海洋微生物學復合型人才培養實驗課程改革探究

郭 靜， 程斯宇， 張傳倫

（南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055）

0 引 言

海洋強國，是中國特色社會主義建設事業的重要組成部分。習近平同志在黨的十九大報告中指出：“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國。”海洋強國需要培養大量適應社會需要的復合型海洋技術人才［1］。海洋作為地球上巨大的資源寶庫，其復雜性和遼闊性造就了物種的豐富性，而海洋微生物在整個海洋生態系統中起著重要的作用。在當前的海洋科學研究領域中，微生物技術（特別是古菌技術）發展迅速，在海洋資源開發與利用、深海藥物、海洋碳循環、海洋污染與修復和海洋生命演化研究中應用廣泛。同時，海洋生物產業的發展與生命健康和環境工程等新興經濟產業的發展、培養海洋相關領域交叉復合型人才是發展海洋生物產業的重要支撐和保障。高校應進一步完善海洋涉海專業人才培養方案，滿足海洋強國戰略對交叉型、創新型和復合型海洋新工科的人才培養需求。

1 海洋微生物學教學現狀

高校培養復合型海洋人才需要依托系統性的海洋專業課程，在涉海專業中海洋微生物學研究領域廣泛（見表1），更是重要的基礎課，而實驗教學是提高高等教育質量的一個重要切入點［2-3］。同時，海洋微生物實驗的一些研究成果具有產業轉化價值，能夠服務地方經濟［4］。然而，作為海洋微生物學教育中的重要組成部分的微生物學實驗，實際上并沒有得到應有的重視。

目前海洋微生物學實驗課程多采用普通微生物學實驗作為實驗內容，而涉及海洋微生物的方向較少，缺少與海洋生物環境的密切聯系，即缺乏“海味”，主要以淡水或者陸源生物為主［16-18］；教學模式單一，各個實驗之間的聯系較少，主要以驗證性實驗為主，很難幫助學生建立起“主動且感興趣”的態度；不能將學生帶入主動的思考模式：為什么要做這個實驗，這個實驗可以解決哪些問題，是否有更合適的方法來解決這一問題？在實驗課程結束后，學生很難掌握到查閱文獻、設計實驗、撰寫規范的實驗報告或科研小論文等能力。很多學生只是將實驗課看作是實驗技能的學習，從主觀上沒有將實驗課與科研思維及科研習慣相關聯［13，18-21］。此外，實驗教學面臨“僧多粥少”的困境，學生人數較多，教師和儀器數量不足，每個實驗3或4人1組，有的實驗甚至8或9人1組共用儀器，不能讓每個學生充分地進行實驗操作，造成學生動手能力差，教學效果不佳等問題［16，19，22-23］。

我校是國家高等教育綜合改革試驗學校，是一所具有鮮明時代特色和改革創新精神的大學，位于海洋中心城市深圳，孕育于這一特定的海洋文化環境中，始終堅持“頂天立地”，即學術上訓練學生前沿科學思維，做到“頂天”；研發的成果要和當地的戰略性新興產業接軌，讓學生學以致用，做到“立地”；這與深圳這座創新型城市對科技創新、技術發明和應用的重視相呼應。我校海洋系已經從全球引進匯聚了具有國際視野的高水平師資隊伍，致力于在重大國際海洋科學與工程問題上取得突破性研究成果和為國家培養海洋科學與工程技術高端人才。海洋系本科教學實驗室已配備熒光定量PCR儀，熒光顯微鏡，超速離心機，總有機碳分析儀，Dionex ASE加速溶劑萃取儀等大型儀器，這些支撐條件對于海洋微生物實驗教學改革營造了優異的環境。

基于此，我校海洋系海洋微生物類課程教研組依托2016級班級對教研結合的啟發式教學模式、學科交融課程內容和小班教學方式開展了課程改革實踐。在以往的教學模式上推陳出新，關注生命演化重大科學問題，開辟新興學科方向——古菌海洋學，開發挖掘海洋微生物資源，采用高端海洋技術（無人機采樣）和先進高端實驗平臺（熒光顯微鏡，qPCR儀，離子淌度等），充分利用校內外的優質資源，突出涉海學科交叉融合培養，探索海洋科學與先進機械設備跨界合作，從而提高學生在海洋微生物學實驗課上的積極性，讓學生們切實掌握實驗技能，成為具有良好科學研究素養、科學創新精神與潛質，具有全球視野和社會責任感、未來能在海洋相關學科領域起引領作用、具有創新精神和實踐能力的高素質拔尖海洋復合型人才，為大灣區海洋經濟加速發展注入新活力。

2 課程改革實踐

海洋微生物學實踐課程主要是以科教結合為主體，具有多門學科交叉教學內容，并采用小班教學的授課方式。科教結合聚焦于海洋微生物學術前沿課題，有助于激發學生的學習興趣，豐富學生的前沿知識，擴展學生的眼界，在基礎實驗技能之外，提高學生數據整理的能力，文獻查閱能力和學術論文書寫能力。多學科知識交融是本課程內容的一大亮點，一方面給予學生解決具體科學問題的機會，以提高其綜合能力；另一方面，能夠使學生的技能和知識更全面，培養學生多角度看問題的能力。小班教學能夠給學生提供更好的實驗環境和更多的實驗操作機會，有利于提升學生實驗素養。

2.1 教育與科研相結合的啟發式教學模式，培養專業創新人才

學科的發展與相關科學研究的進展相輔相成。學科發展良好能夠提供優秀的科研人才，反過來，科研內容又可以促進實驗教學內容的更新和教學質量的提高。傳統實驗教學模式以“灌輸式”教育為主，大部分實驗的準備工作是任課教師或助教來完成，在課堂上學生則照本宣科按照實驗講義中的實驗步驟做實驗，很少思考實驗的科學研究背景和意義。這種教學模式不利于學生研究和創新精神的養成，也無益于學生實踐動手能力的提高和學科的建設［24-25］。

海洋實驗課應當建立在具有科學研究意義的課題上。近年來海洋生物技術發展迅速，但海洋微生物方面仍舊有很多亟待解決的科學問題。比如海洋環境中存活的非培養狀態（Viable but non-culturable，VBNC）微生物的基因組信息尚有大片空白。這類微生物存在于無光、低溫、高鹽的環境中，它們在海洋生態所發揮的作用少為人知。在確定培養的海洋微生物是“死”還是“活”的時候，直接鏡檢計數法獲得的數量往往比常規培養計數法的結果高很多倍［26］，而導致這種現象的原因并不清楚。此外，研究發現，雖然4℃保存是陸生細菌最常用的臨時保存手段，但是許多海洋微生物在4℃中保藏1周后就無法繼續傳代培養。因此，海洋微生物的保存一直也是海洋微生物學家面臨的重要難題之一［27］。近年來，粵港澳大灣區經濟飛速發展的同時，其海域生態環境問題日益嚴重，赤潮等水體環境事件多發。因此，對珠江口水體生態系統的檢測、研究和保護迫在眉睫。河口及毗鄰海域作為海陸交互最為活躍的區域，是碳氮硫磷等生物地球化學元素循環較為活躍的區域［28］。同時微生物（包括細菌和古菌）個體雖小，但生物量極大，占海洋（包括河口）生物總量的90%以上，是海洋碳氮循環的主要驅動者，也是海洋生態系統平衡的最主要維持者［29-30］。古菌作為與細菌、真核生物并列的第3種生命形式，是海洋微生物的重要組分，廣泛分布于各種海洋環境，在碳、氮、硫等元素的生物地球化學循環和地球生命演化過程中扮演著極為重要的角色。海洋中的有機碳由顆粒有機物（POM）和溶解有機物（DOM）組成。海洋古菌II（Marine Group II，簡稱MGII）是海洋表層水體中最豐富的古菌類群［31］，既能降解POM為DOM，同時也具有吸收利用DOM和無機碳的能力［11，32-34］。因此，MGII古菌的研究對于全球海洋碳氮循環意義重大，而邊緣海區域MGII的研究對于理解MGII的生態功能尤為關鍵［34］。

針對上述科學問題，我校海洋系海洋微生物類課程教研組圍繞上述前沿科學問題來設計實驗內容，學生通過前半個學期（28課時）開展海洋嗜鹽古菌基礎實驗，具體方案如表2所示，開辟古菌海洋學這一新興學科方向。

表2 海洋微生物學基本技能操作實驗教學內容

雖然部分基礎實驗與現有的項目有相似之處［35-36］，但具體內容上有較大改變，突出了“海味”。傳統微生物學教學實驗均使用經典教學菌種，如大腸桿菌、釀酒酵母或黑曲霉等微生物。本實驗采用了1株從地中海分離的Haloferax mediterranei ATCC 33500（地中海富鹽古菌）作為海洋菌種。將生物的三域系統之一的古菌，這一新興熱點研究菌種引入到本科教學實驗，極大地提高了學生們的海洋微生物熱情。配置培養海洋嗜鹽古菌最常用的AS-168液體和固體培養基，將菌液采用三步劃線法進行活化后，利用分光光度計，測定600 nm處的吸光度，進行其生長曲線測定，最后進行嗜鹽古菌保種。雖然是基本技能操作實驗，但為了使實驗更具有系統，按照事物發展的規律安排實驗項目，將孤立、連貫性不強的實驗內容整合到一起，形成環環相扣的綜合實驗體系，有利于培養學生嚴謹的學習態度和邏輯思維。且引入高端儀器-熒光顯微鏡，使學生對海洋微生物基礎知識有實質性掌握。

在實驗結束的最后一周（第16周）是課程匯報與討論環節，學生根據前期所學內容和大量查閱文獻，大膽提出科學問題。老師引導和鼓勵學生積極參加科研課題與項目，使得實踐能力較好的學生能夠申請專利或發表論文，獨立承擔部分課題實驗。同時將海洋微生物學課程實驗、項目撰寫與畢業論文有機地結合在一起，可有效提高學生的創新意識、培養學生的創新能力，移默化中鼓勵學生進入科學研究的殿堂［4］。

這種教學與科研的結合、教與學的互動是培養學生自主學習和創新意識的有效途徑，能提高學生的科研積極性，喚醒學生的創新意識。教師做適時引導，引導學生在掌握常規海洋微生物實驗外，進一步與海洋生物技術相結合，做更深層次的探索，從內心激發學生對海洋微生物的興趣。

2.2 設計學科交融課程內容，培養復合型人才

海洋微生物學實驗課程是培養學生動手能力、獨立思考能力、團隊合作能力和開拓創新能力的重要平臺［22］。現有的實驗教學內容陳舊，主要圍繞著理論課教學，照本宣科，內容大部分為常用儀器的操作、注意事項。教學內容陳舊，學生的學習興趣被局限，最終的教學效果也自然而然地被局限［18，25，37］。在海洋微生物學的實驗課程中，不僅要讓學生系統地掌握海洋微生物學實驗的主要方法與技術，同時也要培養其學科交叉的實驗思維［22］。

MGII近年來在藻類爆發頻繁的河口及邊緣海區域的有機碳轉化過程中，發揮著重要作用。但目前對于珠江口區域不同MGII古菌類群在不同時間上分布的變化規律及與藻類爆發過程之間的關系缺乏系統性的監測。當前對于海洋水體微生物研究的樣品采集主要通過參加船載航次，人工完成水體樣品的采集。該采樣過程對采樣條件要求較高，費時費力，很難對珠江口MGII分布及藻類關系等生態過程開展長時間、大規模的觀測研究。在較短時間內完成水體樣品的大量采集，一直以來是海洋微生物研究面臨的一個重要課題之一。

無人飛行器技術發展迅速，在植保，巡線，火災預警，快遞等行業具有廣泛的應用。多旋翼無人飛行器操作簡單，起降不受場地限制，在海水取樣的科學研究中有巨大的發展空間。飛行器搭載海水取樣裝置，可實現精確地點的重復取樣、多點同時取樣和長時間不間斷取樣等取樣方式，傳統方法很難實現。2018年，我校海洋科學與工程系采用無人機陣列進行海水取樣研究，經過2年多的研發測試，定制開發了EMC50無人機陣列智能海水取樣設備，并將這一前沿科學內容引入海洋系本科教學中。在本教學方案海洋微生物學基礎實驗項目結束后（第8周），安排學生到珠江口桂山島附近海域，利用無人機飛行器對采集大灣區海水樣品，給學生傳授無人機設計與應用所需的知識與技術，通過實踐培養學生科研熱情。

海洋系教改組將自主研發的無人機融入海洋微生物本科實驗，旨在突出涉海學科交叉融合培養，探索海洋科學與機械設備跨界合作，培養專業化、復合型、應用型海洋科學研究和工程技術高端人才。為此設計了利用無人機采水系統對大灣區古菌生態功能監測綜合實驗，該綜合實驗設計框架圖如圖1所示。

綜合實驗共分為7個步驟：

步驟1利用無人機飛行器采集大灣區海水樣品

（1）需解決的問題。①現有無人飛行器機載的海水取樣裝置有什么優勢？②微生物無處不在，怎么避免你取的海水樣品是第一時間的原位樣品，且沒有被污染？③微生物肉眼不可見，怎樣在野外快速獲得不同大小的微生物樣品？④從海上到陸地實驗室，一般路程較遠，那采集回來的野外樣品，怎樣完好地運輸回實驗室？

（2）實驗內容。利用學校自主研發的無人機采水系統對研究水域進行多個樣品的同時采樣。采取的海水樣品低溫保存（4℃）一部分用于海洋微生物的分離培養，其余海水經過20 μm孔徑濾膜（Millipore GTTP，聚碳酸酯，47 mm直徑）過濾后，再依次通過0.7μm孔徑濾膜（Whatman GF/F，玻璃纖維素，47 mm直徑）和0.22μm孔徑濾膜（Millipore GSWP，聚碳酸酯，47 mm直徑）收集微生物細胞。0.7μm孔徑濾膜上收集的細胞用于分析顆粒物上粘附的古菌和細菌微生物。0.22 μm濾膜上收集的細胞主要進行游離細菌和古菌的DNA分析。分級過濾后海水保存（-20℃）一部分用于水質檢測。同一濾膜等分成兩份，一份在野外置于50 mL凍存管中于液氮中臨時保存。采樣結束后，放置有濾膜的50 mL離心管置于-80℃冰箱中保存直至DNA提取［38］。

步驟2海洋微生物培養基的配置與滅菌

（1）需解決的問題。①微生物生長“吃”什么？如何給微生物“做飯”？②給微生物做的飯為什么要無菌？怎么確保完全無菌？③實驗操作為什么要在超凈工作臺進行？怎樣給超凈工作臺進行消毒？④消毒等于滅菌嗎？

（2）實驗內容。人工海水配制、固體培養基（用于分離純化海洋微生物）、試管斜面培養基（用于分離微生物的保藏）、液體培養基（用于微生物的培養）、生理生化培養基（用于微生物的生化鑒定）、培養基和微生物實驗器皿高壓蒸汽滅菌、陳海水過濾除菌，超凈工作臺的消毒。

步驟3海洋微生物的分離純化

（1）需解決的問題。①有無辦法讓“不可見”的微生物變得“可見”？②怎么讓微生物長起來？

（2）實驗內容。樣品液體培養基接種（無菌操作），倒平板，平板劃線接種和平板涂布接種，培養箱倒置培養。

步驟4海洋微生物熒光顯微鏡觀察與計數

（1）需解決的問題。①為什么要用熒光顯微鏡進行海洋微生物樣品計數，普通光學顯微鏡不行嗎？②微生物本身有顏色嗎？為什么加了染色劑，微生物就有顏色了？③怎么確定海洋微生物是“死”的還是“活”的？

（2）實驗內容。吖啶橙直接顯微鏡計數（Acridine orange direct count，AODC）。量取一定量的新鮮水樣（10 mL），用吖啶橙（終濃度0.01%）染色（3～5 min），放置濾膜，抽濾，用無菌水沖洗過濾器內部，制片后將濾膜放置于熒光顯微鏡下檢測，對所拍照片進行直接計數（可根據情況進行手動數數或自動數數）。

步驟5濾膜DNA提取、擴增及瓊脂糖凝膠電泳

（1）需解決的問題。①DNA是否有顏色？是否看得見？②怎樣評估DNA濃度和純度？③有什么原因會導致DNA提取量低和DNA樣品不純？④PCR是什么？為什么要進行PCR和瓊脂糖凝膠電泳？

（2）實驗內容。微生物總DNA從沒有加入RNALater保存液的濾膜上提取。將濾膜置于液氮中剪碎并研磨后，使用Fast DNA SPIN for soil試劑盒（MP Bio medicals，LLC）提取。利用PCR技術制備基因片段。瓊脂糖凝膠電泳實驗。

步驟616S基因與功能基因定量PCR

（1）需解決的問題。①熒光定量PCR是用來干什么的？，它和普通PCR有什么區別？②qPCR是如何進行定量的？

（2）實驗內容。定量PCR（qPCR）技術是目前一種常規且可靠的測定微生物豐度的技術。通過特異的引物Ar787f/Ar915R和GII554f/Eury806r使用qPCR技術分別完成古菌總類和MGII的定量［38］。

步驟7基因組分析與生命演化分子鐘理論學習

（1）需解決的問題。①為什么要進行基因組分析？②怎樣進行基因組分析？③數值建模和生命演化有什么聯系？

（2）實驗內容。基因組測序的序列經過組裝拼接獲得基因組片段。然后將樣本序列mapping到這些片段上，用MetaBat構建基因組集。通過CheckM評估每個集的質量，并用Megan等進行基因組集的注釋。對于特殊基因組集進行更細致的重組裝優化，并進行基因標注。隨后將每個樣品對應的宏轉錄組序列mapping到這些基因組集上，從而分析每個樣本中基因表達情況。在此基因表達集合的基礎上進行網絡融合和網絡模塊化分析［38］。

無人機單機操作簡單，但海水樣品采集系統性強，學科交叉融合實驗設計既能激發學生興趣，訓練本科生掌握無人機陣列采樣技術，又能給予學生解決具體科學問題的機會，以提高其綜合能力。無人機系統在海水樣本采集上的應用還比較有限，讓學生參與探討無人機在海上的其他應用，本身就是極佳的教學案例。在教學過程中，學生往往缺乏成熟的出航經驗，實際工作中還需面臨海面上潛藏的各種危險。在實驗課上使用先進的無人機采樣技術，不僅為學生獲取海水樣品帶來了巨大的便利，比如可以快速、低成本地獲取具有時間序列特征、空間梯度特征等優良的海水樣本和水化參數。而且還能規避出航工作的危險。較低的采樣成本讓院系有足夠資金支持盡可能多的學生參與科研過程。

通過室內實驗提取的濾膜DNA，學生利用qPCR和宏基因組測序技術，獲得MGII古菌的群落結構模型。將水理化參數、鹽度梯度模型以及與古菌群落結構模型結合分析，得出它們的相關性特征，并總結分析MGII群落受環境影響的因素以及它們對環境造成的影響，從而為珠江和其他河口地區的環境改善提出方案。實驗內容的豐富程度遠遠超過傳統的實驗教學，充分發揮了學生的主觀能動性，對于學生科研素質與實際應用能力的提高具有積極的作用。

無人機系統在教學中的應用不僅可以為學生研習海洋提供巨大的便利，而且有利于培養國家與地區亟需的海洋微生物復合型人才和既有理論又懂實踐、有較強社會適應能力的創新型人才。此外，在教學過程中，把前沿的海洋微生物學研究手段、熒光顯微鏡和qPCR等技術增加進實驗課程，同時加強與課程銜接的實驗和實踐性課程模塊建設，擴展課程內容的廣度和關注度，豐富教學資源。學生在實驗過程中不僅能夠了解并掌握基本的微生物學實驗技能，同時也能提高學生的綜合能力與創新意識。

2.3 小班特色教學，以學生為中心，體現學校辦學特色

由于高校招生人數不斷擴增，而教學經費有限，教學實驗室很少購置新儀器，很難實現1或2人使用1臺儀器。雖然分大組進行實驗對團隊合作是一種鍛煉，但某種程度上不能讓每人都能嘗試所有的實驗操作，因此，實驗效果不能很好地覆蓋全部學生［25］。而且實驗課程的學生人數較多，教師很難對每個學生的實驗操作進行全程指導，很難判斷每個學生對知識的掌握情況。一般高校中，學生只能在實驗課上開展實驗，其他時間很少有機會進入實驗室，實驗課學時有限，學生不能熟悉各種實驗儀器操作，更難自主地去做一些系統研究性實驗［20］。為了保證實驗教學效果，本實驗課程實行小班化教學，能夠幫助學生更好地掌握實驗設備操作技能。同時，教師可以督促并了解每個同學課前預習和課后實驗結果分析的情況。

小班化教學，每個班級人數為10人，每組學生2人。每個學生都必須在上課之前明白自己要做什么，可能不會的操作是什么，然后帶著自己的問題來聽課。實驗中強調學生自己動手，讓學生帶著問題在實驗操作中尋找答案。學生通過實驗安全考試后，可隨時進入實驗室，在任課教師指導下進行實驗。小班教學讓每個學生系統訓練學生設計無人機、操作無人機采集海水樣品以及對取回的樣品在實驗室進行處理與分析等，確保每個學生都得到鍛煉。學生們獲得了不同站位的海洋樣品，不同小組之間相互合作，相互學習，實驗內容具有一定的探索性，對實驗結果能更好地比較和分析，激發學生們的興趣。整個過程學生自主查閱文獻，與授課老師一對一共同討論實驗方案，在任課老師指導下實施實驗、記錄實驗結果與分析實驗現象。另外，實驗中對于學生提出的問題，老師并不急于回答，而是讓學生自己思考后再做點評，減少了學生對教師的依賴性。小班教學以“放手”的方式使學生的整體實驗技能得到提升，有利于培養學生獨立探索和解決問題，也鍛煉了團隊協作能力。在小班化實驗教學中，通過創設科研情境，讓學生體驗一次完整科學研究的過程，重視讓學生在實驗過程中有所體驗、有所感悟。經過這樣的訓練，學生的分析和解決問題的能力大大加強，為自己今后的科研或者生產實踐打下扎實的基礎，并有效培養學生自主創新的能力。

3 教學效果評價

本課程至今已開展3學年，在各學期末的評教中，該課程的評教平均成績為98.47分（滿分100分）。對教學情況改革滿意度進行了問卷調查（見表3），全體同學對本課程教學效果滿意度較高。88%的學生認為該課程的學習對自己綜合能力的提高有積極的促進作用。認為綜合實驗步驟5濾膜DNA提取、擴增及瓊脂糖凝膠電泳對未來的科研最有幫助的同學占比最多（37%），其次是綜合實驗步驟6 16S基因與功能基因定量PCR（32%）。結果表明，學生課程后已經開始了解和使用專業相關的前沿科學技術。本實驗課程引入了高端的儀器設備，增設了實地考察的內容，大多數同學（79%）最滿意的還是教師的授課能力，這肯定了實驗老師的備課及實驗教學質量。

表3 實驗教學改革學生滿意度調查結果

同時，在2019～2020年微生物學課程實驗的教學和訓練結束后，在老師指導下，2名本科生成功申報大學生科創項目，項目獲批率100%。1名2016級本科生，項目名為“基于無人機采水系統的大灣區MGII古菌生態功能監測”獲得國際級大學生創新創業訓練計劃項目，參加2019年第八屆地質微生物學專業研討會墻報展出項目相關研究成果，2020年畢業時獲得優秀畢業論文和“優秀畢業生”稱號。1名2017級本科生，項目名為“無人機技術驅動的珠江口鹽度梯下古菌群落結構等時變化規律研究”獲廣東省科技創新戰略專項資金（“攀登計劃”專項資金）項目，參加2020 Goldschmidt國際會議和2020第七屆生物有機地球化學會議，會議摘要或墻報展出項目研究成果，2021年時獲得優秀畢業論文和“優秀畢業生”稱號。這兩名學生申報的項目得以立項，學生不僅有可支配的實驗經費，獲得創新學分，也能大大培養學生獨立探索和解決問題，激發學生從事海洋科研的興趣。

4 結 語

海洋微生物學復合型人才培養實驗課程改革探究工作的實施，主要以海洋學微生物學實驗課程融合無人機采樣系統為例，教研結合，開設小班教學模式。本課程展示了一套切實可行的學科交融課程設計方法。教學結果初步表明，課程中提出的科教結合能幫助學生提高文獻調研和寫作的能力，學科交叉內容能幫助學生對多學科的知識和技能進行融合協作，小班教學模式能夠更好地培養學生的實驗技能。同時，本課程的研究結果能夠為海洋復合型人才培養，提供有益的探索。