自制单胞藻培养装置应用于《生物饵料培养学实验》的教学研究

郑 波,郭恩棉,李 建,王金叶,王 峰

(青岛农业大学 海洋科学与工程学院,山东青岛 266237)

生物饵料是供鱼、虾、蟹、贝等水产动物摄食的光合细菌、单胞藻、轮虫、卤虫等微小水生生物的统称。它是水产动物幼苗的主要食物来源,在育苗生产中发挥着类似于哺乳动物母乳喂养的作用。生物饵料培养学课程是水产养殖学专业和水族科学与技术专业的专业核心课程。它实操性强,学生需通过实验课学习相关技能。针对传统实验教学中存在的问题,多位学者对生物饵料实验课程的教学改革做出了探讨[1-2]。翟林香(2016)将课程划分为光合细菌培养、单胞藻培养、轮虫培养、卤虫培养这4个教学项目,并依托校内实训基地开展理论实践一体化教学[3]。吴志刚(2022)将单胞藻培养课程划分为实验室建设管理、培养技术、经济产物提取、产品设计开发等教学项目,通过线上线下混合式教学的方式,以任务为导向,教学做一体完成培养目标[4]。

作为一种重要的生物饵料,单胞藻在水产育苗中被广泛使用。单胞藻培养实验也是生物饵料培养学的重点实验项目。在实际生产中单胞藻培养可划分为藻种培养、中继培养和生产性培养这三个阶段。藻种培养阶段培养水体小,而中继培养和生产性培养阶段培养水体大,因此在培养方法上有明显区别。例如藻种培养阶段通常采用煮沸法进行培养用水消毒,加入营养盐的方式多为母液法,容器消毒可采用高压蒸汽灭菌法。中继培养和生产性培养阶段一般采用直接溶解法加入营养盐,采用化学消毒法消毒培养用水和培养容器。由于培养水体大,中继培养和生产性培养需要较强烈的光照才能满足单胞藻的生长需求。实际生产中通常采用太阳光作为光源,而普通实验室无法提供阳光直射的培养环境。受光照条件制约,目前本文作者所在学校开设的单胞藻培养实验课为藻种培养实验。虽然课程体系中安排了校外教学实习,但实习内容主要是鱼、虾、蟹、海参、贝类等水产动物的苗种生产。而水产企业所需的单胞藻通常由专门企业生产供应[5],即使在仍保留着单胞藻生产单元的贝类育苗企业,由于单胞藻怕污染、培养操作精细,实习单位通常也不会安排学生从事单胞藻培养工作。因此实习期间绝大多数学生接触不到单胞藻生产过程。这导致学生无法通过实践巩固理论课所学到的单胞藻大水体培养技术。令人欣慰的是,比传统日光灯亮度更大的LED灯为单胞藻大水体培养提供了一种可替代太阳光的可靠光源。本文通过利用LED光源自制了一个培养水体为70L的单胞藻培养装置,把它应用于教学实验,以期通过实验教学使学生掌握单胞藻大水体培养技术。

一、教学研究

(一)培养装置

培养装置如图1A所示,主体是一个玻璃水族缸,附设了照明、充气和加热控温等设备。本装置由本文第一作者自行设计组装,单次可培养单胞藻70L。它结构简单、造价低、占地面积小,利于在实验教学中推广使用。在本次教学研究中被用于盐生杜氏藻的培养(图1)。

图1 教学实验期间自制培养装置培养盐生杜氏藻

(二)教学设计与实施

教学设计如图2所示。首先明确实验目标,即通过实验使学生掌握单胞藻大水体培养技术。实验内容为采用自制培养装置培养盐藻。考虑到学生缺乏实际操作经验,制定了简单易懂的操作流程。2023年3月以青岛农业大学海洋学院20级水族1班同学为教学对象开设了该教学实验。学生参考操作流程,在教师指导下完成实验。根据大水体培养实验的实验内容由本文第一作者设计试题。在实验结束后,通过闭卷考试形式考查学生学习效果。测试题为纸质试卷,题目为8道选择题。除开设了该实验的水族班同学外,未开设该实验的20级水养1班同学作为对照组参与测试。该班与水族班同步开设了生物饵料培养学课程,理论课授课内容和水族班相同。实验课方面和水族班一样,也开设了单胞藻藻种培养实验。

图2 单胞藻大水体培养实验教学过程设计

(三)教学效果与评价

在教师指导下学生顺利完成了各项实验操作,并记录了盐藻细胞密度。在为期8天的培养实验中藻细胞密度增长明显(图1B),镜检时未发现原生动物的滋生,实验效果较理想。答题测试环节水族班、水养班参加考试人数分别为23人和26人。如图3A所示,水养班平均成绩为55.8分,这是因为该班虽然未开设单胞藻大水体培养实验,但通过理论课学习也获得了该实验的相关知识。水族班平均成绩明显高于水养班。独立样本t检验结果表明两班的平均成绩存在显著性差异(P<0.001)。说明实验教学取得显著效果。为了分析错题情况,统计了每个题目各班的单题出错情况[单题出错率=100×(本班所有同学某一题目出错次数/本班所有同学所有题目出错总次数)]。水族班同学出错题目集中。错题主要集中在第3号试题和第8号试题上,其他题目出错较少或无人出错(图3B)。第3题考核的知识点是次氯酸消毒剂消毒海水时所需要的消毒时间,第8题考核的是单胞藻大水体培养装置的光源配置方法。第3题涉及时间,比较抽象。而第8题涉及培养装置组装思路,本次实验教学重点是使学生掌握单胞藻大水体培养的操作流程,所以指导教师未对培养装置做重点强调。因此对水族班同学来说这两道题难度较大。从错题分布上看水族班同学只在难度较大的个别题目上频繁出错,但对于多数知识点有良好的掌握。而水养班同学在所有题目上都出错(图3C),说明该班同学因未做单胞藻大水体培养实验而对所有知识点均未能牢固掌握。

图3 实验课课后测试成绩

二、总结与思考

在生物饵料培养学课程建设领域,虽然有学者提出理论实践一体化,强调实验教学在教学中的重要性[3-4]。但对于单胞藻大水体培养实验教学工作,至今还未见详细报道。目前教材中列出的实验项目仍然是单胞藻藻种培养实验[6]246-252。为了培养新时代高水平复合型人才,青岛农业大学海洋学院对水产养殖学和水族科学与技术本科专业的培养方案做出调整。生物饵料培养学课程的理论课时压缩到24学时,而实验课时增加到16学时。实验课时的增加为实验课教学内容改革提供了契机。本文作者在保留单胞藻藻种培养实验的基础上,开设了单胞藻大水体培养实验,弥补了以往实验教学中存在的短板,使学生完整掌握了单胞藻的培养技术。

工欲善其事,必先利其器。自制培养装置在本次教学研究中发挥了重要的作用。单胞藻大水体培养实验的实验装置需满足两项基本要求。一是操作的简便性。学生并非熟练工人或资深科研人员,对单胞藻培养缺乏经验。同时教学实验课时有限,装置操作简便,学生就能在短时间内顺利完成操作,避免拖堂。二是装置一定要简约经济。本科教学实验不同于实际生产和科学研究,应尽可能减少装置成本,如果装置造价偏高会阻碍其在教学工作中的推广使用。本研究中采用的自制装置基本上满足了这两项要求,但还存在改进余地。因为其改进思路和措施并非本研究的研究重点,在本文中不再赘述。

本实验是一个综合性实验。在实验中学生要学习培养容器的化学法消毒、培养用水的化学法消毒及中和处理、直接溶解法添加营养盐等多项操作。因此指导教师需提前制定一个简单易懂的书面实验流程,使学生可以通过参考操作流程进行预习和实验操作,减少不必要的时间消耗,从而能在有限的课时内完成实验任务。另外,在预习和实操过程中使用预先拍摄的操作视频,也有助于学生理解操作流程的含义,保证实验的顺利进行。

随着网络信息技术的飞速发展和素质教育的不断深入,本科生的知识面更宽广,获取知识的渠道也更多样化,学生主动获取知识的能力有了明显提升。另一方面,由于学生参与日常劳动的机会少,动手能力明显下降。在教学实践中本文第一作者发现缺乏动手能力在本科阶段具有普遍性。虽然线上课程和虚拟仿真实验教学等信息化、智能化教学技术的引入可明显提升教学质量和效率,但线下实验教学仍具有不可替代性,甚至可以说在新教学技术推广应用的背景下线下实验教学的重要性越发凸显。首先,实验教学能够培养学生的动手能力,使学生摆脱眼高手低的窘境,增强学生的自信心。其次,理论课获取的知识在实验过程中得到印证和实化,可以激发学生的学习兴趣,使学生真正掌握所学知识。另外,实验过程中小组成员配合协作共同完成实验目标,有利于培养学生沟通合作能力。因此,在推广线上课程、虚拟仿真技术等新教学手段的同时,教学工作者不应忽视线下实验课的改进。针对单胞藻生产日趋产业化这一新情况,本文作者尝试开设单胞藻大水体培养实验,旨在完善生物饵料培养学实验课程体系,希望能够对该课程的教学改革有所裨益。

三、结语

南宋诗人陆游曾有诗句“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。而明代学者王守仁也提出了“知行合一”的观点,强调实践的重要性。在网络资讯高度发达、人工智能技术飞速发展的当代,本科学生获取知识和技能的渠道日益拓宽,但线下实验教学在课程体系中仍具有不可替代性,开展线下实验教学课程建设仍势在必行。本文作者尝试开展单胞藻大水体培养实验教学研究,期待能够为相关工作提供参考性资料。