扫描电镜技术在提高林学专业大学生创新能力的实践探索

卜贵军，罗世家，周大寨，唐巧玉，赵黎明，肖强

摘要：以扫描电镜的制样原理及工作原理为基础，让学生查阅大量文献，寻找不同领域的应用实例，引导学生进行思考、设计方案、实施、分析所得结果，并与所查文献及初始想法对照，使学生在有限的时间内，让自己的想法得以正确的实施，从而提高大学生的创新能力及实际操作技能。

关键词：扫描电镜;创新能力;大学生

中图分类号：G645     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2014）41-0163-03

一、创新及创新项目

创新是民族进步的灵魂，也是一个国家兴旺发达的动力和保持发展活力的重要源泉，随着科学技术的高速化发展，各个国家的竞争焦点也大都放在了创新人才的培养上。高校是培养高层次人才的一个十分重要的场所，同时也是培养创新能力的主要阵地。创新能力的提高和培养不单单关系到学生的自我发展，也影响到国家的发展，高校到底如何来培养和提高大学生的创新能力已经成为一个普遍关注的问题。为此“国家大学生创新性实验计划”应运而生，它是高校本科教学质量与教学改革工程的重要组成部分，也是直接面向大学生的项目[1]。该项目强调自主性、探索性、实践性和协作性，遵循“兴趣驱动、自主试验、重在过程”的原则，注重创新性实验项目的实施过程，强调实施过程中在创新思维和创新实践方面的收获，重点培养学生的创新意识和创新能力。同时各省、各高校乃至各院系等都设立了相应的大学生创新项目，来鼓励学生参与、开展创新研究试验。

二、林学专业概况

湖北民族学院林学为湖北省级重点建设学科，本专业学生主要学习林学及生物学方面的基本理论和基本知识，接受森林培育、林木遗传育种、森林病虫害防治、土壤、生态、资源调查等方面的基本训练，具有森林培育、森林资源经营管理、旅游资源开发及管理、流域综合治理和生态资源保护及利用等方面的基本能力。主要课程有植物学、植物生理学、遗传学、林木育种学、生物技术、土壤肥料学、环境科学、森林昆虫学、林木病理学、森林生态学、测量与遥感、森林资源经营管理、林业经济管理等。

三、林学专业大学生创新项目

目前湖北民族学院林学园艺学院林学专业的学生参与国家级、校级以及院级的大学生创新项目几十项，其中有一部分学生对植物的微观结构感兴趣，那就涉及到了扫描电镜，然而扫描电镜也属于贵重、精密仪器，其价格在百万以上，在本科理论教学中没有详尽介绍，所以一些同学觉得非常陌生，因此在管理及使用上要注意方法。

四、扫描电镜在植物中的应用

作为林学专业的学生接触最多的还是植物，地球上已经发现的植物有40多万种，人类对植物形态的区分从最初的靠肉眼观察的性状描述水平，发展到借助光学显微镜观察的显微鉴别水平。但由于光学显微镜清晰度和放大倍数的局限性，对植物微观形态的观察研究并不理想，也无法继续深入。扫描电子显微镜（SEM）放大倍数可达30万倍，远远超出了光学显微镜1000倍的极限，并具有样品制备简单、成像清晰、分辨率高等诸多优点，使得电子显微镜的应用越来越广泛，在植物分类学上的应用前景将是非常广泛的[2]。

五、创新项目的实施过程

1.在申请项目前。首先介绍扫描电镜的工作原理，并将其与透射电镜区分开，一般扫描电镜看表面，透射电镜看切面。扫描电镜样品制备的主要要求是：尽可能将样品的表面结构保存好，没有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性能。然后重点介绍扫描电镜的生物样品的制样过程，并说明制样过程就是根据上面的要求进行的：取材（固定）、清洗、脱水、干燥、镀膜（导电处理）、上镜观察。（1）取材（固定）：对扫描电镜来说，固定液通常为用磷酸缓冲液配制的戊二醛。（2）清洗：用磷酸缓冲液清洗几次。（3）脱水：样品经清洗后用逐级增高浓度的酒精脱水，然后进入叔丁醇。（4）干燥：说明为什么要干燥。即因为扫描电镜观察样品要求在高真空中进行，无论是水或脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影响真空度，污染样品，还会破坏样品的微细结构，因此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。（5）样品的导电处理：生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，导电性能也差。用扫描电镜观察时，当入射电子束打到样品上，会在样品表面产生电荷的积累，形成充电和放电效应，影响对图像的观察和拍照记录。因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导电。（6）镀膜后就可用扫描电镜观察。举一些实例，引导学生，让学生知道如何应用这个工具。比如介绍扫描电镜在木材鉴定和植物分类中的应用，让同学们去查阅更多文献（如中国知网、google学术等），了解目前的应用情况，并找出自己感兴趣的植物以及感兴趣的方面，看看文献中有无相关报道，如果有就换掉，直到找到自己感兴趣的，且别人没做过的为止。而后就是针对所选定的植物进行学习，要让学生通过教材的学习、查植物志、木材质以及相关资料，充分认识该植物，并让学生到野外寻找该植物且标记。之后取材料做预实验，结合一开始讲的扫描电镜的工作原理、制样要求，每一步处理都要问一下为什么。比如固定时问：为什么要固定？为什么要小一些？为什么要用磷酸缓冲液配制？清洗时问：为什么要清洗？脱水时问：为什么要脱水？为什么要用叔丁醇？干燥时问：为什么要干燥？不干燥会怎么样？导电处理时问：为什么要导电处理？不导电处理会怎么样？在必要时可以不按固定步骤执行，故意让样品处理出问题，先让学生找原因，然后在提示解答，这样可以起到很好的效果。上镜后，教学生如何使用，然后结合他们查的文献对比，让他们发现问题、分析问题、解决问题。

2.设计方案。通过前面的文献查阅和预实验，学生已经有了一定程度的认识，接下来就是制订试验的方案，如对植物进行何种处理，什么时候处理，处理后如何取样等。制定后先进行小组内讨论，然后要求学生模拟实施，发现问题，改进、完善方案。

3.实施。经过完善的实验方案就可以按照计划实施，要强调因地制宜，实事求是。扫描电镜部分按照取材（固定）、清洗、脱水、干燥、镀膜（导电处理）、上镜观察的程序进行。

4.分析测试结果。分析所得结果，并与所查文献及初始想法对照，使学生在有限的时间内让自己的想法得以实施，从而提高大学生的创新能力及实际操作技能。如果发现不足，可以让学生回过头来重新试验，直至完成实验方案。

六、评价

实验是学生根据自己感兴趣的课题或者问题，自主实验，即学生自己设计实验、自己完成实验、自己管理实验。在实验方案实施过程中，学生是创新的主体，他们的主动性、积极性和创造性被调动起来，逐渐掌握思考问题、解决问题的方法，提高创新实践的能力。在整个过程中，提高学生的自主性、创新性和协作性，实验教学质量也明显得到了提高。作为林学专业的学生，在将来的工作中可能会从事木材鉴定的工作，而且现在已经有大量的研究作为参考，例如邵卓平等[3]通过扫描电镜发现隋唐大运河古沉船木构件包括杉木、香樟、枣树、青冈栎;徐永吉等[4]通过扫描电镜观察，确定平度隋船南北船中部的木材为枫香，北船后部为香樟;金一民[5]指出，扫描电镜所揭示的木材亚显微结构差别显示了针叶树木材腐烂的几种典型方式，有助于对腐烂木材进行种类鉴定;Suyako等利用扫描电镜结合X衍射图谱，确定16世纪的一个木制面具为柳属Salix Linn木材[6];朱伟华等[7]用扫描电镜观察木材特征，将马蹄参属从五加科移出。植物分类的孢粉学的相关工作[8]，也有大量的文献报道，树莓属花粉的扫描电镜[9]表明，花粉外壁纹饰有一定的相似性，但变异丰富，甚至在不同品种之间区别明显;用扫描电镜对富士芽变系品种的花粉进行了形态观察[10]，结果表明，花粉纹饰可作为芽变品种鉴定的重要指标;平阴玫瑰的花粉亚显微形态扫描电镜观察结果显示[11]在花粉亚显微形态特征方面，各品种之间既有共性，也存在明显差别，特别是外壁纹饰的不同可作为玫瑰品种鉴别的重要依据;用扫描电镜对芸香科、木兰科、蔷薇科的花粉进行形态观察[12]，探讨了不同科、属花粉的关系，可作为植物的分类依据;花梅和果梅的扫描电镜观测表明，大多数品种花粉的形态和大小相似，但外部纹饰有显著差异。扫描电镜是学生实验过程中要选用的大型仪器之一，通过实验方案的实施，一方面使学生通过学习真正认知扫描电镜原理结构，更主要的是使他们真正学会利用扫描电镜为科学研究服务，为创新服务，从而促进教育事业和国家的发展，为实现中国梦尽绵薄之力。

参考文献：

[1]袁俐，曹红艳，米利古，王远志，李永祥.开展国家大学生创新性实验计划的思考与实践[J].医学教育探索，2010，9（9）：1165-1167.

[2]唐晓山，陈燕.扫描电子显微镜在植物分类学中的应用[J].哈尔滨职业技术学院学报，2009，（5）：121-122.

[3]邵卓平，卫广扬，王建林，等.应用扫描电镜对隋唐大运河古沉船木构件树种的鉴定研究[J].安徽农业大学学报，2003，30（1）：95-99.

[4]徐永吉，吴达期，李永敬.平度隋船的木材鉴定[J].电子显微学报，1983，（2）：40-43.

[5]金一民.木材腐烂的亚显微结构观察[J].林业科技，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]朱伟华，向其柏，甘习华，等.马蹄参属木材解剖特征及其系统学意义[J].四川农业大学学报，木材研究专辑，1998，16（1）：106-109.

[8]孟秋峰，汪炳良，王毓洪，孙崇德，李永华.园艺植物孢粉和种皮分类研究进展[J].长江蔬菜，2008，（16）：1-4.

[9]王小蓉，汤浩茹，黄力，等.树莓部分野生种及栽培品种花粉亚显微形态的比较[J].园艺学报，2007，34（6）：1395-1404.

[10]闫忠业，伊凯，李作轩，等.富士芽变系品种花粉形态初探[J].园艺学报，2006，33（6）：1299-1302.

[11]王文莉，赵兰勇，丰震，等.平阴玫瑰花粉亚显微形态及品种分类研究[J].园艺学报，2005，32（3）：527-530.

[12]邵邻相，张佳美.几种常见观赏植物花粉的电镜观察[J].浙江师范大学学报·自然科学版，2004，27（2）：162-166.

基金项目：湖北民族学院林学园艺学院2013年教学研究与改革项目（LXJY1305）;湖北省教育厅自科基金项目（B2013077）;恩施州第二批农业与社会发展科技指导性计划表（2011-14）

作者简介：卜贵军（1981-），男，讲师，硕士，主要从事植物结构生物学的研究及教学。