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【摘要】 【目的】 體外培養(yǎng)系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)皮損部位角質形成細胞(KC),觀察其細胞學特性。 【方法】 原代培養(yǎng)SLE皮損和正常皮膚的角質形成細胞,倒置顯微鏡觀察細胞的形態(tài)特點,免疫熒光法進行角蛋白檢測并計算細胞純度;兩步消化法純化細胞;CCK-8(cell counting Kit-8)評價細胞的增殖情況,繪制生長曲線。流式細胞儀觀察細胞的生長周期和凋亡情況?!窘Y果】 使用K-SFM(serum-free keratinocyte medium)無血清培養(yǎng)基能成功體外培養(yǎng)SLE皮損的角質形成細胞,呈鋪路石樣。結合人工純化,能達到 > 95%的純度;與正常對照相比,SLE皮損角質形成細胞進入指數(shù)生長期較遲(7 d vs. 4 d),但進入后增長迅速,S期比例為: (40.68 ± 1.81)% vs. (34.43 ± 1.24)%(P < 0.05);凋亡率高:(6.08 ± 0.72)% vs. (4.32 ± 0.44)%(P < 0.05)?!窘Y論】 SLE皮損角質形成細胞培養(yǎng)難度大,細胞的生物學行為存在異常,可能為SLE發(fā)病的獨立、始發(fā)因素,其致病機制值得深入研究和探討。
【關鍵詞】 SLE; 角質形成細胞; CCK-8; 凋亡; 細胞周期
Abstract: 【Objective】 To observe the cytologic characteristics of keratinocytes (KC) from lesion of systemic lupus erythematosus (SLE) patients in vitro. 【Methods】 KC from lesions of SLE patients and healthy people (control group) were cultured in vitro and identified by detecting Pan cytokeratin with immunofluorescence. Features of the keratinocytes were analyzed with invert microscope. Two-step digestion when passaging was used to purify cell line. CCK-8 was used to assay growth kinetics of the keratinocytes and come up with a growing curve after continuous analysis for two weeks. Cell circle and apoptosis were observed by flow cytometry. 【Results】 KC was cultured in vitro successfully. Concerning passage 2, over 95% of the cells from primary culture were positive for cytokeratin. Comparing with KC from healthy people, KC from SLE lesions needed more time (7 d vs. 4 d) to reach exponential growth phase (EGP), but grew faster in EGP. Both cell count at S phase and apoptosis rate of KC from SLE lesions elevated, when comparing with that of the control group. 【Conclusion】 Keratinocytes from lesions of SLE patients are abnormal cytologically. It might be a vital cause of skin lesion of SLE, and a priming of SLE.
皮膚損害具有特征性而常見。據(jù)統(tǒng)計,55% ~ 85% SLE患者出現(xiàn)皮膚損害[1],這種損害出現(xiàn)得早[2],往往在系統(tǒng)損害發(fā)生之前就出現(xiàn),故為狼瘡早期診斷的重要線索。SLE可出現(xiàn)多種皮損,主要為紅斑,包括常見的碟形紅斑、播散性紅斑,肢端紅斑等,發(fā)病機制尚未明朗,相關研究少。對狼瘡皮損發(fā)病機制的認識有助于進一步解析狼瘡的發(fā)病機理,為狼瘡的診斷及治療提供依據(jù)和參考。本課題組之前通過蛋白組研究發(fā)現(xiàn)[3]:SLE皮損角質形成細胞表達多種異常蛋白,推測與狼瘡的發(fā)病相關。紅斑狼瘡皮膚損害究竟是繼發(fā)癥狀還是始發(fā)、獨立的致病因素,值得深入研究和探討。本實驗通過原代培養(yǎng)系統(tǒng)性紅斑狼瘡皮損的角質形成細胞,觀察其細胞學特性,發(fā)現(xiàn)SLE患者皮損角質形成細胞的生物學行為存在異常,可能為狼瘡皮疹發(fā)生的重要原因,也可能與狼瘡的發(fā)病密切相關。
1 材料和方法
1.1 材 料
1.1.1 標 本
10例SLE皮損標本取自我科門診或住院患者,均為確診SLE的女性患者(系統(tǒng)性紅斑狼瘡1982年診斷標準),且具有皮膚損害(紅斑),平均年齡28.3(S = 5.1)歲,標本均取自背部,狼瘡帶試驗(lupus band test,LBT)陽性;10例正常表皮標本取自我院門診手術室,為接受手術治療的脂肪瘤或粉瘤女性患者,平均年齡27.4(S = 5.5)歲,標本也均取自背部,表皮健康?;颊咧椴⑼?。
1.1.2 主要設備
美國Shellab CO2培養(yǎng)箱;日本Nikon 熒光倒置顯微鏡;流式細胞儀(FACScan,BD Biosciences); Labsystems Dragon酶標儀(Wellscan MK 3)。
1.1.3 試 劑
Dispase(分散酶)、K-SFM(serum-free keratinocyte medium)購自美國GIBCO公司;鼠抗人角蛋白一抗(mouse anti-Pan cytokeratin)及熒光二抗購自武漢博士德公司;CCK-8(cell counting kit-8)購自日本同仁公司;凋亡檢測試劑盒購自奧地利Bender Medsystems公司。
1.2 方 法
1.2.1 角質形成細胞的原代培養(yǎng)
標本去除皮下組織后剪成8 mm × 3 mm大小,稀釋5倍的雙抗PBS(含青霉素/鏈霉素,500 U/mL)浸泡1 h后,PBS清洗3次。加入1.6 U/mL dispase中4 ℃消化過夜。第2天剝離表皮置于2.5 g/L胰蛋白酶 + 0.2 g/L EDTA(1:1)中消化10 min,含100 mL/L FBS(fetal bovine serum,胎牛血清)的DMEM培養(yǎng)基終止消化,反復吹打后過篩,得角質形成細胞懸液,低速離心(1 000 × g, 5 min),K-SFM重懸后,按1 × 105/mL濃度接種6孔板,置于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。
1.2.2 細胞傳代及純化
細胞培養(yǎng)至 > 70%融合時予傳代,先用2.5 g/L胰蛋白酶預消化6 min,在成纖維細胞、老化的角質形成細胞(貼壁能力差)被消化而浮起,具活力的角質形成細胞(貼壁能力強)收縮、變圓,但尚未浮起時,吸走消化液,以去除成纖維細胞及老化的角質形成細胞;然后再用2.5 g/L胰蛋白酶 + 0.2 g/L EDTA(1 ∶ 1) 混合液消化3 min, > 90% 角質形成細胞浮起時,含血清(FBS 100 mL/L)完全DMEM培養(yǎng)基終止消化。經PBS洗滌后,K-SFM重懸,調整細胞懸液濃度,接種、傳代。
1.2.3 角質形成細胞的鑒定及純度計算
胰酶消化第一代原代細胞接種于48孔板,于指數(shù)生長期進行免疫熒光檢測:40 g/L多聚甲醛溶液固定細胞后,10 mL/L的triton處理5 min,30 mL/L BSA(bovine serum albumin,牛血清白蛋白) 37 ℃封閉半小時后加抗人角蛋白一抗(mouse anti-Pan cytokeratin),4 ℃過夜,PBS洗3次,二抗孵育1 h,DAPI染色5 min后,熒光顯微鏡下觀察、計數(shù)。純度評價:隨機取5個互不重疊的高倍視野(200 ×),分別于綠色和藍色熒光下,計算(胞漿)免疫熒光陽性細胞數(shù)和總的細胞數(shù)(細胞核數(shù)),并根據(jù)結果計算陽性細胞占總細胞數(shù)的比例。
1.2.4 生長曲線
第二代角質形成細胞以5 × 103/孔接種于96 孔板,每孔加CCK-8 10 μL,37 ℃孵育3 h后,酶標儀檢測D (450 nm)。每48 h檢測一次,連續(xù)14 d于同一時間點進行觀察,每組設4個復孔。
1.2.5 細胞周期及凋亡
使用流式細胞儀分析第二代指數(shù)生長期角質形成細胞的細胞周期和凋亡情況。首先按2.5 × 104/cm2密度接種6孔板,培養(yǎng)至第7天時(70%融合)消化細胞,制備成濃度為1 × 106/mL單細胞懸液,70%凍乙醇 -20 ℃過夜,第2天PI(碘化丙啶)染色后,流式細胞儀進行DNA含量測定,細胞周期分析。凋亡檢測則用binding buffer制成2 × 105/mL濃度細胞懸液,采用FITC標記的AnnexinV(鈣磷脂結合蛋白Ⅴ)和PI雙染后上流式細胞儀進行檢測。每組平衡實驗3次。
1.2.6 統(tǒng)計學分析
實驗數(shù)據(jù)以x ± s表示,使用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析,兩組數(shù)據(jù)間比較采用t檢驗,P < 0.05為有統(tǒng)計學意義。
2 結 果
2.1 角質形成細胞的原代培養(yǎng)
原代培養(yǎng)約第24小時可見圓形或橢圓形角質形成細胞貼壁,同時可見少量蜘蛛狀或樹根狀細胞(圖1)。48 h小集落形成。集落逐漸增大,向外擴增、延伸,并互相融合,最終可連接成片,呈典型的“鋪路石”狀(圖2)。達70%融合時,進行傳代培養(yǎng)。傳代后,細胞生長加快。
2.2 角質形成細胞的鑒定和純度計算
角質形成細胞胞漿顯示亮綠色熒光(圖 3)。熒光顯微鏡下計數(shù)并進行純度計算,SLE皮損角質形成細胞和正常對照組的陽性率分別為:(96.8 ± 1.9)% vs.(97.5 ± 1.27)%(t = -1.04,P > 0.05)。
2.3 生長曲線
對比SLE皮損角質形成細胞和正常對照組角質形成細胞的生長曲線(圖 4),SLE皮損角質形成細胞進入指數(shù)生長期慢(7 d vs. 4 d),但進入指數(shù)增長期后,其增殖能力較正常皮膚角質形成細胞強,生長迅速(曲線斜率大)。
2.4 細胞周期及凋亡分析
與正常皮膚角質形成細胞相比,SLE皮損角質形成細胞 S 期細胞比例為:(40.68 ± 1.81)% vs. (34.43 ± 1.24)% (t = 9.005,P < 0.01)(圖5A,B);同時,指數(shù)生長期凋亡率為:(6.08 ± 0.72)% vs.(4.32 ± 0.44)%(t = 6.606,P < 0.01)(圖6A,B)。
3 討 論
作為系統(tǒng)性紅斑狼瘡最常見的損害之一,皮膚損害因出現(xiàn)早,且與病情密切相關[4],在狼瘡的診斷及治療中有著重要的意義。皮損的狀況可以直接反映狼瘡的活動情況,為判斷病情,也為療效的觀察提供了重要的臨床線索。在狼瘡皮損發(fā)病機制的研究方面,過去集中在免疫復合物的沉積[5-6],及其繼發(fā)的血管病變。本科室先前研究發(fā)現(xiàn):皮損內沉積的DNA抗原與循環(huán)免疫復合物中的抗原并不完全相同[7],提示皮膚組織的異??赡転橐l(fā)紅斑狼瘡的獨立因素,是狼瘡引起皮膚損害,還是皮膚改變誘發(fā)了狼瘡?值得深入研究。我們利用蛋白組技術對系統(tǒng)性狼瘡皮損角質形成細胞的蛋白質進行全面分析發(fā)現(xiàn)[3]:與正常相比較,紅斑狼瘡患者皮損角質形成細胞中存在多種異常蛋白,提示紅斑狼瘡皮損角質形成細胞存在異常,可能為狼瘡皮損乃至狼瘡發(fā)病的重要因素。為進一步了解系統(tǒng)性紅斑狼瘡皮損角質形成細胞的異常情況,掌握其生物學特性,本研究通過體外培養(yǎng)系統(tǒng)性紅斑狼瘡皮損部位的角質形成細胞,觀察其細胞學特性,并與正常皮膚來源的角質形成細胞進行比較。
因為標本量少(一般從病理取材的過程中取得),且本身處于病態(tài)(基底細胞液化),所以SLE皮損角質形成細胞原代培養(yǎng)難度大,適當增加標本量,取低年齡段患者( < 30歲)及盡量縮短胰酶的消化時間有助于提高成功率。使用dispase可以很好地分離真表皮(推薦4 ℃消化過夜),得到純度較高的角質形成細胞,傳代過程中,通過不含EDTA的胰酶預消化,去除樹根狀細胞和老化的角質形成細胞,實現(xiàn)對角質形成細胞的人工純化,并且可以減少消化對細胞的損傷,提高傳代后的貼壁率。實驗通過對角蛋白的熒光染色、計數(shù),證實第二代角質形成細胞純度 > 95%,SLE組和正常對照組間差異無統(tǒng)計學意義。
通過CCK-8觀察角質形成細胞的增殖情況并繪制生長曲線我們發(fā)現(xiàn):相同條件下,SLE皮損的角質形成細胞較正常角質形成細胞進入指數(shù)生長期慢(7 d vs. 4 d),但一旦進入指數(shù)生長期,其增殖速度較正常角質形成細胞快。細胞周期分析也支持這一結果,檢測指數(shù)生長期中角質形成細胞的細胞周期發(fā)現(xiàn):SLE皮損角質形成細胞處于S期細胞比例高,提示增長、分裂較正常角質形成細胞快。凋亡分析發(fā)現(xiàn),與正常角質形成細胞相比,SLE皮損角質形成細胞凋亡率高,這可能與快速增殖有關[8]。結合先前研究結果,我們可以假設:SLE皮損角質形成細胞進入指數(shù)生長期后,處于異常的高增長與高凋亡狀態(tài),其凋亡所產生的細胞碎片、成分(含有多種異常蛋白)成為自身抗原,經過抗原提呈系統(tǒng)的處理、提呈,激活機體的免疫系統(tǒng),引起自身免疫的發(fā)生。進入指數(shù)生長期緩慢可能與繼發(fā)的炎癥攻擊和損傷有關。因此,角質形成細胞的異常生物學行為可能是SLE發(fā)病(或SLE皮損發(fā)病)的原發(fā)、始動因素,值得進一步深入研究。
本實驗從細胞學的角度研究了SLE皮損角質形成細胞體外培養(yǎng)的基本生物學特性,為進一步研究狼瘡皮損乃至狼瘡的發(fā)病提供一些基礎的信息,為下一步研究作鋪墊。
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關鍵詞:小學生;心理;兒童英語
引言
小學生正處于發(fā)展的關鍵期,生理和心理都在飛速發(fā)展的過程中。盡管他們有很強的模仿能力,但也存在許多不利的客觀因素。布魯納說:“在發(fā)展的每個階段,兒童都有他自己的觀察世界和解釋世界的獨特方式。給任何特定年齡的兒童教某門學科,其任務就按照這個年齡兒童觀察事物的方式去闡述那門學科的結構?!笨梢?,在對兒童的教育教學過程中,應充分考慮到心理因素對其學習行為及學習效果的影響,才能幫助孩子在不利的外界條件下,又快又好地掌握相關知識。正所謂:因材施教,才能事半功倍。
兒童心理特征及其對兒童學習行為的影響
處于兒童時期的小學生,往往在心理上表現(xiàn)出一定的獨立性,但又存在很大依賴性。因此,教師在教學中不能僅僅消極地去適應兒童現(xiàn)有的發(fā)展水平,低估他們思維發(fā)展的內在潛力。那么小學生的心理特征是怎么樣的呢?
1.可塑性強。
小學生大多生理和心理都處于發(fā)展的初級階段,許多傳統(tǒng)的語言和文化還未在他們身上形成根深蒂固的影響,外語學習策略和學習習慣也還未完全養(yǎng)成。教師應抓住兒童這一特征,培養(yǎng)小學生良好的學習習慣和有效的學習策略,在進行語言教學的同時,適當?shù)刈尯⒆咏佑|不同的文化,讓孩子真正融入到英語學習中去。
例如:在進行英語語音教學的時候,教師就應充分抓住小學生的可塑性,為學生提供標準的英語語音語調,讓學生在反復聽和說的基礎上習得或學得英語語音語調,為以后的學習奠定更好的基礎。
思想負擔輕,模仿能力強。
成年英語學習者,往往由于“面子思想”嚴重,膽怯、害羞,不敢或不愿積極參與一些學習活動。而兒童則不然。他們受到這些心理因素的影響遠遠小于成人。只要教師適當引導,他們大多都敢于開口,積極參與活動。
最近在網絡上走紅的一位叫Tan的廣州6歲小男孩,就是在老師的引導下,在高科技的互動課件的帶領下,對英語產生了極大興趣,進而模仿,練習,并最后獲得成功的。
因此,教師在小學英語課堂中,營造良好、愉快的學習氛圍,對小學生的英語學習至關重要。
思想單純,記憶力強。
小學生情感因素簡單,學習很大程度上依靠直覺和體驗。在英語學習中,這樣的心理特征也使他們在記憶能力方面非常地強。教師在課堂上設計一系列有效的記憶游戲,往往會對小學生英語學習,尤其詞匯記憶,帶來事半功倍的效果。
What’s missing、打保齡球、Bingo、炸彈等,都是很適合用來復習、記憶單詞的游戲。
自控能力差,注意力不集中。
當然,小學生的心理特征,也有對英語學習不利的方面。其中一個就是自我控制能力較差,上課注意力不集中。研究發(fā)現(xiàn),7-10歲的兒童,注意力集中的時間大約在20分鐘左右;10-12歲的兒童,注意力大約能集中25分鐘;12歲以上,大約能集中注意力30分鐘。然而小學課堂的時間,大多是40分鐘。如何保證40分鐘的時間內,最大限度地讓兒童保持注意力,成為了提高教學質量和效率額關鍵所在。
教師在進行小學英語教學時,應充分考慮到小學生這一特點,變換課堂節(jié)奏,抓住學生注意力。教學環(huán)節(jié)的設置,應在充分考慮小學生注意力集中時間的基礎上進行。每個環(huán)節(jié)控制在10-20分鐘之間,并注意動靜結合。這樣才能最大限度地抓住學生的注意力,提高教學效果。
邏輯思維能力較差,不善自我總結。
小學生年齡小,邏輯思維能力差,缺乏“反思能力”,因此很難將零散的知識總結成一系列的語言知識庫。針對這一特征,教師在教學時不僅應注意細節(jié),還應定期進行知識整理,讓兒童學習的知識系統(tǒng)化、整體化。
定期設計進行復習課,溫故而知新,就是解決這一問題的辦法之一。
結語
鑒于小學生所有的這些心理特征,包括有利因素和不利因素,教師在小學英語教學中,應充分考慮到小學生的心理特征及其對小學生英語學習的影響,采取相應的教學設計和教學方法,發(fā)揮有利的心理因素的作用,克服不利因素帶來的影響,滿足兒童對英語學習的心理需要,從而培養(yǎng)小學生英語學習的興趣,提高小學英語教學效率。(作者單位:成都師范學院學)
基金項目:四川省教育廳人文社科重點課題“立足四川學前教育現(xiàn)狀,構建高職高專學前教育專業(yè)‘全實踐’人才培養(yǎng)模式”(課題10SA160)研究成果。
四川教育學院教改項目——《學前兒童音樂教育》實踐課程體系研究,項目成果。
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【關鍵詞】協(xié)同學習;個性化學習;學習者特征;學習者行為;學習系統(tǒng)
【中圖分類號】G40-57 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097 (2008) 09―0086―03
引言
學習理論和信息技術的不斷發(fā)展,促成了協(xié)同學習理論和技術的出現(xiàn)。文獻[1]針對計算機支持的協(xié)同學習(CSCL) 與個體學習存在的問題,提出了個性化協(xié)同學習環(huán)境(ICLE)的概念。個性化實際上是針對協(xié)同學習過程中,往往存在為了滿足協(xié)同目標的達成而犧牲個體目標的問題而提出的,個性化技術是目前信息檢索和信息系統(tǒng)集成的研究熱點。協(xié)同學習以系統(tǒng)協(xié)同思想和知識管理為基礎,適應知識與技術的發(fā)展, 對傳統(tǒng)學習理論進行了拓展。[2]
一 協(xié)同學習系統(tǒng)工作模式
協(xié)同學習技術是為了解決在異構分布式環(huán)境下存在大量重復開發(fā)的學習系統(tǒng)可移植性和可擴展性差的問題而產生的集成化技術,協(xié)同學習技術以知識可視化技術、計算機支持的協(xié)同學習技術、智能技術和模式識別技術為支撐。 從單個系統(tǒng)的功能來看,不能滿足學習者學習需求,更不能很好地體現(xiàn)協(xié)同學習的優(yōu)勢。顯而易見,多個學習系統(tǒng)協(xié)同為學習者提供服務是解決目前系統(tǒng)健壯性和可移植性問題的首選方案。但是,多個系統(tǒng)協(xié)同工作帶來的問題也很多,例如:來源于多個系統(tǒng)的學習者特征信息如何規(guī)約和抽取,并形成統(tǒng)一的學習者模型庫;多個系統(tǒng)之間如何達成有效的通信機制;如何根據(jù)學習者行為的動態(tài)變化,維護和更新用戶模式庫并動態(tài)集成學習資源;如何建立統(tǒng)一的學習資源視圖,使學習者通過學習資源門戶輕松進入?yún)f(xié)同學習系統(tǒng),并在系統(tǒng)智能導航下完成學習,以獲得成就動機等等。面對諸多需要解決的理論和技術層面的問題,本文認為實現(xiàn)協(xié)同學習個性化的關鍵在于建立在學習者特征和行為的信息融合基礎之上的學習者模型構建和重用。我們可以把協(xié)同學習系統(tǒng)理解為:在系統(tǒng)協(xié)同思想指導下的一種計算機支持的協(xié)作學習系統(tǒng)。該系統(tǒng)并不開發(fā)學習資源和功能化模塊,而是在底層異構分布式學習系統(tǒng)的基礎上,設計和開發(fā)一個統(tǒng)一資源視圖為基礎的學習門戶,學習者或學習者群(群體學習者)進入學習門戶后,通過統(tǒng)一資源視圖調用分布式學習資源,其實質是多源學習系統(tǒng)協(xié)作工作為學習者學習提供服務,并在個性化技術支持下完成個體學習目標,下圖表示獨立學習者或群體學習者通過協(xié)同學習系統(tǒng)學習的過程。
1 協(xié)同學習門戶:完成學習者注冊、認知需求發(fā)送、學習資源表示和學習效果呈現(xiàn)等功能。
2 協(xié)同化中間件:包括分布式學習系統(tǒng)的集成、各系統(tǒng)學習資源調度和包裝、學習資源統(tǒng)一視圖等重要構件。其中,分布式系統(tǒng)的異構帶來的通信障礙是解決學習系統(tǒng)集成的關鍵問題;如何將分布在各獨立學習系統(tǒng)中的知識進行標識和重構則是學習資源調度層需要解決的關鍵問題;在統(tǒng)一資源視圖層,學習者通過學習門戶的交互式操作,即可選擇不同的學習模塊,完成學習目標。
如圖1所示的學習過程克服了CSCL中個體學習目標和協(xié)同學習目標沖突的問題,同時降低了系統(tǒng)開發(fā)成本、使多個獨立學習系統(tǒng)的資源和功能可重用,大大降低了學習系統(tǒng)開發(fā)的成本,提高了系統(tǒng)協(xié)同工作的能力。
二 面向學習者特征――行為數(shù)據(jù)融合的協(xié)同學習系統(tǒng)個性化方法
1 數(shù)據(jù)融合(Data Fution)及其方法
(1) 數(shù)據(jù)融合及其層次
數(shù)據(jù)融合是一個多級、多層面的數(shù)據(jù)處理過程,主要完成對來自多個信息源的數(shù)據(jù)進行自動監(jiān)測、關聯(lián)、相關、估計及組合等處理。[3]數(shù)據(jù)融合的研究起源于19世紀70年代聲納信息融合的研究,后來在軍事領域得到廣泛深入的研究,并在各發(fā)達國家的軍事系統(tǒng)中起著很重要的作用。隨著研究與應用的增加,其研究與應用早已擴展到各個領域之中,如交通管制、醫(yī)療診斷、機器人導航、安全控制等領域。[4]數(shù)據(jù)融合按信息抽象程度可分為3個從低到高的層次,主要有數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。
(2) 數(shù)據(jù)融合的方法
數(shù)據(jù)融合是一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術,是許多傳統(tǒng)學科和新技術的繼承和應用,如通信、模式識別、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化技術、計算機科學、人工智能和神經網絡等。數(shù)據(jù)融合方法主要分為3大類。
直接對數(shù)據(jù)源操作。如加權平均、神經元網絡等。
利用對像的統(tǒng)計特性和概率模型進行操作。如卡爾曼濾波、貝葉斯估計、多貝葉斯估計、統(tǒng)計決策理論等。
基于規(guī)則推理的方法。 如模糊推理、證據(jù)推理、產生式規(guī)則等。
2 面向學習者特征-行為數(shù)據(jù)融合的協(xié)同學習系統(tǒng)個性化方法
協(xié)同學習技術的關鍵在于解決系統(tǒng)和模型的互操作問題,其中web服務技術很好地解決了異構系統(tǒng)的透明訪問問題,模型互操作是目前的亟需解決的問題。大多數(shù)研究采取的方法是利用本體技術,對已有系統(tǒng)學習者模型進行規(guī)約和融合,形成學習者模型庫并重用學習者模型,從而實現(xiàn)協(xié)同學習的個性化。[2,5]本文采用數(shù)據(jù)融合技術來解決模型互操作的問題,相對而言,數(shù)據(jù)融合技術的仿生特性更符合學習過程中學習者對信息進行內化和順應的過程。本文中將學習者特征規(guī)定為學習者風格,這類數(shù)據(jù)可有學習者在進入系統(tǒng)時注冊信息中抽取;學習者行為則是對學習者學習過程的跟蹤和記錄,在電子商務領域,已存在大量對用戶行為的研究。[6-8]文獻[9]采用C/S架構實現(xiàn)了課件學習過程的跟蹤,用來實現(xiàn)對參加遠程學習的用戶進行過程性評價。其中客戶端軟件是一個能夠播放光盤、網絡課件, 能夠對學員光盤、網絡課件學習的過程進行記錄跟蹤并能將學習記錄與服務器同步的IE內核瀏覽器,服務器端接收并存儲客戶端上傳的有效的學習過程跟蹤記錄, 并將學習記錄與客戶端和LMS遠程教育平臺同步。服務器端采用了MIF(Education Management Information System Interoperability Framework,教育管理信息系統(tǒng)互操作框架)規(guī)范。本文在其基礎上擴展了學習者特征信息的融合,并將其用來形成學習者模型庫,從而實現(xiàn)多個學習系統(tǒng)用戶模型的重用,學習行為與學習特征數(shù)據(jù)融合中間件框架如圖2所示:
從現(xiàn)有分布式學習系統(tǒng)和個性化學習門戶兩個方向收集學習者特征數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù),通過學習者特征庫和學習者行為庫的數(shù)據(jù)融合形成用戶模型庫,用戶模型庫可更新和重用。
融合數(shù)據(jù)需同步到各分布式學習系統(tǒng),用來向學習者提供個性化服務。
三 面向學習者特征-行為信息融合的協(xié)同學習系統(tǒng)框架
學習者特征和行為數(shù)據(jù)融合的目的是形成能被重用的學習者模型,從而使分布式學習系統(tǒng)更好地為學習者提供協(xié)同化的個性化服務。本文提出的協(xié)同化中間件和數(shù)據(jù)融合中間件中各單元的數(shù)據(jù)接口和通信機制由于篇幅所限,將另文詳述。本文最后提出一個面向學習者特征-行為信息融合的協(xié)同學習系統(tǒng)框架,該框架將協(xié)同化中間件和數(shù)據(jù)融合中間件結合起來,將分布式系統(tǒng)系統(tǒng)工作技術與個性化技術結合起來,用以完成協(xié)同學習個性化的教育理念??蚣苋鐖D3所示。
從圖3可以看出:
第一,學習者可以從個性化協(xié)同學習門戶或者分布式學習系統(tǒng)完成學習;個性化協(xié)同學習門戶類似一個聯(lián)邦體的Agent;
第二,學習者若通過個性化學習門戶完成學習,則首先向統(tǒng)一資源視圖提出服務請求,然后由統(tǒng)一資源視圖向學習系統(tǒng)包裝層發(fā)送資源需求信息,學習系統(tǒng)包裝層則向分布式學習系統(tǒng)搜索相關學習資源,并將其標記、地址等信息一并發(fā)送至學習資源調度層,學習資源調度曾則發(fā)送相關信息到統(tǒng)一資源視圖層,學習者則通過門戶訪問到這些來自分布式學習系統(tǒng)的學習資源,并完成與這些學習資源的交互及其他學習者的交互。這里的統(tǒng)一資源視圖與SOA架構中的服務注冊中心的功能相似;
第三,學習者在注冊、學習過程的各種信息通過數(shù)據(jù)融合中間件的抽取、處理、同步,使該系統(tǒng)能夠更好地體現(xiàn)個性化學習,學習者模型的重用及其更新,是該系統(tǒng)開發(fā)的關鍵和難點;
第四,該系統(tǒng)的特點是將協(xié)同學習技術及個性化技術結合起來,同是系統(tǒng)本身并不參與學習資源的開發(fā)和學習內容的建設,這些資源和功能均在底層的分布式系統(tǒng)之中。
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關鍵詞:運動模糊; 散焦模糊;頻域特性
中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2016)18-0178-02
The Analysis of Frequency Domain Properties of Blurred Image Based on Optical System
XIE Qing
(Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Image Processing and Intelligent Information System, Wuzhou University,Wuzhou 543002,China)
Abstract: The restoration of blurred image is a hot research topic in the field of digital image processing. Motion blur and defocus blur are the most common two types of blurred images based on the optical system. Compares frequency domain characteristics of two kinds of blurred image through examples and analyzes the causes of differences between two kinds of frequency domain feature, lay the foundation of better restoration of the blurred images through extracting geometric features from frequency domain to automatically identify the blurred type.
Key words: motion blur; defocus blur; spectrum property
用數(shù)碼相機在真實場景中拍攝的圖像經常會出現(xiàn)模糊現(xiàn)象,造成圖像降質。很多原因都可能造成圖像模糊,如攝像設備和對象在曝光瞬間存在相對運動形成的運動模糊[1]和拍攝時成像光學系統(tǒng)沒有正焦造成的散焦模糊[2]。
圖像復原研究既是數(shù)字圖像處理領域的研究熱點,也是一個研究難點,眾多學者對運動模糊和散焦模糊這兩種最常見的基于光學系統(tǒng)的模糊圖像復原方法進行了深入的研究,取得了一系列的研究成果。
洪景新、陳栩在勻速運動模糊圖像復原的過程中引入了圖像稀疏表示的思想[3];趙志剛、陳瑩瑩等在單幅運動模糊圖像的復原中使用了邊緣先驗模型和小波分析方法[4];張怡卓、蘇耀文等人對逆濾波法、維納濾波法和約束最小二乘方濾波等傳統(tǒng)運動模糊圖像復原方法進行了對比研究,得出約束最小二乘方濾波方法最優(yōu)的結論[5];文獻[6]研究了傳統(tǒng)的散焦模糊圖像的復原方法,分析了圓盤散焦模型和高斯散焦模型這兩種常見的散焦模型,并提出了基于清晰度評價函數(shù)的圖像還原方法。
由于不同類型的模糊圖像在頻域會顯示出不同的特性,因此,分析不同類型模糊圖像頻域特性的差異及形成原因,從而研究針對性的模糊圖像復原算法很有必要。
1 不同類型模糊圖像頻譜圖對比
由于造成運動模糊和散焦模糊的原因不同,因此,這兩種模糊圖像的頻域特性也存在差異。如圖所示,圖1是運動模糊圖像,圖2是散焦模糊圖像,人眼很難僅僅通過觀察圖像來區(qū)分出兩種不同的模糊類型。但是如圖3、圖4所示,兩幅圖像具有不同的頻域特性,運動模糊頻譜圖呈現(xiàn)條狀,其與水平方向的夾角跟模糊方向有關。散焦模糊圖像的頻譜圖成中心向外發(fā)散的圓形。由此證明,利用模糊圖像頻域特性的差異可以較容易地識別出模糊圖像的類型。圖5、圖6是對頻譜圖進行了二值化、平滑濾波、腐蝕等數(shù)學形態(tài)學處理后的結果,可以更加清晰地看出不同模糊圖像頻域特性的差異。
4 處理結果
由于不同類型模糊圖像的頻域特性存在差異,可以通過對圖像的頻譜圖進行必要的處理后從中提取出主要的幾何特征,并作為依據(jù)自動識別出模糊圖像的模糊類型,從而在圖像復原時采用更有效的復原方法。
2 不同類型模糊圖像頻域特性差異原因分析
運動模糊是由于曝光時間內相機和拍攝對象之間的相對位移造成的。如圖7所示,假設相機固定,拍攝目標在相機曝光時間內沿水平方向移動了3個像素,則曝光前拍攝目標上的點1通過光學系統(tǒng)后成像于A1點,而在接下來的時刻,隨著目標和相機之間的相對運動,點2、3、4相繼成像于A12、A123、A1234點,因此曝光結束后,最終的像點實際上是由1、2、3、4四個目標點的成像疊加形成的,因此就造成了模糊。如果曝光時間較長,在這段時間疊加起來的點會越多,反映到頻譜圖中就形成了長條狀,并且條狀的寬度以及與水平方向的角度跟模糊程度及模糊方向有關。
圖7 運動模糊原理示意圖
散焦模糊圖像是由于光學系統(tǒng)對焦不準形成的,其光學原理圖如圖8所示,當對焦準確時,物平面上的一個點A成像為一個清晰點A′,而當焦點在被攝點之前或之后,即對焦不準時就會形成模糊的光斑,即圖中B和C。由于目前大部分光學系統(tǒng)中都采用圓形或正多邊形的光圈,因此散焦模糊圖像的頻譜圖中形成一個近似于圓形的區(qū)域。
圖8 散焦模糊原理示意圖
3 結論
圖像降質是一個非常常見的現(xiàn)象,如何恢復出模糊圖像的真實面目一直是數(shù)字圖像處理領域的研究熱點。本文通過實例對比了運動模糊和散焦模糊這兩種最常見的模糊圖像的頻域特性,并分析了造成頻域特性差異的原因。從頻譜圖中提取幾何特征實現(xiàn)模糊圖像類型的自動識別,從而采用針對性的復原方法,必將取得更好的復原效果。此外,用數(shù)碼相機在真實環(huán)境中拍攝的圖像,情況往往比較復雜,如文獻[2]和文獻[7]中提到的,由于場景中目標物比較多,出現(xiàn)一些目標清晰一些目標模糊的局部模糊圖像,或者是運動模糊與散焦模糊混合的模糊圖像,如何對這些復雜的模糊圖像更好的實施復原,是本文下一步的研究方向。
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關鍵詞:地下水;砷釋放;水化學特征;水文地球化學;富砷機理;砷形態(tài);還原性溶解;解吸附
中圖分類號:P641 文獻標志碼:A
0引言
高砷地下水是一個世界性的環(huán)境問題,全球數(shù)億人面臨著高砷地下水的威脅[1]。慢性砷中毒是飲用高砷地下水導致的主要地方病。中國是受慢性砷中毒危害最為嚴重的國家之一[2]。高砷地下水主要分布在內蒙古、新疆、山西、吉林、江蘇、安徽、山東、河南、湖南、云南、貴州、臺灣等?。ㄗ灾螀^(qū))的40個縣(旗、市)。暴露在砷質量濃度等于或超過50 μg·L-1飲用水中的人口為560×104,暴露在砷質量濃度等于或超過10 μg·L-1飲用水中的人口為1 466×104[3]。據(jù)調查,在內蒙古高砷暴露區(qū)飲水型地方性砷中毒患病率高達15.54%[45]。因此,地下水中砷異常以及由此產生的環(huán)境問題已引起各國政府和公眾的高度關注。
疾病防控部門經過兩輪飲水型地方性砷中毒調查(包括2002~2004年飲水型地方性砷病區(qū)和高砷區(qū)水砷篩查和2010年飲水型地方性砷中毒監(jiān)測),基本掌握了中國范圍內飲水型地方性砷中毒的分布和高砷地下水中砷質量濃度范圍。近幾年,國土資源部也相繼開展了北方平原盆地地下水資源及環(huán)境問題調查評價、中國第二輪水資源評價、地下水污染調查評價以及嚴重缺水區(qū)和地方病區(qū)地下水勘查與供水安全示范等方面的調查研究工作,對主要高砷區(qū)水文地質條件、地下水化學特征等有了進一步認識。筆者選擇以河套盆地、呼和浩特盆地、大同盆地、銀川盆地為代表的干旱內陸盆地和以江漢平原、珠江三角洲為代表的濕潤河流三角洲為研究對象,主要介紹了中國不同地區(qū)高砷地下水的常量組分、氧化還原敏感組分特征,分析了其地下水的水文地球化學過程,探討了不同區(qū)域高砷地下水形成機理的差異。
1中國高砷地下水的分布
在中國大陸地區(qū),高砷地下水主要分布在干旱內陸盆地和河流三角洲(圖1,其中ρ(·)為離子或元素質量濃度)。內陸干旱盆地主要包括新疆準噶爾盆地、山西大同盆地、內蒙古呼和浩特盆地和河套盆地、吉林松嫩盆地、寧夏銀川盆地等。河流三角洲主要包括珠江三角洲、長江三角洲、江漢平原等。
1.1干旱內陸盆地
1.1.1新疆準噶爾盆地
1980年,中國大陸第一起大面積地方性砷中毒在新疆奎屯地區(qū)被發(fā)現(xiàn),在20世紀60年代當?shù)厝碎_始打井開采并飲用地下水,從而引發(fā)砷中毒。王連方等在1983年報道這種飲用地下水中砷質量濃度達850 μg·L-1[6]。在天山以北、準噶爾盆地南部的奎屯123團地下水砷污染嚴重,自流井水中砷質量濃度為70~830 μg·L-1[7]。相比之下,淺層地下水(或地表水)中砷質量濃度較低(從小于10 μg·L-1到68 μg·L-1),這些水源是20世紀60年代以前居民的飲用水。19世紀60年代居民飲用自流的高砷地下水后,產生了慢性砷中毒[8]。在北疆地區(qū),高砷水點分布以準噶爾盆地西南緣最為集中,西起艾比湖,東到瑪納斯河東岸的莫索灣[9]。到目前為止,盡管對地下水中砷質量濃度、土壤砷分布及健康效應等開展了大量的調查和研究,但是這些高砷地下水形成的水文地質條件、水文地球化學環(huán)境和過程卻缺乏足夠的認識。
1.1.2山西大同盆地
山西大同盆地首例地方性砷中毒患者在19世紀90年代早期被發(fā)現(xiàn)。該病的流行發(fā)生在19世紀80年代中期居民把飲用水源從10 m以內的大口井轉變?yōu)?0~40 m的壓把井之后的5~10年間。1998年,王敬華等研究表明,地下水中砷質量濃度為20~1 300 μg·L-1[10]。近期調查顯示,所測試的3 083口井中544%超出了50 μg·L-1[11]。高砷地下水的pH值較高,一般為71~87,PO3-4質量濃度達127 mg·L-1,而SO2-4質量濃度較低(一般低于20 mg·L-1)[1214]。高砷地下水主要賦存于沖積湖積沉積物中,其有機碳含量(質量分數(shù),下同)相對較高,可達1.0%[15]。As(Ⅲ)是地下水中砷的主要形態(tài),占總砷的55%~66%[12]?;谕凰匮芯?,Xie等認為地下水中的砷主要來自于恒山變質巖的風化作用[16]。灌溉水的入滲和徑流沖洗是控制地下水系統(tǒng)中砷釋放的重要過程[17]。
1.1.3內蒙古呼和浩特盆地和河套盆地
在內蒙古地區(qū),砷質量濃度大于50 μg·L-1的地下水主要存在于克什克騰旗、河套盆地和土默特盆地(呼包盆地)[1819]。砷影響區(qū)面積達到3 000 km2,超過10×105位居民受到威脅。超過40×104位居民飲用砷質量濃度大于50 μg·L-1的地下水,在776個村莊中有3 000位確診的地方性砷中毒患者[4]。馬恒之等調查研究表明,內蒙古地方性砷中毒的臨床癥狀包括肺癌、皮膚癌、膀胱癌、過度角質化、色素異常等[20]。克什克騰地區(qū)的高砷地下水主要由毒砂礦的開采造成的,而河套盆地和土默特盆地(呼包盆地)高砷水主要是由地質成因引起的,主要存在于晚更新世—全新世沖湖積含水層中[2023]。
在呼和浩特盆地,主要受還原環(huán)境的影響,地下水中砷質量濃度高達1 500 μg·L-1,60%~90%的砷以As(Ⅲ)形式存在[22,24]。在盆地的低洼處,情況更糟。在一些大口井中,地下水中砷質量濃度也較高(達到560 μg·L-1)。由于蒸發(fā)濃縮作用的影響,淺層地下水中鹽分和F-質量濃度均較高,盡管F-和砷質量濃度之間并不具有相關性[22]。
在河套平原,淺層地下水中砷質量濃度為11~969 μg·L-1,90%以上的砷以As(Ⅲ)形式存在[21]。Guo等提出高砷地下水主要在還原環(huán)境下形成[2,21,25]。相反,Zhang等認為地下水中的砷主要受狼山山前采礦活動的影響,砷從采礦區(qū)遷移至地下水流動系統(tǒng)的下游[26]。Guo 等發(fā)現(xiàn),高砷地下水主要存在于淺層沖湖積含水層中,地下水中的砷主要來源于含水層沉積物中的交換態(tài)砷和鐵/錳結合態(tài)砷[2]。這一點被室內原狀沉積物微生物培養(yǎng)試驗研究所證實[27]。在高砷地下水中,砷主要與細顆粒的有機膠體結合,而與含F(xiàn)e膠體無關,意味著有機膠體對地下水中砷分布的控制作用[28]。此外,水文地質和生物地球化學對砷活化的制約作用顯著,在灌渠和排水干渠附近存在低砷地下水[23]。淺層地下水中砷的分布非常不均勻,無論是在平面上,還是在垂向上,地下水中砷質量濃度差異很大[29]。這種差異導致局部地段地下水中砷質量濃度的動態(tài)變化[30]。
1.1.4吉林松嫩平原
2002年在松嫩平原的西南部發(fā)現(xiàn)砷中毒新病區(qū)。砷中毒主要分布在通榆縣和洮南市,當?shù)鼐用翊蠖嘁詽撍鳛轱嬎?,部分飲用承壓水[31]。地下水水化學特征具有明顯的水平分帶性和垂直分帶性[32]。在垂向上,砷主要富集在深度小于20 m的潛水和深度在20~100 m的白土山組淺層承壓水中。在水平方向上,地下水中砷質量濃度為10~50 μg·L-1的潛水主要分布在山前傾斜平原的扇前洼地及與霍林河接壤的沖湖積平原內。砷質量濃度大于100 μg·L-1的高砷水主要分布在新興鄉(xiāng)、四井子鄉(xiāng)沿霍林河河道區(qū)域[33]。在重點砷中毒疑似病區(qū)的調查發(fā)現(xiàn),地下水中砷的超標率為4665%,砷質量濃度為50~360 μg·L-1,均值為96 μg·L-1[34]。在地形極為平緩的低平原區(qū),含水層以湖積相沉積的粉細砂為主,各含水層之間有黏土、亞黏土隔水層,地下水徑流不暢,水位埋深變淺,導致地下水中砷和氟的富集[33]。
1.1.5寧夏銀川盆地
寧夏銀川盆地于1995年發(fā)現(xiàn)有地方性砷中毒病區(qū)和砷中毒病人[35]。地下水中砷質量濃度為20~200 μg·L-1[3536]。高砷地下水主要分布在銀川平原北部沿賀蘭山東麓的黃河沖積平原與山前洪積扇地帶[36],呈2個條帶分布于沖湖積平原區(qū):西側條帶位于山前沖洪積平原前緣的湖積平原區(qū),在全新世早期為古黃河河道;東側條帶靠近黃河的沖湖積平原區(qū),在全新世晚期為黃河故道,平行于黃河分布。在垂向上,地下水中砷質量濃度隨深度增加而降低,高砷地下水一般賦存于10~40 m 的潛水含水層(砷質量濃度從小于10 μg·L-1到177 μg·L-1);第一、二承壓水大部分地區(qū)未檢出砷或檢出砷質量濃度低于10 μg·L-1[3738]。高砷地下水呈中性—弱堿性,為HCO3NaCa、ClHCO3Na、ClHCO3NaCa型水,氧化還原電位較低[3940]。特殊的古地理環(huán)境特征、地下水徑流條件、氧化還原環(huán)境等被認為是地下水中砷富集的重要因素[41]。地下水中砷質量濃度隨水位改變呈現(xiàn)出動態(tài)變化特征[38]。
1.2河流三角洲
1.2.1珠江三角洲
珠江三角洲也存在高砷地下水。地下水中砷質量濃度為2.8~161 μg·L-1[4243]。地下水處于還原環(huán)境,且呈中性或弱堿性。該地區(qū)高砷地下水的顯著特點是,NH+4和有機質質量濃度高(分別為390、36 mg·L-1)[44],而NO-3和NO-2質量濃度低[43]。鹽分含量對砷的富集并無顯著影響。黃冠星等認為,地下水中砷的主要來源為含水介質中原生砷的釋放以及地表灌溉污水的入滲補給[42],而Wang 等認為沉積物中有機物的礦化以及Fe羥基氧化物的還原性溶解是地下水中砷富集的主要過程[43]。
1.2.2長江三角洲
長江三角洲高砷地下水也普遍存在。20世紀70年代以來相繼發(fā)現(xiàn)長江三角洲南部南通—上海段第一承壓水中砷質量濃度(大于50 μg·L-1)嚴重超過國家飲用水衛(wèi)生標準[45]。這一帶地下水的還原性相對較強。高砷地下水中Fe2+質量濃度普遍較高,多數(shù)大于10 mg·L-1[4546]。地下水中砷質量濃度高時,相應Fe2+質量濃度也較高。長江三角洲南部地下水中砷質量濃度高的主要原因是,在還原環(huán)境中,AsO3-4還原為AsO3-3,而且與砷酸鹽相結合的高價鐵還原成比較容易溶解的低價鐵形式[47]。于平勝研究表明,在長江南京段,沿岸5 km內地下水中砷質量濃度普遍高于遠離長江的地下水[48]。淺層地下水(潛水)中砷質量濃度普遍較低(小于40 μg·L-1)。
1.2.3漢江平原
2005年,江漢平原首次發(fā)現(xiàn)高砷水源和首例地方性砷中毒病例[49]。其中,仙桃市和洪湖市是江漢平原砷中毒最為嚴重的地區(qū)。調查表明,仙桃市848口井中有115口井砷質量濃度超過50 μg·L-1[4950],地下水中砷質量濃度最高達2 010 μg·L-1。該區(qū)屬于亞熱帶季風氣候,降雨量充沛,地下水埋深淺,地下水以HCO3CaMg型為主。相對于內陸干旱盆地,地下水溶解性總固體(TDS)較低(0.5~1 g·L-1)。
2不同區(qū)域高砷地下水化學特征
以大同盆地、河套盆地、呼和浩特盆地、銀川盆地為代表的內陸干旱盆地地下水和以珠江三角洲、江漢平原為代表的河流三角洲地下水中砷質量濃度較高,現(xiàn)以這些地區(qū)為例,簡要總結中國高砷地下水的水化學特征。其中,大同盆地的數(shù)據(jù)引自文獻[12]~[14];河套盆地的數(shù)據(jù)引自文獻[14]、[23];呼和浩特盆地的數(shù)據(jù)引自文獻[22];銀川盆地的數(shù)據(jù)為筆者2012 年的調查結果;珠江三角洲的數(shù)據(jù)引自文獻[43];江漢平原的數(shù)據(jù)引自文獻[51]。
2.1常量組分
高砷地下水中常量組分質量濃度分布范圍廣。從江漢平原大同盆地銀川盆地呼和浩特盆地河套盆地珠江三角洲,地下水中Na+和Cl-質量濃度逐漸升高[圖2(a)]。在江漢平原,地下水中Na+質量濃度明顯大于Cl-;在河套盆地、銀川盆地,Na+與Cl-質量濃度近似相等;而在珠江三角洲,Cl-質量濃度大于Na+。這些地區(qū)地下水中HCO-3質量濃度較為相近,而Ca2+質量濃度相差較大[圖2(b)]。總體來說,珠江三角洲Ca2+質量濃度最高,銀川盆地次之,然后江漢平原、河套盆地和大同盆地均較低,這些地區(qū)TDS值為200~20 000 mg·L-1,江漢平原TDS值最低(平均為427 mg·L-1),其次是大同盆地、銀川盆地和河套盆地,珠江三角洲則最高[圖2(c)、(d)]。除江漢平原外,高砷地下水中Na+質量濃度和TDS值具有顯著的正相關關系[圖2(c)];在江漢平原,高砷地下水中HCO-3質量濃度與TDS值之間呈顯著的正相關關系[圖2(d)],而其他地區(qū)HCO-3質量濃度總體上低于TDS值。
由圖4可知:河套盆地、呼和浩特盆地和大同盆地高砷地下水的Stiff圖比較類似,說明其水化學性質比較相近,盡管河套盆地中高砷地下水常量組分質量濃度高于呼和浩特盆地和大同盆地;銀川盆地地下水與其他地區(qū)存在顯著區(qū)別,表現(xiàn)為SO2-4和HCO-3是主要陰離子,且質量濃度相近,Na+和Ca2+是主要陽離子;江漢平原地下水更為特殊,表現(xiàn)為HCO-3是主要陰離子,Ca2+是主要陽離子;相比之下,珠江三角洲高砷地下水常量組分質量濃度較高,Cl-為主要陰離子,Na+為主要陽離子。
2.2氧化還原敏感組分
無論是干旱內陸盆地,還是河流三角洲,高砷地下水總體上處于還原環(huán)境,其氧化還原電位絕大部分小于0 mV[圖5(a)]。其中,河套盆地高砷地下水氧化還原電位最低,其次是呼和浩特盆地、大同盆地和銀川盆地。相應地,地下水中的溶解性有機碳(DOC)質量濃度較高,大部分為5~20 mg·L-1[圖5(a)]。其中,河套盆地高砷地下水中DOC質量濃度最高,平均達到12.0 mg·L-1;其次是呼和浩特盆地(平均為8.3 mg·L-1)、銀川盆地(平均為6.0 mg·L-1)和大同盆地(平均為5.0 mg·L-1)。此外,珠江三角洲地下水中DOC質量濃度與呼和浩特盆地相當,平均為8.7 mg·L-1;江漢平原地下水中DOC質量濃度與銀川盆地相當,平均為62 mg·L-1。總體而言,高砷地下水中DOC質量濃度與氧化還原電位呈負相關關系,DOC質量濃度越高,氧化還原電位越低。這表明,溶解性有機碳質量濃度是促進地下水中還原環(huán)境形成的主要因素。
在還原環(huán)境中,高砷地下水中SO2-4和NO-3質量濃度較低[圖5(b)]。其中,江漢平原SO2-4質量濃度最低,平均為2.5 mg·L-1;河套盆地NO-3質量濃度最低,平均為2.3 mg·L-1。這表明江漢平原地下水中SO2-4來源有限。盡管銀川平原NO-3質量濃度與江漢平原相當(平均為4.5 mg·L-1),但是其SO2-4質量濃度(平均為277 mg·L-1)遠高于江漢平原。河套盆地SO2-4質量濃度最高,平均達230 mg·L-1。相對于河套盆地和銀川盆地,大同盆地和呼和浩特盆地NO-3質量濃度(平均分別為12.5、9.2 mg·L-1)較高,而SO2-4較低(分別為61.5、65.8 mg·L-1)。低質量濃度的NO-3和SO2-4意味著高砷地下水中發(fā)生了脫硫酸作用和反硝化作用。
3.2蒸發(fā)濃縮作用
除了風化作用外,蒸發(fā)濃縮作用也影響高砷地下水的化學特征(特別是在干旱—半干旱的內陸盆地)。這里采用Gibbs圖來說明蒸發(fā)濃縮作用對地下水化學成分的影響[5556]。圖7表明:江漢平原主要受巖石風化作用影響,這與上述分析一致;其他地區(qū)除了受風化作用影響外,還受到蒸發(fā)濃縮作用的控制。其中,河套盆地受蒸發(fā)濃縮作用影響最大,其次是呼和浩特盆地、大同盆地和銀川盆地。高砷地下水中Cl-和砷質量濃度之間的相關性并不顯著,這種關系表明地下水中砷質量濃度受蒸發(fā)濃度作用的影響有限。
3.3陽離子交換吸附作用
3.4還原作用
氧化還原條件對地下水中砷的富集起著至關重要的作用。從圖9(a)可以看出,砷質量濃度大于50 μg·L-1的地下水主要位于氧化還原電位小于-50 mV的區(qū)域。地下水中氧化還原電位越低,砷質量濃度相應越高。相對于大同盆地、河套盆地和呼和浩特盆地,銀川盆地地下水中氧化還原電位較高,相應地砷質量濃度較低(平均為28.0 μg·L-1)。因此,還原條件有利于含水層中砷的釋放[5859]。
在還原環(huán)境中,鐵/錳氧化物礦物的還原性溶解被認為是地下水中砷富集的主要原因[4,5960]。在含水介質中,鐵/錳氧化物礦物對砷的吸附起主要作用[61],被認為是地下水系統(tǒng)中砷的主要載體[62]。在還原環(huán)境中,這種富砷的礦物可被還原為溶解態(tài)組分,進入地下水中;與此同時,礦物上吸附的砷也被釋放出來,并在一定條件下在地下水中積累。然而,地下水中砷與鐵質量濃度之間的相關性并不顯著[圖5(d)]。在江漢平原,地下水中鐵/錳質量濃度相對高,砷質量濃度也較高;在大同盆地、河套盆地和呼和浩特盆地,地下水中鐵/錳質量濃度低,但砷質量濃度較高[圖9(b)]。因此,地下水中砷質量濃度不受鐵/錳質量濃度的限制。高砷地下水中,鐵/錳質量濃度既可能高,也可能低[63]。造成這種現(xiàn)象的原因可能包括以下幾點。
(1)As(V)的還原性解吸附是地下水中砷釋放的主要原因。在還原環(huán)境中,被吸附的As(V)直接被還原為As(Ⅲ),由于在鐵/錳氧化物表面,As(Ⅲ)的附著能力比As(V)低,所以As(V)被還原為As(Ⅲ)后被釋放出來[64]。在此過程中,沒有涉及鐵/錳的還原,鐵/錳并沒有釋放出來,因此地下水中鐵/錳質量濃度并不高。
(2)在還原性溶解中產生的Fe(Ⅱ)重新被吸附到沉積物的表面。羥基氧化鐵對Fe(Ⅱ)具有很強的親和力,可大量吸附Fe(Ⅱ)[6566]。
(3)由于地下水相對于黃鐵礦和菱鐵礦過飽和,還原性地下水中Fe(Ⅱ)以黃鐵礦和菱鐵礦的形式沉淀,所以被從地下水中去除[63,6768]。盡管部分砷可與黃鐵礦共沉淀[69],或被菱鐵礦吸附[70],但是還原性溶解所釋放的砷遠多于被黃鐵礦/菱鐵礦去除的砷。
(4)在pH值較高的情況下,鐵/錳氧化物吸附態(tài)砷進行解吸附。由于在pH值較高時,礦物對As(V)的吸附能力較低[71],這種解吸附主要以As(V)為主。
高砷地下水存在于SO2-4和NO-3質量濃度均較低的江漢平原,也存在于SO2-4和NO-3質量濃度均較高的銀川盆地、河套盆地和呼和浩特盆地[圖9(c)];并且,高砷地下水中發(fā)生了脫硫酸作用和反硝化作用。在較強還原條件的河套盆地和呼和浩特盆地,鐵、錳質量濃度較低的原因可能與SO2-4質量濃度有關。由于鐵的硫化物礦物溶解度低,還原環(huán)境中較高質量濃度SO2-4還原產生的S2-限制了鐵、錳在地下水中的積累。因此,在河套盆地和呼和浩特盆地,黃鐵礦沉淀可能是控制地下水中鐵、砷質量濃度的一個重要過程。這一結果與河套盆地地下水中Fe同位素研究和化學特性時空演化研究結果一致[63,68]。相比之下,在江漢平原,低質量濃度SO2-4還原產生的S2-比較有限,不能有效控制鐵在地下水中的積累,因此鐵/錳氧化物礦物的還原性溶解和Fe(Ⅱ)的再吸附可能是地下水中的主要水文地球化學過程,盡管確切證據(jù)需要來自于含水層沉積物中Fe形態(tài)的結果。此外,在大同盆地、河套盆地和呼和浩特盆地,地下水中pH值較高,因此在堿性條件下吸附態(tài)砷的解吸附也是一個重要的富砷過程。
4結語
(1)中國高砷地下水既存在于干旱內陸盆地,也存在于濕潤的河流三角洲。盡管這2類地區(qū)地下水中砷質量濃度均較高,但是地下水化學特點卻存在顯著差異。在干旱內陸盆地,高砷地下水的pH值較高,呈弱堿性;而濕潤河流三角洲地下水的pH值為中性。江漢平原的高砷地下水以HCO3Ca型為主;大同盆地、河套盆地和銀川盆地高砷地下水主要為HCO3Na型;而珠江三角洲高砷地下水為ClNa型。高砷地下水中氧化還原電位低,處于還原環(huán)境。總體上,SO2-4和NO-3質量濃度較低。其中,江漢平原SO2-4質量濃度最低,河套盆地NO-3質量濃度最低。此外,鐵與砷之間的相關性并不顯著。在珠江三角洲,鐵、錳質量濃度最高,但砷質量濃度相對較低;而大同盆地高砷地下水中鐵、錳質量濃度最低,但砷質量濃度相對較高。
(2)在高砷地下水系統(tǒng)中發(fā)生了不同程度的風化作用、陽離子交換吸附作用和還原作用。河套盆地、大同盆地、呼和浩特盆地和銀川盆地地下水均位于全球平均硅酸鹽風化區(qū);江漢平原地下水位于全球平均碳酸巖風化區(qū)附近;而珠江三角洲地下水位于蒸發(fā)巖風化區(qū)附近。相對而言,河套盆地和呼和浩特盆地地下水中陽離子交換吸附程度高,而銀川盆地和江漢平原陽離子交換吸附程度較低。高砷地下水中發(fā)生了反硝化作用、脫硫酸作用以及鐵、錳氧化物還原過程。在較強還原條件的河套盆地和呼和浩特盆地,鐵、錳質量濃度較低的原因可能與SO2-4質量濃度有關。還原環(huán)境中較高質量濃度SO2-4還原產生的S2-限制了鐵、錳在地下水中的積累。在河套盆地和呼和浩特盆地,黃鐵礦沉淀可能是控制地下水中鐵、砷質量濃度的一個重要過程。在江漢平原,鐵/錳氧化物礦物的還原性溶解和Fe(Ⅱ)的再吸附是地下水中主要的水文地球化學過程。此外,在地下水pH值較高的干旱內陸盆地,吸附態(tài)砷的解吸附也是一個重要的富砷過程。
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隨著社會的發(fā)展,學生成長的環(huán)境有了很大的改變,現(xiàn)階段每一個學段的學生心理特征和幾年前的學生差異很大,所以教師不能用原來的眼光看學生,這就需要我們走進學生的內心世界,更深層次地了解他們的心理特征。我們也知道,不同學段的學生心理特征存在很大的差異,而同年級的學生心理特征又有很多共同點,如果我們能找到這些差異性和共性,然后抓住教育契機有針對性地采取科學的教育的方式,不但可以預防每個年級學生可能出現(xiàn)的問題,把問題消滅在萌芽中,而且可以利用每個階段學生積極的心理去有效地喚醒和拓展學生的內在潛能,使學生實現(xiàn)質變的突破,達到“事半功倍”的效果。
筆者通過對高中三個不同學段學生的調查、訪談及咨詢,再根據(jù)多年的管理經驗得出以下結論。
一、學生特點
高一是學生從少年走向青年的過渡期,也是從初中進入高中以適應為主的一年。高二是承上啟下的一年,是學生發(fā)展的分水嶺。高三是學生世界觀、人生觀和價值觀的確立和個性的成熟的時期。
二、學生積極心理及教育契機
(一)高一學生
1.積極心理。由于剛進入一個新的學習環(huán)境,學生都想給教師和其他同學一個最佳的印象。因此,他們總是盡力展現(xiàn)自己的優(yōu)點,表現(xiàn)得很規(guī)矩。大部分學生在新的階段改變的決心也很大,一開始意志力很堅強。
2.教育契機。教師可以多去發(fā)現(xiàn)學生的閃光點,多鼓勵,建立學生的自信心,讓他們展示自己優(yōu)點的時間長久持續(xù);讓每一個學生明確校規(guī)校紀、班規(guī)班紀,嚴格要求,最難管理的事情,在開學時是最容易解決的。
(二)高二學生
1.積極心理。學生在文理分班后,心理漸漸穩(wěn)定,自己追求的目標已經越來越清晰,學習的目的性更強。有些學生適應快、學得好、進步大,他們積極、自信的心理不斷得到強化,學習興趣上升,科學的學習方法也漸漸形成。
2.教育契機。教師可以這些進步較大的學生作為榜樣來引導,同時借助理想教育讓他們有更高的目標,并使他們不斷從學習中得到成功的心理體驗,使他們學習自覺性進一步增強。
(三)高三學生
1.積極心理。學生的自我意識、自我控制能力和自我調解能力進一步增強,這使高三學生做事的盲目性減少,計劃性增強。學生已步入成人階段,責任感逐步增強,更加關注自身的發(fā)展,考慮升學擇業(yè)和人生理想問題。因此學生的學習的動力非常強,學習上的覺悟和投入以及知識結構的完整、大量的習題使學生勤于思考、善于質疑,并有良好的學習習慣。這個時期的學生精力充沛,富于想象,情感豐富,易被復雜、新奇事物吸引;勇于表現(xiàn)自己,好嘗試,追求高遠目標。
2.教育契機。教師可以分層次教學,和學生多進行朋友式的交流,并針對每一個學生的特點和他們一起制訂學習計劃和學習目標,共同約定認真完成。
三、學生消極心理及預防性教育
(一)高一學生
1.消極心理。高一學生面對新的環(huán)境有陌生感和孤獨感,并且隨著學科知識難度和深度的加大,很多學生在學習上出現(xiàn)不適應現(xiàn)象,學習壓力過大,甚至出現(xiàn)焦慮;有些學生成績沒有以前好,或從班干部變成了普通學生身份,自身無法接受這種心理落差;一些學生經歷了緊張的升學考試后,會產生“歇一歇”的思想,會把自己的課余時間過多地分配在娛樂上。
2.預防性教育。我們就可以召開各種形式的主題班會,如“才藝展示”“團體游戲”“學習方法的介紹”“我是最棒的”“面對挫折”等,來預防這些問題的發(fā)生,從而使學生盡快適應高中學習生活,加強人際交往教育,使學生能樹立正確的友誼觀。更為重要的是,這可以加強情感教育、意志教育和性格教育,優(yōu)化學生的個性品質。
(二)高二學生
1.消極心理。高二階段學生的新鮮感和熱情似乎已經淡去,既沒有高一時的雄心壯志,也沒有面臨高考的緊迫感,容易出現(xiàn)動蕩和茫然。有的學生則出現(xiàn)倦怠、厭學、焦慮。尤其是一些成績較差的學生,他們在一年學習中(尤其是在考試中)屢遭挫折,對學習的灰心、自卑甚至害怕等心理也漸漸固化,漸漸出現(xiàn)興趣轉移、偏科等傾向,完全放棄了取得好成績的愿望,“破罐子破摔”。高二學生已經熟悉了學校的管理措施,容易出現(xiàn)思想和紀律的自由散漫,而且學生異往過密的現(xiàn)象開始增多。
2.預防性教育。教師可以強化自我意識輔導和耐挫折能力教育,使學生的人格更趨完善,幫助學生樹立科學的人生觀和正確的愛情觀,形成社會責任感。
(三)高三學生
1.消極心理。由于高三學生的社會閱歷的局限以及辯證思維能力的有待發(fā)展,他們在看問題時往往比較主觀、片面,容易走極端。有些學生基礎較差,雖想好好學,但努力一段時間發(fā)現(xiàn)自己很難跟上,于是開始放棄。學習成績較好的學生在總復習過程還會出現(xiàn)“高原”現(xiàn)象。同時學生的課業(yè)負擔很重,面臨升學抉擇的挑戰(zhàn),再加上家長的過高期望和社會價值取向的多元化,高三學生會感到更加迷茫和煩亂,從而情緒波動較大,容易精神不振,郁悶生氣和焦慮煩躁。
2.預防性教育。教師要幫助學生樹立正確的競爭觀、升學觀和擇業(yè)觀,正確對待高考,掌握科學合理的系統(tǒng)復習和應試技巧,使學生形成較強的心理素質和社會適應能力。
一、兒童有關“集合”核心經驗學習與發(fā)展的特點
已有研究表明,學前兒童集合概念的發(fā)展一般可以被描述為四個漸進的階段。
1.籠統(tǒng)模糊的知覺階段
大約3歲之前,兒童對集合的感知是籠統(tǒng)模糊的,往往沒有明顯的集合界限,即在感知集合中的元素時尚不能精確判斷其數(shù)量,對集合的范圍和界限沒有形成意識,例如,如果有人在一堆物體中拿走其中一個,他們往往不會有知覺。
2.感知有限集合的階段
3歲以后,兒童通常能逐漸在集合的界限之內感知集合的整體。在這個時期,兒童往往會關注集合中排在第一個和最后一個的物體,而對排列在中間的物體則較少關注,如讓兒童在畫有5個盤子的卡片上對應擺放蘋果時,他們往往不會遺漏第一和第五個盤子,可能會疏漏處于中間位置的盤子。同時,兒童在分放物體的時候,往往習慣于用右手放右邊的物體,用左手放左邊的物體。同樣,對于這個年齡階段的兒童來說,相比直線式排列的集合數(shù)圖,他們更容易將空間封閉排列的集合數(shù)圖作為一個集合來感知。
兒童集合概念的發(fā)展由籠統(tǒng)模糊的知覺階段到感知有限集合的階段是一個漸進的過程,這個過程通常出現(xiàn)在3歲左右,但并不是說每個兒童都會經歷這樣一個變化過程。
3.感知集合元素數(shù)量的階段
4歲兒童已能關注到集合中元素的數(shù)量問題,這是兒童對集合數(shù)量從不精確的感知到精確數(shù)數(shù)的一個跨越。此時,兒童已能通過點數(shù)等方式較正確地數(shù)出集合中元素的數(shù)量。此外,兒童還能對一個集合中的元素與另一個集合中的元素進行比較,一一對應的能力也在這個階段得到了發(fā)展。
4.感知集合包含關系的階段
一般說來,兩個集合之間存在著包含關系或相等關系。兒童對于包含關系的理解往往要晚于相等關系。集合間的包含關系是關于整體與部分之間的關系,涉及對類包含觀念的理解。相對而言,小年齡幼兒對全集和子集之間的類包含關系的理解存在一定的困難,如桌子上擺放著一盆花,有4朵白花、2朵紅花,如果問一個4歲左右的兒童“花多還是白花多”,他很有可能會回答是白花多,因為在兒童的頭腦中尚不具備對花與白花之間的類包含關系的抽象理解。隨著年齡的增長,兒童對類包含關系的理解能力也在逐步發(fā)展。4歲左右的兒童還不能理解全集和子集的包含關系,5歲兒童能初步理解,但準確率不高,5歲以后,兒童對類包含關系的理解能力會逐步發(fā)展與提高。
二、兒童有關“分類”核心經驗學習與發(fā)展的特點
學前兒童分類能力的發(fā)展一般來說會經歷如下三個階段。
1.能根據(jù)事物表面的、具體的和簡單的特征進行分類
一開始,幼兒會傾向于按照事物的具體特性進行分類,如把具有同樣顏色或形狀的物體放在一起,而不是把具有共同性質的物體歸為一類。例如,幼兒會傾向于把蘋果和皮球放在一起,而不是把蘋果和香蕉放在一塊,原因是蘋果和皮球都是圓的。在知覺特征和概念特征同時存在的情況下,對于幼兒來說,知覺特征往往會成為占優(yōu)勢的分類標準。
2.能根據(jù)事物內部特征對事物進行抽象概括,但脫離不了具體的情景或功用
隨著年齡的增長以及分類經驗的積累,4歲以后幼兒一般能根據(jù)事物內部特征來進行分類。例如,有幼兒會把“飛機”和“火車”放在一起,顯然他們是從兩者的作用去分類的,當然也可能會有幼兒把“飛機”和“鳥”放在一起,因為“它們都有翅膀,都會飛”。在此,成人要特別注意不要簡單地認為只有符合成人標準的分類才是對的。幼兒往往會根據(jù)自己的想法進行分類,分類的依據(jù)也會不斷改變,因為幼兒分類標準的確定往往受其認知經驗和生活經驗的影響。例如,幼兒常常會把蜘蛛和蜘蛛網歸為一類,而不會把蜘蛛和小甲蟲歸為一類,這是因為在日常生活中兒童就是按照這種功能關系將有關事物聯(lián)系在一起的。在功能關系和概念關系同時存在的情況下,功能關系往往會成為幼兒采用的占優(yōu)勢地位的分類標準。
3.開始根據(jù)本質屬性對事物進行分類,能夠抽象出事物的多種屬性或特征
幼兒對分類多樣性的理解需要經歷一個過程,雖然幼兒也能根據(jù)較上位的標準進行分類,但是他們對一個物體可以同時屬于多個類別的理解較困難,如嬰兒的手套既可以歸為嬰兒裝也可以歸為冬裝。對事物多種屬性或特征的理解水平往往要隨著幼兒分類經驗的不斷積累和思維抽象性水平的不斷提升才能慢慢得到提高。
三、支持兒童獲得“集合與分類”核心經驗的策略
幼兒集合與分類能力的學習與發(fā)展,需要教師積極有效的支持。
1.利用日常生活中的各種機會,引導幼兒發(fā)現(xiàn)事物的共同特征,培養(yǎng)他們的抽象概括能力
生活中有各種機會可以作為幼兒學習集合與分類的契機。在設計有關集合方面的數(shù)學活動時,教師應當聯(lián)系幼兒的日常生活經驗,以具體問題或情景為背景開展活動,而不是進行概念教學。例如,可利用“鞋子對對碰”“木偶在誰那兒”“抓魚”“猜猜我是誰”等活動組織幼兒開展有關集合與分類的學習。首先,這類活動的材料需來源于幼兒的生活;其次,這類活動要分別聚焦于集合與分類核心經驗的某個要點,但不必像集體教學活動那般結構化、系統(tǒng)化,要允許幼兒通過重復游戲慢慢體悟、逐漸提升。
總之,教師可以利用日常生活中的合適機會讓幼兒開展有關集合與分類的學習:可以是隨機性事件,可以是教師預設的活動,可以是幼兒自發(fā)的游戲活動,等等。
2.根據(jù)幼兒不同的年齡特點開展適宜的集合與分類教學活動
一般來說,小班幼兒可要求他們按事物的外部特征或量的差異進行分類,因為這些特征比較容易被觀察到,并且小班幼兒通常對事物特征的辨認先于歸納概括,因此,教師可以讓小班幼兒先開展匹配活動,然后再進行分類活動。在設計活動方案時,教師應注意與幼兒的生活經驗相聯(lián)系。例如,在“熊來了”的集體教學活動中,教師請一名幼兒扮演大黑熊,當“大黑熊”走進森林時,教師發(fā)出指令,所有幼兒趕快回到各自的“家”,“女孩子(或戴帽子、穿皮鞋、扎辮子、戴眼鏡的小朋友)請躲到紅家”,“男孩子(或不戴帽子、穿運動鞋、不扎辮子、不戴眼鏡的小朋友)躲到黃家”……最后,教師啟發(fā)幼兒分別觀察同一個家里的人都有哪些共同特征,可以提示幼兒仔細觀察性別、衣著、飾品等外在特征。通過游戲活動,幼兒初步感知到,具有某些共同特征的對象可以形成一個集合。又如,集體活動“搶椅子”將一一對應的方法巧妙地結合在游戲情景中,幼兒可直觀而具體地感受一一對應的方法,并借此比較兩組物體的多、少或一樣多。
比較是數(shù)學學習中最常用到的方法之一。對學前兒童而言,感知集合及其元素、學習分類、分析兩個集合之間元素的一一對應及其關系都需要有比較的過程,因此,在設計有關集合與分類的數(shù)學活動時,可有意識地引導幼兒學習比較的方法。
當然,除了游戲,操作也有助于小班幼兒感知和學習集合與分類。教師應盡可能為小班幼兒提供人手一份的操作材料,并在活動中遵循以幼兒參與體驗和操作為先,以教師歸納和提升為后的原則。
對中大班幼兒來說,分類活動的重點可以放在“按照幾種特征來分類”“按照事物內在的、物理的特性來分類”以及“感知集合間的包含或相等關系乃至兩個集合間的交集、并集”等方面,隨著幼兒經驗的積累,也可以嘗試引導幼兒學習同時按兩種標準分類,如要幼兒找出既是紅色又是木制的紐扣。例如,在集體教學活動“動物分家家”中,教師提供幼兒熟悉的各種動物(有陸生的、水生的、兩棲的,還有鳥類等)卡片,幫助幼兒通過區(qū)分動物特征歸類為不同類的動物命名感受不同類動物的共同特征感受交集動物等步步深入的活動,感受和理解交集的概念。
感知集合間的包含或相等關系以及兩個集合間的交集、并集等概念對幼兒更好地理解集合概念以及學習數(shù)的組成和加減運算具有積極的意義。但幼兒理解集合間的抽象關系有一定的困難。因此,在教學中,重點是幫助幼兒感知,而不是直接講解概念。無論是游戲還是操作,教師都可通過設疑或小結的方法幫助幼兒將感性經驗上升為理性知識,這方面需要教師有目的、有計劃地加以設計。
3.提供可從多維度感知的操作材料,以引導幼兒的分類學習
首先,教師可提供便于幼兒多維度感知的操作材料。例如,教師提供(也可和幼兒一起收集)大小、形狀、顏色、材質、圖案均不同的紐扣,啟發(fā)幼兒思考討論:這些紐扣中哪些是相同的,把它們挑出來。教師可引導幼兒仔細觀察、比較,幫助幼兒找出共同點,引導幼兒正確分類。一般說來,可供多維度感知的材料需根據(jù)幼兒的實際能力有梯度地提供,小班幼兒適宜提供可從一個維度感知的材料,以后隨著幼兒能力的提高,再酌情提供可從兩個(或以上)維度感知的材料。
關鍵詞: 蘋果樹腐爛?。?有性態(tài); 生境; 發(fā)生; 生物學特性
中圖分類號:S661.1 文獻標志碼:A 文章編號:1009-9980?穴2013?雪04-0644-06
蘋果樹腐爛病是世界上危害蘋果最為嚴重的病害之一,該病可造成樹勢衰弱、蘋果品質和產量下降,嚴重時甚至可造成毀園[1]。甘肅省是全國蘋果生產的優(yōu)勢產區(qū)和第2大省,截止2011年底,全省蘋果掛果面積30.7萬hm2,產量220萬t,產值約60億元[2]。但近年來,蘋果樹腐爛病發(fā)生日趨嚴重,已成為制約全省蘋果產業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要因素。據(jù)甘肅省植保植檢站調查,2011年全省發(fā)病面積達7.5萬hm2, 平均發(fā)病株率達40%左右,白銀、天水、平涼、慶陽、隴南等地老果園發(fā)病嚴重,樹勢衰弱的果園可達60%左右。如何更好地防治該病,環(huán)境條件和致病菌的研究是關鍵。關于蘋果樹腐爛病原菌的研究國內外已有很多報道,但主要針對其無性態(tài)[3-5],而有性態(tài)由于在田間比較少見,相關研究報道較少。最早關于有性態(tài)報道的是在1909年,日本學者宮部和山田[6]將蘋果樹腐爛病菌定為Valsa mali Miyabe et Yamada,Nakata[7]1941年研究發(fā)現(xiàn)中國北部蘋果樹腐爛病菌為 V. mali,Kobayashi[8]根據(jù)病原菌形態(tài),主張將蘋果樹腐爛病菌學名V. mali改為V. ceratosperma (Tode et Fr) Maire,Hayova等[9]曾提及Valsa malicola Z. Urb在中國可能有分布,王旭麗等[10]研究證實黑龍江和陜西蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)分別為Valsa ceratosperma (Tode et Fr) Maire和V. malicola Z. Urb。對不同生境條件下蘋果樹腐爛病發(fā)生情況,謝紅江等[11] 分析了蘋果腐爛病發(fā)生程度與樹齡、品種、立地條件、季節(jié)及氣候因子的關系。目前,國內關于蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)在不同生境條件下的發(fā)生及生物學特性方面研究尚未見系統(tǒng)報道。為此,本研究選取了甘肅省有代表性生態(tài)區(qū)域的蘋果生產區(qū),對不同立地條件下蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)的地域分布、發(fā)生、侵染性及生物學特性進行研究,旨在為探索病害流行規(guī)律及下一步防治工作奠定理論基礎。
1 材料和方法
1.1 材料
1.2 方法
1.2.1 有性態(tài)形態(tài)學觀察 取患病蘋果樹病皮,徒手切片,觀察子座、子囊殼、子囊、子囊孢子的形態(tài)。測量不同地區(qū)有性態(tài)子囊殼的寬度、瓶頸的長度和埋藏深度。
1.2.2 有性態(tài)與無性態(tài)比例 取14個地區(qū)的患病蘋果樹病皮,每個地區(qū)采集的病皮中隨機抽取50個樣點,每個樣點1 cm2,進行徒手切片,每個樣點20片。統(tǒng)計各個地區(qū)有性態(tài)和無性態(tài)的片數(shù),得出有性態(tài)與無性態(tài)片數(shù)的比例。
1.2.3 子囊孢子懸浮液的制備 參照方中達[12]制備孢子懸浮液方法,取患病蘋果樹病皮,剔除周圍的組織,放在載玻片上,用刀片剖開,放在離心管中加無菌水,離心,棄去底部沉淀,即得到孢子懸浮液,并用無菌水稀釋至每視野(10×40)20~30個孢子,用血球計數(shù)板統(tǒng)計孢子濃度。
1.2.4 分生孢子純培養(yǎng)的制備 使用瓊膠平板稀釋純化法[12],用無菌水將樹皮上溢出的分生孢子角洗下,稀釋到每視野有5個左右的孢子,將稀釋后的孢子懸浮液涂在PDA平板上,等長出單一菌落后,用打孔器打取單一菌落轉接到新PDA平板上,在PDA上得到純培養(yǎng)。
1.2.5 有性態(tài)的侵染性研究 選取1~2年生健康的蘋果樹枝條,截成15 cm的小段,用自來水沖洗干凈,枝條頂端石蠟封頂,接種時用脫脂棉蘸取75%的酒精擦洗滅菌,然后用滅菌水沖洗3次、風干,用直徑 5 mm鐵釘釘帽燙傷枝條表皮,分別用純培養(yǎng)的菌餅(5 mm)和子囊孢子懸浮液接在枝條的燙傷部位,以PDA空白菌餅作對照,每個處理20個重復,置于瓷盤中25 ℃保濕培養(yǎng),第7天觀察發(fā)病情況,計算發(fā)病率。
1.2.6 不同地區(qū)子囊孢子萌發(fā)力測定 同1.2.3的方法配制子囊孢子懸浮液,參照劉振宇等[13]方法進行子囊孢子萌發(fā)力測定。在較薄的PDA平板上用直徑9 mm的滅菌打孔器打取小圓塊,置于滅菌的載玻片上,孢子懸浮液均勻涂在PDA 小塊上,19 ℃黑暗條件下保濕培養(yǎng)。每個處理重復6次,以五點取樣法定時鏡檢,每個PDA 小塊鏡檢100 個孢子左右。每隔12 h統(tǒng)計孢子萌發(fā)數(shù)及孢子總數(shù), 計算孢子萌發(fā)率。
1.2.7 光照條件對不同地區(qū)子囊孢子萌發(fā)的影響 設置全光照、全黑暗、12 h光照與12 h黑暗交替 3個處理[13],將孢子懸浮液涂于PDA 小塊上,試驗方法同1.2.6,每隔12 h統(tǒng)計孢子萌發(fā)數(shù)及孢子總數(shù),計算孢子萌發(fā)率。
1.2.8 營養(yǎng)條件對不同地區(qū)子囊孢子萌發(fā)的影響 將子囊孢子懸浮液分別涂于PDA 小塊和10% ABA 小塊上[14],試驗方法同1.2.6。每隔12 h統(tǒng)計孢子萌發(fā)數(shù)及孢子總數(shù), 計算孢子萌發(fā)率。
2 結果與分析
2.1 有性態(tài)病皮和病原形態(tài)特征
2.2 有性態(tài)形成的地區(qū)及與無性態(tài)的形成比例
2.2.1 有性態(tài)的分布 14個采集地中,天水市果樹研究所,天水市麥積區(qū)南山萬畝果園基地、甘谷縣五里鋪村,慶陽市鎮(zhèn)原縣楊寧村、寧縣鐵王村,平涼市莊浪縣高川村、靜寧縣吳廟村7個采集地均有有性態(tài)存在。表明甘肅省蘋果樹腐爛病菌的有性態(tài)主要分布在東部的慶陽、平涼和天水3市。
2.3 有性態(tài)形成時間及侵染性
2.3.1 有性態(tài)形成時間 有性態(tài)在天水、平涼和慶陽三地均有分布,但形成時間不同,天水在8月中下旬、平涼和慶陽在9月中下旬。
2.4 不同地區(qū)產生的子囊孢子萌發(fā)條件研究
3 討 論
關于蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)的分布,本研究證實其分布多在氣候較為濕潤、年平均溫度較高的甘肅東部地區(qū),而干旱少雨、年平均溫度較低的河西走廊未發(fā)現(xiàn)。關于有性態(tài)不同生境下的分布國內報道較少,僅有王旭麗等[10]報道在陜西富縣和黑龍江伊春發(fā)現(xiàn),病原為V. ceratosperma和V. malicola,這兩個地區(qū)氣候特征與甘肅東部地區(qū)較為類似。本研究病原形態(tài)特征鑒定結果顯示,甘肅省蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)的病原為V. ceratosperma,未發(fā)現(xiàn)V. malicola。目前,對蘋果樹腐爛病菌病原生物學特性研究仍以無性階段分生孢子為主[16-19],對有性階段子囊孢子的研究較少,且主要集中在溫、濕度和培養(yǎng)條件方面[20],光照條件的研究未見報道,本試驗中發(fā)現(xiàn)有性態(tài)地區(qū)的溫、濕度等氣候條件以及子囊孢子萌發(fā)的營養(yǎng)條件與Togashi[21]的研究一致,另外,通過光照條件對子囊孢子萌發(fā)的研究,明確了光照條件對子囊孢子萌發(fā)的影響。在有性態(tài)的侵染研究方面,Won[22]用烙傷接種法將V. mali接種健康樹皮未見發(fā)病。本試驗在進行病原菌侵染性研究時與以上一致,證實了有性態(tài)不具有侵染性,但是它在整個蘋果樹腐爛病菌侵染過程中的作用還不清楚,尚待進一步研究。本試驗中三地區(qū)子囊殼的埋藏深度不同,這可能與當?shù)貧夂?、環(huán)境條件等有一定關系,但深層次的原因有待進一步探討。
4 結 論
蘋果樹腐爛病菌有性態(tài)分布在甘肅東部地區(qū),出現(xiàn)時間在8月中下旬至9月中下旬,進一步證實了有性態(tài)無侵染性,不同光照條件、營養(yǎng)條件對子囊孢子萌發(fā)有顯著影響。(本文圖版見插6)
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關鍵詞:黃瓜;嫁接方式; 成活率;生物學特性
雙根嫁接也稱雙砧木嫁接,是利用兩個砧木根系促進黃瓜生長的一種高效嫁接技術。雙根嫁接采用白籽南瓜和黑子南瓜兩種砧木,前期白籽南瓜根系長勢快,中期黑籽南瓜根系長勢快,后期雙根長勢都很旺盛,在強大根系的支撐下,黃瓜長勢強壯,抗病性、抗逆力等性狀明顯提高[1],產量比單砧木增產53.7%以上[2],效果非常明顯。本試驗旨在探討不同的嫁接方式對黃瓜雙根嫁接苗的成活率、生物學性狀的影響及植株抗病性差異,為黃瓜雙根嫁接栽培提供科學依據(jù)。
1材料和方法
1.1供試品種
接穗品種津優(yōu)35號、津優(yōu)36號黃瓜(天津科潤黃瓜研究所提供),砧木品種黑籽南瓜、白籽南瓜。
1.2接穗與砧木播種、嫁接
津優(yōu)35號、36號黃瓜分別于2008年10月7日和8日播種,白籽南瓜和黑籽南瓜分別于10月7日、10月10日播種。嫁接在10月16日至18日進行。嫁接采用靠接+靠接、頂插接+靠接、劈接+靠接、頂插接+劈接4種方法。
1.3嫁接苗管理
嫁接苗栽入直徑10 cm的營養(yǎng)缽中,并澆足底水。用雙層黑色薄膜(不見光,利于嫁接口愈合)小拱棚覆蓋,1周后白天揭膜通風至嫁接苗移栽。
1.4嫁接苗成活率及生物學性狀調查
11月3日,對嫁接苗成活率及其生物學性狀進行調查。因嫁接苗數(shù)量較少,成活率調查采用總體樣本調查法。從各種嫁接苗中隨機抽取10株樣本,調查其株高、株幅、真葉數(shù)等生物學性狀。
1.5黃瓜植株發(fā)病狀況調查
在黃瓜植株開花結瓜盛期(2009年1月20日),采用隨機取樣法調查黃瓜枯萎病發(fā)病率。
2結果與分析
2.1不同嫁接方式對嫁接苗成活率的影響
不同的嫁接方式對雙根嫁接苗成活率的影響見表1??梢钥闯?相同黃瓜接穗(津優(yōu)35號)、相同砧木(黑籽南瓜+白籽南瓜)采用靠接+靠接、頂插接+靠接、劈接+靠接、頂插接+劈接4種嫁接方式進行雙根嫁接,其嫁接苗成活率相差懸殊較大,其中靠接+靠接方式成活率較高,為91.00 %;頂插+劈接方式成活率較低,為73.66 %。不同接穗(津優(yōu)36號、津優(yōu)38號)、相同砧木(黑籽南瓜+白籽南瓜)采用靠接+靠接法嫁接,嫁接苗成活率分別為90.66 %和91.33 %,均高于其他嫁接方式。說明靠接+靠接法是提高雙根嫁接苗成活率的最有效的嫁接方式。
2.2不同嫁接方式對嫁接苗生物學性狀的影響
從表2可以看出,不同的嫁接方式對嫁接苗的株高、株幅、真葉數(shù)等生物學性狀有一定影響。相同接穗(津優(yōu)35號)、相同砧木(黑籽南瓜+白籽南瓜)采用不同的雙根嫁接方式進行嫁接,平均株高、平均真葉數(shù)、平均株幅均以靠接+靠接苗最大,而且遠大于其他嫁接方式;以頂接+劈接表現(xiàn)最差。以津優(yōu)38號黃瓜為接穗,其嫁接苗的平均株高、平均株幅、平均真葉數(shù)均大于以津優(yōu)35號黃瓜為接穗的嫁接苗,這與同期播種的津優(yōu)38號黃瓜長勢強有一定的關系。
2.3不同嫁接方式對黃瓜植株抗病性的影響
由于多年連作,枯萎病、霜霉病猖獗成為制約黃瓜塑料大棚生產的主要因子。由表3可以看出,經雙根嫁接后,黃瓜植株枯萎病發(fā)病率明顯下降,控制在0~5.0%范圍之內,但依黃瓜接穗品種及嫁接方式的不同,發(fā)病率略有差異。單根嫁接后,黃瓜植株枯萎病發(fā)病率也有所下降,但低于雙根嫁接苗。而未經嫁接的津優(yōu)36號黃瓜(對照1)、津有38號黃瓜(對照2)植株,枯萎病發(fā)生較嫁接苗高,病株率分別達到21.0 %、23.0 %。
3討論
本試驗結果表明,無論是嫁接苗的成活率還是生物學性狀,均以靠接+靠接法最好,這可能是由于靠接苗接穗帶根,增加了根系對土壤中水分、養(yǎng)分的吸收面積,利于嫁接傷口愈合的緣故。靠接易操作,接后易管理,成活率也高,但靠接后易產生不定根。黃瓜一旦扎下不定根,它會逐步代替南瓜根的功能。南瓜根看起來粗壯,但實際上已逐漸失去作用,這樣就失去嫁接的意義了[3]。因此,靠接+靠接法一般需要進行后期1~2次的斷根處理。
按照靠接+靠接、頂插接+靠接、劈接+靠接、頂插接+劈接4種嫁接方法的技術規(guī)程要求,不同的嫁接方法對接穗和砧木播種時間的先后有不同要求(例如,靠接法要求接穗先于砧木播種3~5 d)[4]。本試驗由于條件所限,各種嫁接方法所采用的接穗和砧木均在同一時間播種,故對嫁接苗的成活率及其生物學性狀的影響會造成一定的差異。
雙根嫁接黃瓜與未嫁接黃瓜(對照)枯萎病發(fā)病率結果對比表明,采用雙根嫁接技術顯著提高了植株對枯萎病等病害的抗性。
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