扫描电子显微镜在林业院校实验教学中的应用

史军娜 刘美芹

摘  要 扫描电子显微镜是进行微观形貌分析的大型贵重仪器，在林业院校的教学和科研中发挥着重要作用。阐述扫描电子显微镜以及林业院校显微实验教学的特点，重点以北京林业大学公共分析测试中心扫描电子显微镜实验教学为例，详细介绍扫描电子显微镜在实验教学中的应用，并对教学效果进行总结和分析。

关键词 扫描电子显微镜;林业院校;实验教学;大型仪器

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）12-0041-03

Application of Scanning Electron Microscope in Forestry Uni-versity Experimental Teaching//SHI Junna， LIU Meiqin

Abstract Scanning electron microscopy is a large-scale valuable instrument for microscopic morphology analysis， which plays an important role in the teaching and research of forestry colleges. The characteristics of scanning electron microscopy and microscopic experiment teaching in forestry university were described. Taking scanning electron microscope experiment teaching in public analysis

test center of Beijing Forestry University as an example， the applica-

tion of scanning electron microscope in experimental teaching is introduced， and the teaching effect is summarized and analyzed.

Key words scanning electron microscope; forestry university; expe-rimental teaching; large-scale equipment

1 前言

電子显微技术作为一门现代显微学科，是人们探测微观世界的一种新手段。在显微结构分析的众多大型精密仪器中，扫描电子显微镜在科研服务及实验教学中发挥重要作用，是高等院校及科研院所不可或缺的资源[1]。北京林业大学公共分析测试中心共有两台扫描电子显微镜，分别是钨灯丝扫描电镜（HITACH S-3400N）和场发射扫描电镜（HITACH SU8010），主要为全校师生的科研、教学以及对外提供分析测试服务。然而当前学生使用扫描电镜受到很大限制，原因主要有：

1）多个学科需要借助扫描电镜开展科研工作，使用人数众多;

2）扫描电镜价格昂贵，而且仅有两台，数量有限;

3）扫描电镜操作复杂以及学生上机操作时间有限。

为了提高扫描电镜的利用率，充分发挥扫描电镜在学校的教学、科研和社会服务中的作用，公共分析测试中心显微室开设了针对多个专业学科的实验课程。本文主要结合扫描电镜及林业院校显微实验教学的特点，探讨扫描电镜在林业院校实验教学中的应用及效果。

2 扫描电子显微镜的特点

扫描电子显微镜的工作原理主要是借助聚焦的电子束轰击样品表面，利用轰击产生的二次电子及背散射电子等观察分析样品的表面形貌[2]。扫描电子显微镜的优势主要有六个：

1）高分辨率;

2）高放大倍数，倍数连续可调;

3）景深和视野大，图像具有立体感;

4）对样品具有广泛适应性;

5）样品制备简单，能直接观察大块样品和金属导电样品，非导电样品只需镀上金属膜或碳膜即可观察;

6）可以进行多功能分析，配能谱仪、光谱仪和波谱仪等附件的扫描电镜在观察形貌的同时，可以进行微区成分分析[3]。

3 林业院校显微实验教学的特点

以北京林业大学为例，学校主要以生物学和生态学为基础，以林学和风景园林学为特色，多个学科协调发展。因此，必须结合林业院校的专业特色和研究领域，构建林业教学体系，开展实验教学[4-5]。扫描电镜在林业院校被广泛应用于生物、材料、环境和林学等学科中。

在植物学方面，利用扫描电镜观察叶片、花芽和花粉等组织器官，解决形态解剖及分类问题，研究基因工程对植物形态的影响及不良环境对植物的损伤等。

在昆虫学研究方面，利用扫描电镜观察昆虫的感受器、消化系统、幼虫等，研究形态与功能的关系，解决分类问题。

在植物病理学方面，利用扫描电镜观察病原菌形态以及对寄主的浸染过程，观察真菌孢子的萌发、菌丝生长、附着孢的形成，研究寄主植物与病原菌的相互作用等。

在木材学研究领域，扫描电子显微镜主要在以下方面广泛应用：

1）借助扫描电镜研究木材物理、化学、力学及解剖学方面的性质，为改良树种及改性木材提供科学依据;

2）借助扫描电镜观察木材和木材单板超微结构，对木质材料的表面劣化进行研究，探寻有效的防护处理方法;

3）利用扫描电镜观察木纤维聚合板的断面和结合面、复合材料人造板的界面及人造板中纤维或刨花在加工过程中的变化，为改进人造板加工工艺提供科学依据。

在环境科学方面，利用扫描电镜观察大气污染颗粒物的大小、形貌以及利用扫描电镜能谱仪解析颗粒物的元素组成。通过扫描电镜观察人工合成的正渗透平板膜、中空纤维膜、反渗透膜等膜材料的表面粗糙度、厚度、断面特征、孔径大小，研究膜材料在使用前后的污染程度。研究环境功能材料（如VOC吸附剂、VOC催化剂、高级氧化催化剂、CO2吸附剂、氮氧化物存储及催化材料、重金属离子吸附剂、还原剂）、干燥污泥和菌群等物质的形貌特征，通过研究环境功能材料的形貌、粒径变化，推测材料形貌的生长机理及涉及的反应机理。将扫描电镜与能谱仪联合，研究环境功能材料的元素组分、含量及分布情况等。

在食品科学方面，观察各种淀粉颗粒与食用纤维、各种加工前后的食品与奶制品中的颗粒成分等，帮助提高产品质量，优化加工工艺。此外，扫描电镜还广泛应用于食品保存、食品微生物、食品病原体等研究领域。

在土壤学方面，观察多种土壤的抗压强度、孔隙结构和粒径大小等;观察经过化学物质处理的土壤粒径大小和粒径结合状态;利用扫描电镜结合能谱仪观察重金属污染的土壤的微观结构及进行微区元素分析。

由于扫描电镜在上面列举的林业院校多个学科领域的广泛应用，涉及的样品种类、制备方法及操作技术繁多，必须在实验教学中针对林业院校相关专业特色的研究对象采用相应的样品制备技术和上机操作技术[6-7]。此外，林業院校的生物、材料、环境和林学等都是实践性很强的专业，学生必须具备较强的动手能力和科研能力，能够操作扫描电镜正是这些专业开展科研工作的基础。

4 扫描电子显微镜在林业院校实验教学中的应用

扫描电镜实验教学主要包括理论和实验两部分。理论部分主要包括扫描电镜简介、结构功能、工作原理、性能参数、样品制备及微区分析等理论知识的讲解。实验部分主要注重培养学生的动手能力和实验设计能力。学生必须严格按照扫描电镜生物样品的制备流程操作，然后将制备好的样品放入仪器，上机操作。在教学过程中，首先需要对扫描电镜的基础知识、工作原理和结构、样品的制备技术以及专业术语等利用多媒体技术进行详细讲解，加强学生的理论知识储备，为后面的实验操作打下坚实的基础[8]。

实验操作首先就是让学生学会如何制备样品，能够针对样品的特点，选择相应的制备方法。林业院校主要是一些生物类样品，常规的样品制备流程主要包括样品的清洁、固定、脱水、干燥、粘样和喷镀。实验课上提供多种生物样品，学生也可以自备样品。根据不同样品的特点，在常规生物样品制备的基础上调整实验方法，如固定液、脱水剂的选择，固定、脱水时间以及干燥方法的选择等。

其次，先将仪器的硬件、软件以及操作流程和注意事项等向学生详细讲述，再进行上机演示。学生必须根据样品的特点调节仪器的拍照参数，直到能够拍出满意的图像为止，教师在场全程陪同，对学生不明白的地方进行指导，一旦发现不规范的操作及时指出并给予纠正。

最后，对学生上机操作进行现场考核。为保证每个学生都有动手操作的机会，将实验课的学生分成3～4人一组，在样品制备及上机部分要求学生必须亲自动手操作。

为了巩固学习效果以及培养学生设计实验和动手的能力，为后面的科研打下坚实的基础，除上机考核外还采取以下考核办法：

1）写实验报告，要求详细记录实验过程和实验结果，并能对实验结果进行分析;

2）在对仪器的原理和结构了解的基础上，结合以后的研究方向查阅相关文献，写一篇如何利用扫描电镜在相关研究领域开展工作的综述。

5 扫描电子显微镜应用在林业院校实验教学中的效果

通过开展扫描电镜的实验教学，学生对扫描电镜的结构功能、工作原理和用途等有了深刻理解，实验动手及上机操作能力明显提高。以扫描电镜为代表，对大型仪器有了更深入了解，在课程学习中逐渐形成自己的科研思路，将大型仪器应用到以后的科研工作中。教学效果体现在多个方面。

专业技能得到提高  课程注重培养学生的动手能力，使学生在了解扫描电镜结构和原理的基础上，能够独立操作仪器。

实践能力得到提高  随着越来越多的单位购置大型仪器，就业市场上能够操作大型仪器的毕业生就会具有更多的就业机会。大型仪器因为价格昂贵、操作较复杂等，学生上机操作的机会并不多。通过这门课程的学习，学生掌握一门大型仪器的操作技能，在就业竞争中更有优势。

科研兴趣和思路得到培养  扫描电镜是一种先进的微观形貌表征方法和测量手段，得到的图像直观、丰富、立体感强。在实验教学中，将花粉、动物毛发、昆虫复眼、多种纸张等日常能够接触到的材料作为实验样品上机观察，这些有趣的微观形貌极大地增强了学生的兴趣。同时，鼓励学生根据专业特点和研究方向自主设计实验、自备样品上机操作，在这个过程中，学生的科研思路得以锻炼。

扫描电镜的使用效率大大提高  由于选课学生较多，这些通过考核的学生在后期预约使用仪器时可以直接上机操作，减少了多次培训占用的时间。而且，这些学生可以在非工作时间上机操作仪器，极大地提高了仪器的使用效率。

6 结语

扫描电子显微镜是现代科研和教学中不可缺少的工具和手段。以扫描电子显微镜为硬件基础，以实验教学为核心，兼顾科研和社会服务，在林业院校实验教学中引入扫描电子显微镜实验教学，让教学和科研理论与实践有效结合，激发学生的学习兴趣，提高仪器使用效率，更好地为教学和科研服务。

参考文献

[1]梁国弘，靳凤民，邹少兰，等.高校电子显微镜的培训教学与开放管理的探讨[J].广州化工，2018，46（13）：133-135.

[2]郭素枝.扫描电镜技术及其应用[M].厦门：厦门大学出版社，2006.

[3]张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2009.

[4]温慧颖，等.以林业院校为视角进行创新型绿色包装人才培养的研究[J].森林工程，2014，30（2）：189-191.

[5]陈晓阳.21世纪林业专业本科人才的培养[J].中国林业教育，1999（4）：22-24.

[6]胡春辉，徐青，孙璇，等.几种典型扫描电镜生物样本制备[J].湖北农业科学，2016，55（20）：5389-5392，5402.

[7]谢家仪，董光军，刘振英.扫描电镜的微生物样品制备方法[J].电子显微学报，2005，24（4）：440.

[8]李明芳，王晓岗，许新华.透射电子显微镜在本科开放实验教学中的应用[J].实验室科学，2013，16（5）：133-135，139.