海洋生態學實踐教學的系統模型館建設

龍 寒， 吳家法， 禤金彩， 吳 霜， 何秀苗

(廣西民族大學 海洋與生物技術學院， 廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室， 南寧 530006)

海洋生態學實踐教學的系統模型館建設

龍 寒， 吳家法， 禤金彩， 吳 霜， 何秀苗

(廣西民族大學 海洋與生物技術學院， 廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室， 南寧 530006)

為進一步開展海洋生態學實踐教學，設計規劃了以仿真模型為基礎的海洋生態系統模型館。該模型館利用仿真模型將六大海洋生態系統進行室內還原，實現了海洋生態實踐教學尤其是野外調查模擬實踐活動的可持續開展。文章敘述了模型館的設計理念和方案，討論了基于仿真模型的實踐教學方式及其實際意義。實踐表明，以模型輔助教學的教學模式由于其價格低廉、重復使用性強等特性而易于推廣，對自然科學的實踐教學、理論教學以及科普宣傳工作均起到了借鑒作用。

海洋生態學; 實踐教學; 仿真模型

0 引 言

我國作為海洋大國，擁有廣泛的海洋戰略利益，我們要提高海洋資源開發和保護海洋生態環境能力，推動海洋經濟和循環利用型轉變，同時要大力發展海洋科學技術，推動海洋科技向創新引領型轉變[1-2]。

隨著國家對海洋科學人才數量和質量需求的不斷提高，我國高等海洋教育的規模不斷擴大發展[3]。目前，清華大學、中山大學、浙江大學、廈門大學等近30所普通全日制高校已設立有獨立的海洋學院，更多的院校開設了海洋科學相關專業。

海洋科學是實踐性很強的學科，充分的實驗教學和野外調查實踐是海洋科學教育的必要手段[4]。與普通生態學實踐教學不同，海洋生態學實踐教學尤其是野外調查實踐部分，由于海洋生境的限制，必須借助于船舶、潛水裝置、水下攝影機等昂貴的儀器設備，高額的費用成為眾多院校實踐教學的受限因素。為此，提出建設一個海洋生態系統模型館，利用模型輔助教學，積極配合海洋生態學實踐教學工作的開展。

1 模型館的構成

模型館以南海海域為模板，以水深為標尺，構建從陸架到洋盆的地理形態，選取亞熱帶海域典型海洋生態系統：紅樹林(mangrove)、海草床(seagrass beds)、珊瑚礁(coral reef)及遠洋(pelagic zone)、海底冷泉(cold seep)、海底熱泉(hot spring)6大典型海洋生態系統為主體進行建設(見圖1、2)，各系統通過還原展示生境、物種及物種行為，對其種內種間關系、一般食物網、能流特點及生態功能進行詮釋。

圖2 模型館平面布局圖

1.1 仿真紅樹林生態系統

該系統仿制林下細質沖積土及下部黑色軟泥、土壤孔洞(即底棲動物挖掘洞穴)，制作土壤橫斷面以觀察其構成及泥灘穴居動物；地面上層安裝白骨壤、秋茄、木欖、桐花樹、鹵蕨等植被模型；林下布置底棲動物(如附著動物：牡蠣、藤壺、小藤壺；樹棲動物：黑口濱螺、黑蕎麥螺；兼樹棲動物：珠帶擬蟹手螺，泥棲動物：沙蠶、星蟲；兼泥棲動物：細弱胡桃蛤、菲律濱滿月蛤；土表動物：貝類、青蟹等；穴居動物：蟹、蝦、蝦蛄、魚類)、鳥類(灘涂取食鳥類：白鹡鸰、黑卷尾、池鷺、白鷺、黃葦鳽、朱頸斑鳩；林冠取食鳥類：白鹡鸰、黑卷尾、紅耳鵯、黃腹鷦鶯、暗綠繡眼、棕背伯勞)等[5-7]。

該系統通過重點還原紅樹植物根系(支柱根、板根、呼吸根)以詮釋其對海岸保護作用、提供魚類繁育場所等重要生態功能。

1.2 仿真海草生態系統

該系統仿制沙質灘涂(喜鹽草和無橫脈喜鹽草生長)和泥質灘涂(二藥藻和日本大葉藻生長)，并于其上安裝海草(喜鹽草、無橫脈喜鹽草、二藥藻、日本大葉藻)；根據生活方式放置小型固著生物(藻類、水螅、螺、小管棲多毛類、端足類)、大型底棲動物(珠帶擬蟹守螺、秀麗織紋螺、克氏銼棒螺、縱帶灘棲螺、異足索沙蠶、凸鏡蛤和扁平蛛網海膽)、經濟海洋動物及其幼體(馬氏珠母貝、刀額新對蝦、脊尾白蝦、細螯沼蝦)及以海草為食的海洋哺乳動物(儒艮)等模型[8-10]。

該系統通過還原海草葉片形態、根系(通過制作一塊活動的透明土壤實現泥下根系狀況的觀察)、植株橫縱切面顯微結構、植株生長繁殖過程特征，以表現其穩定底質、減緩水流穩定海岸、促進沉淀凈化水體等重要生態作用。

1.3 仿真珊瑚礁生態系統

仿真珊瑚礁生態系統在人工礁石的基礎上安裝各類珊瑚的仿真活體和白化體(如杯形珊瑚、鹿角珊瑚、石芝珊瑚、鐵星珊瑚、菌珊瑚、濱珊瑚、枇杷珊瑚、裸肋珊瑚、蜂巢珊瑚、褶葉珊瑚、梳狀珊瑚、丁香珊瑚等)；根據生活方式布置珊瑚礁魚類(包括古氏魟、密花裸胸鱔、叉尾頜針魚、孔雀鱗魚、條新東洋鳂、紅鰭冠海龍、中華管口魚、輻紋蓑鮋、斑點九棘鱸、九絲天竺鯛、平線若鲹、藍黃梅鯛、四帶笛鯛、東方胡椒鯛以及珊瑚礁健康程度的指標物種——蝴蝶魚等)，布置珊瑚礁礁棲動物(如海綿、海葵、柳山湖、水螅珊瑚、蒼珊瑚)及其他海洋動物(如蝦、蟹、管蟲、海百合、海星、海膽、海參、海鞘、玳瑁、鯊)等模型[11-14]。

該系統通過表現珊瑚礁的物種豐富度及多樣性，一方面展示出了海洋生物群落中的各種種間關系，另一方面詮釋了珊瑚礁對于生物多樣性保護的重要意義。同時，利用模擬健康珊瑚與白化珊瑚的生境進行對比，表現出當前全球環境給珊瑚礁帶來的巨大威脅。

1.4 仿真遠洋生態系統

模型館中央以穹頂模擬大洋表層水域，通過軟膜天花投射光線變化演示各類浮游生物(藻類及浮游動物)及其季節性變化。從穹頂到地面的空間作為大洋水體，選擇身體特征明顯的生物懸掛放置，以體現深海動物對環境的適應機制。其中，光照帶選擇浮游生物放大模型、鳳尾魚、藍鰭吞拿、泛熱帶點斑原海豚、藍鯊；昏暗帶選擇磷蝦、烏賊、櫛水母、燈籠魚、銀斧魚；黑暗帶選擇鮟鱇魚、寬咽魚、蝰魚、紅蝦、深海烏賊及深海底棲動物海蛇尾、海星、海膽、海綿、海百合、海鞘、鼠尾魚等進行布置[15]。洋盆放置鯨遺骸模型，布置盲鰻及菌叢[16]。

該系統展示了大洋食物鏈，展示了各水層海洋生物，表現出海洋生物對環境的適應機制及洋盆底棲生物多樣性。通過電子遙控模擬海洋雪及游泳動物的晝夜垂直移動行為，以表現遠洋深海的食物供應方式。

1.5 仿真海底冷泉生態系統

系統選擇太平洋活動俯沖帶冷泉為模板進行構建，制作初級生產者(甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌)及其高倍放大模型、一級消費者(管狀蠕蟲、蛤類、貽貝、多毛類、海星、海膽、海蝦等)、二級消費者(魚、螃蟹、扁形蟲、冷水珊瑚等)及分解者(線蟲等)，制作冷泉自生礦物(方解石、文石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦、重晶石、石膏、自然硫)等模型。

該系統著重表現其化能自養的特殊性，表現低多樣性和高生物量的群落特征，表現活動冷泉與死亡冷泉的差別，表現冷泉的豐富可燃冰及礦物資源，并利用電子遙控模型模擬冷泉資源開采行為。

1.6 仿真海底熱泉生態系統

該系統通過部分模型結合壁畫表現出分布于太平洋洋中脊的眾多海底熱泉(包括金屬硫化物煙囪的活動煙囪體及靜止煙囪體)，并通過在活動煙囪體內部通過安裝遙控聲光電子系統，模擬熱泉在高壓下的涌出狀態。與仿真冷泉生態系統一樣，制作完整的熱泉生物食物鏈模型(硫化細菌菌墊、管蟲、貽貝、藤壺、盲蟹、盲蝦、綿鳚等)。 另外，遙控潛深器將用來模擬深海采樣等多項調查行為。

該系統通過表現不依賴光能的特殊食物鏈，呈現出生態系統的另一個特殊形態，并由此引發地球生命起源可能性的新討論。

2 模型館的應用及意義

2.1 模型館的應用

(1) 應用于實踐教學。模型館將自然生態環境以模型形式進行室內還原，讓學生無需走出校門就可以進行模擬野外實踐調查。

以珊瑚礁物種多樣性調查為例，對仿真珊瑚礁進行種類鑒定、優勢類群統計分析、多樣性指數分析等調查工作。采用截線樣條法、以模型為一條斷面進行樣方設置，對各樣方拍照記錄后，在電腦上進行群落信息判定，對照珊瑚分類學文獻“中國動物志—造礁石珊瑚”進行珊瑚種類鑒定及數量統計。

通過鑒定及統計出的數量，可以以各屬石珊瑚重要值(IV=RA+RF+RC)為指標分析石珊瑚優勢類群，可以進行物種多樣性指數分析(Simpson指數、Shannon-wiener指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數，最后以模擬生境條件分析統計結果。

(2) 應用于理論教學。利用模型館，實現了實地教學。教師將教學活動從課堂轉移至相關“自然環境”，使教學行為從文字、圖片、視頻跳躍出來，提高了理論知識的直觀性和交互性。同時，可以進行海洋生態學微課制作。微課，是構成微課程的重要元素，微課程是MOOC的藍本，而MOOC是全球教育發展的必然趨勢。微課由于其短小精干、重點出突、形式多樣、內容活潑且容量較小易于傳播而受到學習者們的親睞，利用模型資源拍攝制作微課或鼓勵學生制作微課，一方面增加了微課的活潑性，另一方面促進了學生的學習自主性，并以此總結出適合“翻轉課堂”的微課制作方式。

(3) 應用于科普宣傳。截止2015年5月，由中國海洋學會建立的全國海洋科普教育基地已產生46家，在這些教育基地中，有的以活體海洋生物展示為主體(海洋館、海底世界)，有的以標本展示為主體(海洋博物館、海事博物館)，有的以實驗室為科普教育主體(科研院所及高校研究室)。本模型館以典型海洋生態系統為單位，展示海洋生物與生境的生態關系，具有鮮明的特色。筆者認為，通過“實地參觀”海洋生態系統一方面增加了參觀者的海洋科普知識，另一方面通過直觀比較健康系統與死亡系統的差異，體會人類行為給海洋生態環境帶來的巨大影響，能更好地提高參觀者的海洋保護意識。

2015年7月，國家海洋局印發《國家海洋局海洋生態文明建設實施方案》(2015-2020年)，要求沿海各級海洋主管部門和局屬各部門單位切實提高認識，把落實《實施方案》當作“十三五”期間海洋事業發展的重要基礎性工作抓實抓牢，將海洋生態文明建設貫穿于海洋事業發展的全過程和各方面，推動海洋生態文明建設上水平、見實效。海洋生態系統模型館將積極配合這一方案，在教學使用以外實行定期對外開放，切實做好海洋生態文明建設的教育和宣傳工作。

2.2 模型館的意義

(1) 還原生態系統，讓更多的學生得以走近海洋。目前，由于設備及資金限制，海洋生態實地調查及采樣研究在大多數高校中無法普及開展，海洋生態學實踐教學僅能實現基礎實驗部分，遠遠無法滿足實踐教學需要。模型館以其特殊的還原功能，將水下世界搬到室內，讓所有的學生足不出戶就走近海洋、開展調查活動，真正做到了讓學生“到自然中去”“在自然中探究自然、在自然中學習自然”，充分貼合了自然科學的實踐教學理念。

(2) 應用仿真模型，實現調查活動的可持續發展。相對于實物標本而言，仿真模型具有低價、易保存、更真實還原活體生物(尤其是水生生物)及可進行發光、遙控改造等優勢。模型的廣泛應用一定程度上減少了標本(尤其是珍惜動物標本)的使用，緩解了環境壓力。與單純的標本展示相較，完整生態系統能為實踐教學提供模擬實驗場地和實驗素材，并且以其材料的特殊性，保證了模擬實驗場地的無限次及無限頻率使用，實現了海洋生態學調查實踐活動的可持續發展。

(3) 改變傳統理念，構建海洋生態學三維教學模式。模型館使教學活動從課本、屏幕、單純操作中跳出來，通過讓學生“實地觀察”、“親身體驗”，激發學生自主學習、主動調查的學習和實踐興趣，充分調動教師和學生的學習積極性，形成了在觀察中學習、在學習中觀察的教學方式，構建出海洋生態學的“三維教學”模式。利用該模型館將由實驗室內操作的單一活動讓位于形式多樣、內容豐富的立體式教學活動，把實踐、講授和討論緊密連系在了一起，實現了"知識與能力，過程與方法，情感、態度和價值觀"的三維教學目標，充分發揮出了實踐教學中教師的主導作用及學生的實踐主體地位。

(4) 控制建造成本，使模型館更易推廣。本館就場地投入而言，使用了120 m2的室內面積、420 m3室內空間、154 m2內墻面及77 m2外墻面，構建了6個典型海洋生態系統(如圖2)；就建設資金投入而言，除生物模型外，本館投入預算為10萬元，生物模型按材質及仿真度不同，價格差別較大，以玻璃鋼高仿模型計算成本約為12萬元；就后期維護費用而言，模型館除館內定期清潔及通風系統用電外，幾乎不產生后期維護費用,這使得模型館易于在高校中推廣。

3 結 語

綜上所述，建設海洋生態系統模型館對于開展海洋生態學實踐教學有著重大的意義和作用。以模型輔助教學的教學模式可以在自然科學教學中進行推廣。模型館的建成，不僅有利于教學活動的進一步開展，亦能服務于社會，通過教育宣傳提高公眾海洋意識，為實現海洋強國的戰略目標貢獻力量。

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·名人名言·

只有嚴格的專業化能使學者在某一時刻,大概也是他一生中唯一的時刻,相信自己取得了一項真正能夠傳至久遠的成就。今天任何真正明確而有價值的成就,肯定也是一項專業成就。

——馬克斯·韋伯

A study on the Construction of a Marine Ecosystem Model Lab Based on Practical Teaching in Marine Ecology

LONGHan，WUJia-fa，XUANJin-cai，WUShuang，HEXiu-miao

(Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Utillization of Microbial and Botanical Resources, School of Marine Sciences and Biotechnology, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530007, China)

In order to carry out the practical teaching of marine ecology, a marine ecosystem model lab based on the simulation model is designed. In this lab, six major marine ecosystems are reproduced indoors by using the simulation model, and it makes the continuous development of marine ecological practical teaching to be possible, especially, in the field survey. This paper described the design concept and design scheme of this model lab, and discussed the practical teaching mode based on the simulation model and its practical significance. We believe that the model-teaching mode will be easy to popularize because of its low cost and repeated usage, and it will be hopeful to serve as a reference for the practical teaching, theoretical teaching of natural and popular science propaganda.

marine ecology; practical teaching; simulation model

2016-03-20

廣西民族大學校級科研項目(2016MDYB027)

龍 寒(1979-) ，女，廣西河池人，碩士，實驗師，主要從事實驗教學及實驗室管理工作。

Tel.：13737035200；E-mail：longh00@163.com

何秀苗(1975-)，女，廣西東蘭人，博士,教授， 研究方向：微生物與免疫學。E-mail:Xiumiaohe0839@sina.com

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0250-04