīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(jīng)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(chǎn)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?nèi)ゲ殚喐辔墨I（如中國知網(wǎng)、google學術(shù)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(guān)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(zhì)以及相關(guān)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(jié)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(zhí)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(jié)合他們查的文獻對比，讓他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。

2.設(shè)計方案。通過前面的文獻查閱和預實驗，學生已經(jīng)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(nèi)討論，然后要求學生模擬實施，發(fā)現(xiàn)問題，改進、完善方案。

3.實施。經(jīng)過完善的實驗方案就可以按照計劃實施，要強調(diào)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(jié)果。分析所得結(jié)果，并與所查文獻及初始想法對照，使學生在有限的時間內(nèi)讓自己的想法得以實施，從而提高大學生的創(chuàng)新能力及實際操作技能。如果發(fā)現(xiàn)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(jù)自己感興趣的課題或者問題，自主實驗，即學生自己設(shè)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(chuàng)新的主體，他們的主動性、積極性和創(chuàng)造性被調(diào)動起來，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高創(chuàng)新實踐的能力。在整個過程中，提高學生的自主性、創(chuàng)新性和協(xié)作性，實驗教學質(zhì)量也明顯得到了提高。作為林學專業(yè)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(xiàn)在已經(jīng)有大量的研究作為參考，例如邵卓平等[3]通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)隋唐大運河古沉船木構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(qū)別明顯;用掃描電鏡對富士芽變系品種的花粉進行了形態(tài)觀察[10]，結(jié)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(tài)掃描電鏡觀察結(jié)果顯示[11]在花粉亞顯微形態(tài)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(jù);用掃描電鏡對蕓香科、木蘭科、薔薇科的花粉進行形態(tài)觀察[12]，探討了不同科、屬花粉的關(guān)系，可作為植物的分類依據(jù);花梅和果梅的掃描電鏡觀測表明，大多數(shù)品種花粉的形態(tài)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(jié)構(gòu)，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(wù)，為創(chuàng)新服務(wù)，從而促進教育事業(yè)和國家的發(fā)展，為實現(xiàn)中國夢盡綿薄之力。

參考文獻：

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[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(nóng)業(yè)與社會發(fā)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(jié)構(gòu)生物學的研究及教學。