自制單胞藻培養裝置應用于《生物餌料培養學實驗》的教學研究

鄭 波,郭恩棉,李 建,王金葉,王 峰

(青島農業大學 海洋科學與工程學院,山東青島 266237)

生物餌料是供魚、蝦、蟹、貝等水產動物攝食的光合細菌、單胞藻、輪蟲、鹵蟲等微小水生生物的統稱。它是水產動物幼苗的主要食物來源,在育苗生產中發揮著類似于哺乳動物母乳喂養的作用。生物餌料培養學課程是水產養殖學專業和水族科學與技術專業的專業核心課程。它實操性強,學生需通過實驗課學習相關技能。針對傳統實驗教學中存在的問題,多位學者對生物餌料實驗課程的教學改革做出了探討[1-2]。翟林香(2016)將課程劃分為光合細菌培養、單胞藻培養、輪蟲培養、鹵蟲培養這4個教學項目,并依托校內實訓基地開展理論實踐一體化教學[3]。吳志剛(2022)將單胞藻培養課程劃分為實驗室建設管理、培養技術、經濟產物提取、產品設計開發等教學項目,通過線上線下混合式教學的方式,以任務為導向,教學做一體完成培養目標[4]。

作為一種重要的生物餌料,單胞藻在水產育苗中被廣泛使用。單胞藻培養實驗也是生物餌料培養學的重點實驗項目。在實際生產中單胞藻培養可劃分為藻種培養、中繼培養和生產性培養這三個階段。藻種培養階段培養水體小,而中繼培養和生產性培養階段培養水體大,因此在培養方法上有明顯區別。例如藻種培養階段通常采用煮沸法進行培養用水消毒,加入營養鹽的方式多為母液法,容器消毒可采用高壓蒸汽滅菌法。中繼培養和生產性培養階段一般采用直接溶解法加入營養鹽,采用化學消毒法消毒培養用水和培養容器。由于培養水體大,中繼培養和生產性培養需要較強烈的光照才能滿足單胞藻的生長需求。實際生產中通常采用太陽光作為光源,而普通實驗室無法提供陽光直射的培養環境。受光照條件制約,目前本文作者所在學校開設的單胞藻培養實驗課為藻種培養實驗。雖然課程體系中安排了校外教學實習,但實習內容主要是魚、蝦、蟹、海參、貝類等水產動物的苗種生產。而水產企業所需的單胞藻通常由專門企業生產供應[5],即使在仍保留著單胞藻生產單元的貝類育苗企業,由于單胞藻怕污染、培養操作精細,實習單位通常也不會安排學生從事單胞藻培養工作。因此實習期間絕大多數學生接觸不到單胞藻生產過程。這導致學生無法通過實踐鞏固理論課所學到的單胞藻大水體培養技術。令人欣慰的是,比傳統日光燈亮度更大的LED燈為單胞藻大水體培養提供了一種可替代太陽光的可靠光源。本文通過利用LED光源自制了一個培養水體為70L的單胞藻培養裝置,把它應用于教學實驗,以期通過實驗教學使學生掌握單胞藻大水體培養技術。

一、教學研究

(一)培養裝置

培養裝置如圖1A所示,主體是一個玻璃水族缸,附設了照明、充氣和加熱控溫等設備。本裝置由本文第一作者自行設計組裝,單次可培養單胞藻70L。它結構簡單、造價低、占地面積小,利于在實驗教學中推廣使用。在本次教學研究中被用于鹽生杜氏藻的培養(圖1)。

圖1 教學實驗期間自制培養裝置培養鹽生杜氏藻

(二)教學設計與實施

教學設計如圖2所示。首先明確實驗目標,即通過實驗使學生掌握單胞藻大水體培養技術。實驗內容為采用自制培養裝置培養鹽藻。考慮到學生缺乏實際操作經驗,制定了簡單易懂的操作流程。2023年3月以青島農業大學海洋學院20級水族1班同學為教學對象開設了該教學實驗。學生參考操作流程,在教師指導下完成實驗。根據大水體培養實驗的實驗內容由本文第一作者設計試題。在實驗結束后,通過閉卷考試形式考查學生學習效果。測試題為紙質試卷,題目為8道選擇題。除開設了該實驗的水族班同學外,未開設該實驗的20級水養1班同學作為對照組參與測試。該班與水族班同步開設了生物餌料培養學課程,理論課授課內容和水族班相同。實驗課方面和水族班一樣,也開設了單胞藻藻種培養實驗。

圖2 單胞藻大水體培養實驗教學過程設計

(三)教學效果與評價

在教師指導下學生順利完成了各項實驗操作,并記錄了鹽藻細胞密度。在為期8天的培養實驗中藻細胞密度增長明顯(圖1B),鏡檢時未發現原生動物的滋生,實驗效果較理想。答題測試環節水族班、水養班參加考試人數分別為23人和26人。如圖3A所示,水養班平均成績為55.8分,這是因為該班雖然未開設單胞藻大水體培養實驗,但通過理論課學習也獲得了該實驗的相關知識。水族班平均成績明顯高于水養班。獨立樣本t檢驗結果表明兩班的平均成績存在顯著性差異(P<0.001)。說明實驗教學取得顯著效果。為了分析錯題情況,統計了每個題目各班的單題出錯情況[單題出錯率=100×(本班所有同學某一題目出錯次數/本班所有同學所有題目出錯總次數)]。水族班同學出錯題目集中。錯題主要集中在第3號試題和第8號試題上,其他題目出錯較少或無人出錯(圖3B)。第3題考核的知識點是次氯酸消毒劑消毒海水時所需要的消毒時間,第8題考核的是單胞藻大水體培養裝置的光源配置方法。第3題涉及時間,比較抽象。而第8題涉及培養裝置組裝思路,本次實驗教學重點是使學生掌握單胞藻大水體培養的操作流程,所以指導教師未對培養裝置做重點強調。因此對水族班同學來說這兩道題難度較大。從錯題分布上看水族班同學只在難度較大的個別題目上頻繁出錯,但對于多數知識點有良好的掌握。而水養班同學在所有題目上都出錯(圖3C),說明該班同學因未做單胞藻大水體培養實驗而對所有知識點均未能牢固掌握。

圖3 實驗課課后測試成績

二、總結與思考

在生物餌料培養學課程建設領域,雖然有學者提出理論實踐一體化,強調實驗教學在教學中的重要性[3-4]。但對于單胞藻大水體培養實驗教學工作,至今還未見詳細報道。目前教材中列出的實驗項目仍然是單胞藻藻種培養實驗[6]246-252。為了培養新時代高水平復合型人才,青島農業大學海洋學院對水產養殖學和水族科學與技術本科專業的培養方案做出調整。生物餌料培養學課程的理論課時壓縮到24學時,而實驗課時增加到16學時。實驗課時的增加為實驗課教學內容改革提供了契機。本文作者在保留單胞藻藻種培養實驗的基礎上,開設了單胞藻大水體培養實驗,彌補了以往實驗教學中存在的短板,使學生完整掌握了單胞藻的培養技術。

工欲善其事,必先利其器。自制培養裝置在本次教學研究中發揮了重要的作用。單胞藻大水體培養實驗的實驗裝置需滿足兩項基本要求。一是操作的簡便性。學生并非熟練工人或資深科研人員,對單胞藻培養缺乏經驗。同時教學實驗課時有限,裝置操作簡便,學生就能在短時間內順利完成操作,避免拖堂。二是裝置一定要簡約經濟。本科教學實驗不同于實際生產和科學研究,應盡可能減少裝置成本,如果裝置造價偏高會阻礙其在教學工作中的推廣使用。本研究中采用的自制裝置基本上滿足了這兩項要求,但還存在改進余地。因為其改進思路和措施并非本研究的研究重點,在本文中不再贅述。

本實驗是一個綜合性實驗。在實驗中學生要學習培養容器的化學法消毒、培養用水的化學法消毒及中和處理、直接溶解法添加營養鹽等多項操作。因此指導教師需提前制定一個簡單易懂的書面實驗流程,使學生可以通過參考操作流程進行預習和實驗操作,減少不必要的時間消耗,從而能在有限的課時內完成實驗任務。另外,在預習和實操過程中使用預先拍攝的操作視頻,也有助于學生理解操作流程的含義,保證實驗的順利進行。

隨著網絡信息技術的飛速發展和素質教育的不斷深入,本科生的知識面更寬廣,獲取知識的渠道也更多樣化,學生主動獲取知識的能力有了明顯提升。另一方面,由于學生參與日常勞動的機會少,動手能力明顯下降。在教學實踐中本文第一作者發現缺乏動手能力在本科階段具有普遍性。雖然線上課程和虛擬仿真實驗教學等信息化、智能化教學技術的引入可明顯提升教學質量和效率,但線下實驗教學仍具有不可替代性,甚至可以說在新教學技術推廣應用的背景下線下實驗教學的重要性越發凸顯。首先,實驗教學能夠培養學生的動手能力,使學生擺脫眼高手低的窘境,增強學生的自信心。其次,理論課獲取的知識在實驗過程中得到印證和實化,可以激發學生的學習興趣,使學生真正掌握所學知識。另外,實驗過程中小組成員配合協作共同完成實驗目標,有利于培養學生溝通合作能力。因此,在推廣線上課程、虛擬仿真技術等新教學手段的同時,教學工作者不應忽視線下實驗課的改進。針對單胞藻生產日趨產業化這一新情況,本文作者嘗試開設單胞藻大水體培養實驗,旨在完善生物餌料培養學實驗課程體系,希望能夠對該課程的教學改革有所裨益。

三、結語

南宋詩人陸游曾有詩句“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”。而明代學者王守仁也提出了“知行合一”的觀點,強調實踐的重要性。在網絡資訊高度發達、人工智能技術飛速發展的當代,本科學生獲取知識和技能的渠道日益拓寬,但線下實驗教學在課程體系中仍具有不可替代性,開展線下實驗教學課程建設仍勢在必行。本文作者嘗試開展單胞藻大水體培養實驗教學研究,期待能夠為相關工作提供參考性資料。