郭 靜， 程斯宇， 張傳倫

（南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055）

0 引 言

海洋強(qiáng)國(guó)，是中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)的重要組成部分。習(xí)近平同志在黨的十九大報(bào)告中指出：“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)?！焙Ｑ髲?qiáng)國(guó)需要培養(yǎng)大量適應(yīng)社會(huì)需要的復(fù)合型海洋技術(shù)人才［1］。海洋作為地球上巨大的資源寶庫(kù)，其復(fù)雜性和遼闊性造就了物種的豐富性，而海洋微生物在整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用。在當(dāng)前的海洋科學(xué)研究領(lǐng)域中，微生物技術(shù)（特別是古菌技術(shù)）發(fā)展迅速，在海洋資源開(kāi)發(fā)與利用、深海藥物、海洋碳循環(huán)、海洋污染與修復(fù)和海洋生命演化研究中應(yīng)用廣泛。同時(shí)，海洋生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與生命健康和環(huán)境工程等新興經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、培養(yǎng)海洋相關(guān)領(lǐng)域交叉復(fù)合型人才是發(fā)展海洋生物產(chǎn)業(yè)的重要支撐和保障。高校應(yīng)進(jìn)一步完善海洋涉海專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案，滿(mǎn)足海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略對(duì)交叉型、創(chuàng)新型和復(fù)合型海洋新工科的人才培養(yǎng)需求。

1 海洋微生物學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

高校培養(yǎng)復(fù)合型海洋人才需要依托系統(tǒng)性的海洋專(zhuān)業(yè)課程，在涉海專(zhuān)業(yè)中海洋微生物學(xué)研究領(lǐng)域廣泛（見(jiàn)表1），更是重要的基礎(chǔ)課，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高高等教育質(zhì)量的一個(gè)重要切入點(diǎn)［2-3］。同時(shí)，海洋微生物實(shí)驗(yàn)的一些研究成果具有產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化價(jià)值，能夠服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)［4］。然而，作為海洋微生物學(xué)教育中的重要組成部分的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上并沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。

目前海洋微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程多采用普通微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而涉及海洋微生物的方向較少，缺少與海洋生物環(huán)境的密切聯(lián)系，即缺乏“海味”，主要以淡水或者陸源生物為主［16-18］；教學(xué)模式單一，各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系較少，主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，很難幫助學(xué)生建立起“主動(dòng)且感興趣”的態(tài)度；不能將學(xué)生帶入主動(dòng)的思考模式：為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以解決哪些問(wèn)題，是否有更合適的方法來(lái)解決這一問(wèn)題？在實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，學(xué)生很難掌握到查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、撰寫(xiě)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研小論文等能力。很多學(xué)生只是將實(shí)驗(yàn)課看作是實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)，從主觀上沒(méi)有將實(shí)驗(yàn)課與科研思維及科研習(xí)慣相關(guān)聯(lián)［13，18-21］。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨“僧多粥少”的困境，學(xué)生人數(shù)較多，教師和儀器數(shù)量不足，每個(gè)實(shí)驗(yàn)3或4人1組，有的實(shí)驗(yàn)甚至8或9人1組共用儀器，不能讓每個(gè)學(xué)生充分地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，造成學(xué)生動(dòng)手能力差，教學(xué)效果不佳等問(wèn)題［16，19，22-23］。

我校是國(guó)家高等教育綜合改革試驗(yàn)學(xué)校，是一所具有鮮明時(shí)代特色和改革創(chuàng)新精神的大學(xué)，位于海洋中心城市深圳，孕育于這一特定的海洋文化環(huán)境中，始終堅(jiān)持“頂天立地”，即學(xué)術(shù)上訓(xùn)練學(xué)生前沿科學(xué)思維，做到“頂天”；研發(fā)的成果要和當(dāng)?shù)氐膽?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)接軌，讓學(xué)生學(xué)以致用，做到“立地”；這與深圳這座創(chuàng)新型城市對(duì)科技創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)明和應(yīng)用的重視相呼應(yīng)。我校海洋系已經(jīng)從全球引進(jìn)匯聚了具有國(guó)際視野的高水平師資隊(duì)伍，致力于在重大國(guó)際海洋科學(xué)與工程問(wèn)題上取得突破性研究成果和為國(guó)家培養(yǎng)海洋科學(xué)與工程技術(shù)高端人才。海洋系本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室已配備熒光定量PCR儀，熒光顯微鏡，超速離心機(jī)，總有機(jī)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(duì)于海洋微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革營(yíng)造了優(yōu)異的環(huán)境。

基于此，我校海洋系海洋微生物類(lèi)課程教研組依托2016級(jí)班級(jí)對(duì)教研結(jié)合的啟發(fā)式教學(xué)模式、學(xué)科交融課程內(nèi)容和小班教學(xué)方式開(kāi)展了課程改革實(shí)踐。在以往的教學(xué)模式上推陳出新，關(guān)注生命演化重大科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)辟新興學(xué)科方向——古菌海洋學(xué)，開(kāi)發(fā)挖掘海洋微生物資源，采用高端海洋技術(shù)（無(wú)人機(jī)采樣）和先進(jìn)高端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（熒光顯微鏡，qPCR儀，離子淌度等），充分利用校內(nèi)外的優(yōu)質(zhì)資源，突出涉海學(xué)科交叉融合培養(yǎng)，探索海洋科學(xué)與先進(jìn)機(jī)械設(shè)備跨界合作，從而提高學(xué)生在海洋微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課上的積極性，讓學(xué)生們切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)技能，成為具有良好科學(xué)研究素養(yǎng)、科學(xué)創(chuàng)新精神與潛質(zhì)，具有全球視野和社會(huì)責(zé)任感、未來(lái)能在海洋相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域起引領(lǐng)作用、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)拔尖海洋復(fù)合型人才，為大灣區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展注入新活力。

2 課程改革實(shí)踐

海洋微生物學(xué)實(shí)踐課程主要是以科教結(jié)合為主體，具有多門(mén)學(xué)科交叉教學(xué)內(nèi)容，并采用小班教學(xué)的授課方式?？平探Y(jié)合聚焦于海洋微生物學(xué)術(shù)前沿課題，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富學(xué)生的前沿知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的眼界，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能之外，提高學(xué)生數(shù)據(jù)整理的能力，文獻(xiàn)查閱能力和學(xué)術(shù)論文書(shū)寫(xiě)能力。多學(xué)科知識(shí)交融是本課程內(nèi)容的一大亮點(diǎn)，一方面給予學(xué)生解決具體科學(xué)問(wèn)題的機(jī)會(huì)，以提高其綜合能力；另一方面，能夠使學(xué)生的技能和知識(shí)更全面，培養(yǎng)學(xué)生多角度看問(wèn)題的能力。小班教學(xué)能夠給學(xué)生提供更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和更多的實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)，有利于提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

2.1 教育與科研相結(jié)合的啟發(fā)式教學(xué)模式，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才

學(xué)科的發(fā)展與相關(guān)科學(xué)研究的進(jìn)展相輔相成。學(xué)科發(fā)展良好能夠提供優(yōu)秀的科研人才，反過(guò)來(lái)，科研內(nèi)容又可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新和教學(xué)質(zhì)量的提高。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以“灌輸式”教育為主，大部分實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作是任課教師或助教來(lái)完成，在課堂上學(xué)生則照本宣科按照實(shí)驗(yàn)講義中的實(shí)驗(yàn)步驟做實(shí)驗(yàn)，很少思考實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究背景和意義。這種教學(xué)模式不利于學(xué)生研究和創(chuàng)新精神的養(yǎng)成，也無(wú)益于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的提高和學(xué)科的建設(shè)［24-25］。

海洋實(shí)驗(yàn)課應(yīng)當(dāng)建立在具有科學(xué)研究意義的課題上。近年來(lái)海洋生物技術(shù)發(fā)展迅速，但海洋微生物方面仍舊有很多亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。比如海洋環(huán)境中存活的非培養(yǎng)狀態(tài)（Viable but non-culturable，VBNC）微生物的基因組信息尚有大片空白。這類(lèi)微生物存在于無(wú)光、低溫、高鹽的環(huán)境中，它們?cè)诤Ｑ笊鷳B(tài)所發(fā)揮的作用少為人知。在確定培養(yǎng)的海洋微生物是“死”還是“活”的時(shí)候，直接鏡檢計(jì)數(shù)法獲得的數(shù)量往往比常規(guī)培養(yǎng)計(jì)數(shù)法的結(jié)果高很多倍［26］，而導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因并不清楚。此外，研究發(fā)現(xiàn)，雖然4℃保存是陸生細(xì)菌最常用的臨時(shí)保存手段，但是許多海洋微生物在4℃中保藏1周后就無(wú)法繼續(xù)傳代培養(yǎng)。因此，海洋微生物的保存一直也是海洋微生物學(xué)家面臨的重要難題之一［27］。近年來(lái)，粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，其海域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，赤潮等水體環(huán)境事件多發(fā)。因此，對(duì)珠江口水體生態(tài)系統(tǒng)的檢測(cè)、研究和保護(hù)迫在眉睫。河口及毗鄰海域作為海陸交互最為活躍的區(qū)域，是碳氮硫磷等生物地球化學(xué)元素循環(huán)較為活躍的區(qū)域［28］。同時(shí)微生物（包括細(xì)菌和古菌）個(gè)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(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者，也是海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡的最主要維持者［29-30］。古菌作為與細(xì)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(huán)境，在碳、氮、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和地球生命演化過(guò)程中扮演著極為重要的角色。海洋中的有機(jī)碳由顆粒有機(jī)物（POM）和溶解有機(jī)物（DOM）組成。海洋古菌II（Marine Group II，簡(jiǎn)稱(chēng)MGII）是海洋表層水體中最豐富的古菌類(lèi)群［31］，既能降解POM為DOM，同時(shí)也具有吸收利用DOM和無(wú)機(jī)碳的能力［11，32-34］。因此，MGII古菌的研究對(duì)于全球海洋碳氮循環(huán)意義重大，而邊緣海區(qū)域MGII的研究對(duì)于理解MGII的生態(tài)功能尤為關(guān)鍵［34］。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，我校海洋系海洋微生物類(lèi)課程教研組圍繞上述前沿科學(xué)問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)前半個(gè)學(xué)期（28課時(shí)）開(kāi)展海洋嗜鹽古菌基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，具體方案如表2所示，開(kāi)辟古菌海洋學(xué)這一新興學(xué)科方向。

表2 海洋微生物學(xué)基本技能操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

雖然部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有的項(xiàng)目有相似之處［35-36］，但具體內(nèi)容上有較大改變，突出了“海味”。傳統(tǒng)微生物學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)均使用經(jīng)典教學(xué)菌種，如大腸桿菌、釀酒酵母或黑曲霉等微生物。本實(shí)驗(yàn)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(tǒng)之一的古菌，這一新興熱點(diǎn)研究菌種引入到本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，極大地提高了學(xué)生們的海洋微生物熱情。配置培養(yǎng)海洋嗜鹽古菌最常用的AS-168液體和固體培養(yǎng)基，將菌液采用三步劃線法進(jìn)行活化后，利用分光光度計(jì)，測(cè)定600 nm處的吸光度，進(jìn)行其生長(zhǎng)曲線測(cè)定，最后進(jìn)行嗜鹽古菌保種。雖然是基本技能操作實(shí)驗(yàn)，但為了使實(shí)驗(yàn)更具有系統(tǒng)，按照事物發(fā)展的規(guī)律安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將孤立、連貫性不強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合到一起，形成環(huán)環(huán)相扣的綜合實(shí)驗(yàn)體系，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和邏輯思維。且引入高端儀器-熒光顯微鏡，使學(xué)生對(duì)海洋微生物基礎(chǔ)知識(shí)有實(shí)質(zhì)性掌握。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的最后一周（第16周）是課程匯報(bào)與討論環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)前期所學(xué)內(nèi)容和大量查閱文獻(xiàn)，大膽提出科學(xué)問(wèn)題。老師引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生積極參加科研課題與項(xiàng)目，使得實(shí)踐能力較好的學(xué)生能夠申請(qǐng)專(zhuān)利或發(fā)表論文，獨(dú)立承擔(dān)部分課題實(shí)驗(yàn)。同時(shí)將海洋微生物學(xué)課程實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目撰寫(xiě)與畢業(yè)論文有機(jī)地結(jié)合在一起，可有效提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，移默化中鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入科學(xué)研究的殿堂［4］。

這種教學(xué)與科研的結(jié)合、教與學(xué)的互動(dòng)是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)的有效途徑，能提高學(xué)生的科研積極性，喚醒學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。教師做適時(shí)引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生在掌握常規(guī)海洋微生物實(shí)驗(yàn)外，進(jìn)一步與海洋生物技術(shù)相結(jié)合，做更深層次的探索，從內(nèi)心激發(fā)學(xué)生對(duì)海洋微生物的興趣。

2.2 設(shè)計(jì)學(xué)科交融課程內(nèi)容，培養(yǎng)復(fù)合型人才

海洋微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和開(kāi)拓創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)［22］。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，主要圍繞著理論課教學(xué)，照本宣科，內(nèi)容大部分為常用儀器的操作、注意事項(xiàng)。教學(xué)內(nèi)容陳舊，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被局限，最終的教學(xué)效果也自然而然地被局限［18，25，37］。在海洋微生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程中，不僅要讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握海洋微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要方法與技術(shù)，同時(shí)也要培養(yǎng)其學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)思維［22］。

MGII近年來(lái)在藻類(lèi)爆發(fā)頻繁的河口及邊緣海區(qū)域的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過(guò)程中，發(fā)揮著重要作用。但目前對(duì)于珠江口區(qū)域不同MGII古菌類(lèi)群在不同時(shí)間上分布的變化規(guī)律及與藻類(lèi)爆發(fā)過(guò)程之間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)。當(dāng)前對(duì)于海洋水體微生物研究的樣品采集主要通過(guò)參加船載航次，人工完成水體樣品的采集。該采樣過(guò)程對(duì)采樣條件要求較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難對(duì)珠江口MGII分布及藻類(lèi)關(guān)系等生態(tài)過(guò)程開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的觀測(cè)研究。在較短時(shí)間內(nèi)完成水體樣品的大量采集，一直以來(lái)是海洋微生物研究面臨的一個(gè)重要課題之一。

無(wú)人飛行器技術(shù)發(fā)展迅速，在植保，巡線，火災(zāi)預(yù)警，快遞等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。多旋翼無(wú)人飛行器操作簡(jiǎn)單，起降不受場(chǎng)地限制，在海水取樣的科學(xué)研究中有巨大的發(fā)展空間。飛行器搭載海水取樣裝置，可實(shí)現(xiàn)精確地點(diǎn)的重復(fù)取樣、多點(diǎn)同時(shí)取樣和長(zhǎng)時(shí)間不間斷取樣等取樣方式，傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)。2018年，我校海洋科學(xué)與工程系采用無(wú)人機(jī)陣列進(jìn)行海水取樣研究，經(jīng)過(guò)2年多的研發(fā)測(cè)試，定制開(kāi)發(fā)了EMC50無(wú)人機(jī)陣列智能海水取樣設(shè)備，并將這一前沿科學(xué)內(nèi)容引入海洋系本科教學(xué)中。在本教學(xué)方案海洋微生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后（第8周），安排學(xué)生到珠江口桂山島附近海域，利用無(wú)人機(jī)飛行器對(duì)采集大灣區(qū)海水樣品，給學(xué)生傳授無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用所需的知識(shí)與技術(shù)，通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生科研熱情。

海洋系教改組將自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)融入海洋微生物本科實(shí)驗(yàn)，旨在突出涉海學(xué)科交叉融合培養(yǎng)，探索海洋科學(xué)與機(jī)械設(shè)備跨界合作，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)化、復(fù)合型、應(yīng)用型海洋科學(xué)研究和工程技術(shù)高端人才。為此設(shè)計(jì)了利用無(wú)人機(jī)采水系統(tǒng)對(duì)大灣區(qū)古菌生態(tài)功能監(jiān)測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)，該綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

綜合實(shí)驗(yàn)共分為7個(gè)步驟：

步驟1利用無(wú)人機(jī)飛行器采集大灣區(qū)海水樣品

（1）需解決的問(wèn)題。①現(xiàn)有無(wú)人飛行器機(jī)載的海水取樣裝置有什么優(yōu)勢(shì)？②微生物無(wú)處不在，怎么避免你取的海水樣品是第一時(shí)間的原位樣品，且沒(méi)有被污染？③微生物肉眼不可見(jiàn)，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(shí)驗(yàn)室，一般路程較遠(yuǎn)，那采集回來(lái)的野外樣品，怎樣完好地運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。利用學(xué)校自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)采水系統(tǒng)對(duì)研究水域進(jìn)行多個(gè)樣品的同時(shí)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(yǎng)，其余海水經(jīng)過(guò)20 μm孔徑濾膜（Millipore GTTP，聚碳酸酯，47 mm直徑）過(guò)濾后，再依次通過(guò)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(xì)胞。0.7μm孔徑濾膜上收集的細(xì)胞用于分析顆粒物上粘附的古菌和細(xì)菌微生物。0.22 μm濾膜上收集的細(xì)胞主要進(jìn)行游離細(xì)菌和古菌的DNA分析。分級(jí)過(guò)濾后海水保存（-20℃）一部分用于水質(zhì)檢測(cè)。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(shí)保存。采樣結(jié)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?。?8］。

步驟2海洋微生物培養(yǎng)基的配置與滅菌

（1）需解決的問(wèn)題。①微生物生長(zhǎng)“吃”什么？如何給微生物“做飯”？②給微生物做的飯為什么要無(wú)菌？怎么確保完全無(wú)菌？③實(shí)驗(yàn)操作為什么要在超凈工作臺(tái)進(jìn)行？怎樣給超凈工作臺(tái)進(jìn)行消毒？④消毒等于滅菌嗎？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。人工海水配制、固體培養(yǎng)基（用于分離純化海洋微生物）、試管斜面培養(yǎng)基（用于分離微生物的保藏）、液體培養(yǎng)基（用于微生物的培養(yǎng)）、生理生化培養(yǎng)基（用于微生物的生化鑒定）、培養(yǎng)基和微生物實(shí)驗(yàn)器皿高壓蒸汽滅菌、陳海水過(guò)濾除菌，超凈工作臺(tái)的消毒。

步驟3海洋微生物的分離純化

（1）需解決的問(wèn)題。①有無(wú)辦法讓“不可見(jiàn)”的微生物變得“可見(jiàn)”？②怎么讓微生物長(zhǎng)起來(lái)？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。樣品液體培養(yǎng)基接種（無(wú)菌操作），倒平板，平板劃線接種和平板涂布接種，培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)。

步驟4海洋微生物熒光顯微鏡觀察與計(jì)數(shù)

（1）需解決的問(wèn)題。①為什么要用熒光顯微鏡進(jìn)行海洋微生物樣品計(jì)數(shù)，普通光學(xué)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容。吖啶橙直接顯微鏡計(jì)數(shù)（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(wú)菌水沖洗過(guò)濾器內(nèi)部，制片后將濾膜放置于熒光顯微鏡下檢測(cè)，對(duì)所拍照片進(jìn)行直接計(jì)數(shù)（可根據(jù)情況進(jìn)行手動(dòng)數(shù)數(shù)或自動(dòng)數(shù)數(shù)）。

步驟5濾膜DNA提取、擴(kuò)增及瓊脂糖凝膠電泳

（1）需解決的問(wèn)題。①DNA是否有顏色？是否看得見(jiàn)？②怎樣評(píng)估DNA濃度和純度？③有什么原因會(huì)導(dǎo)致DNA提取量低和DNA樣品不純？④PCR是什么？為什么要進(jìn)行PCR和瓊脂糖凝膠電泳？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。微生物總DNA從沒(méi)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(shù)制備基因片段。瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)。

步驟616S基因與功能基因定量PCR

（1）需解決的問(wèn)題。①熒光定量PCR是用來(lái)干什么的？，它和普通PCR有什么區(qū)別？②qPCR是如何進(jìn)行定量的？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。定量PCR（qPCR）技術(shù)是目前一種常規(guī)且可靠的測(cè)定微生物豐度的技術(shù)。通過(guò)特異的引物Ar787f/Ar915R和GII554f/Eury806r使用qPCR技術(shù)分別完成古菌總類(lèi)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(xué)習(xí)

（1）需解決的問(wèn)題。①為什么要進(jìn)行基因組分析？②怎樣進(jìn)行基因組分析？③數(shù)值建模和生命演化有什么聯(lián)系？

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；蚪M測(cè)序的序列經(jīng)過(guò)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(gòu)建基因組集。通過(guò)CheckM評(píng)估每個(gè)集的質(zhì)量，并用Megan等進(jìn)行基因組集的注釋。對(duì)于特殊基因組集進(jìn)行更細(xì)致的重組裝優(yōu)化，并進(jìn)行基因標(biāo)注。隨后將每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的宏轉(zhuǎn)錄組序列mapping到這些基因組集上，從而分析每個(gè)樣本中基因表達(dá)情況。在此基因表達(dá)集合的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合和網(wǎng)絡(luò)模塊化分析［38］。

無(wú)人機(jī)單機(jī)操作簡(jiǎn)單，但海水樣品采集系統(tǒng)性強(qiáng)，學(xué)科交叉融合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既能激發(fā)學(xué)生興趣，訓(xùn)練本科生掌握無(wú)人機(jī)陣列采樣技術(shù)，又能給予學(xué)生解決具體科學(xué)問(wèn)題的機(jī)會(huì)，以提高其綜合能力。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在海水樣本采集上的應(yīng)用還比較有限，讓學(xué)生參與探討無(wú)人機(jī)在海上的其他應(yīng)用，本身就是極佳的教學(xué)案例。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往缺乏成熟的出航經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際工作中還需面臨海面上潛藏的各種危險(xiǎn)。在實(shí)驗(yàn)課上使用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)采樣技術(shù)，不僅為學(xué)生獲取海水樣品帶來(lái)了巨大的便利，比如可以快速、低成本地獲取具有時(shí)間序列特征、空間梯度特征等優(yōu)良的海水樣本和水化參數(shù)。而且還能規(guī)避出航工作的危險(xiǎn)。較低的采樣成本讓院系有足夠資金支持盡可能多的學(xué)生參與科研過(guò)程。

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提取的濾膜DNA，學(xué)生利用qPCR和宏基因組測(cè)序技術(shù)，獲得MGII古菌的群落結(jié)構(gòu)模型。將水理化參數(shù)、鹽度梯度模型以及與古菌群落結(jié)構(gòu)模型結(jié)合分析，得出它們的相關(guān)性特征，并總結(jié)分析MGII群落受環(huán)境影響的因素以及它們對(duì)環(huán)境造成的影響，從而為珠江和其他河口地區(qū)的環(huán)境改善提出方案。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，對(duì)于學(xué)生科研素質(zhì)與實(shí)際應(yīng)用能力的提高具有積極的作用。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用不僅可以為學(xué)生研習(xí)海洋提供巨大的便利，而且有利于培養(yǎng)國(guó)家與地區(qū)亟需的海洋微生物復(fù)合型人才和既有理論又懂實(shí)踐、有較強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力的創(chuàng)新型人才。此外，在教學(xué)過(guò)程中，把前沿的海洋微生物學(xué)研究手段、熒光顯微鏡和qPCR等技術(shù)增加進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)加強(qiáng)與課程銜接的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐性課程模塊建設(shè)，擴(kuò)展課程內(nèi)容的廣度和關(guān)注度，豐富教學(xué)資源。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅能夠了解并掌握基本的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)也能提高學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新意識(shí)。

2.3 小班特色教學(xué)，以學(xué)生為中心，體現(xiàn)學(xué)校辦學(xué)特色

由于高校招生人數(shù)不斷擴(kuò)增，而教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室很少購(gòu)置新儀器，很難實(shí)現(xiàn)1或2人使用1臺(tái)儀器。雖然分大組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)團(tuán)隊(duì)合作是一種鍛煉，但某種程度上不能讓每人都能?chē)L試所有的實(shí)驗(yàn)操作，因此，實(shí)驗(yàn)效果不能很好地覆蓋全部學(xué)生［25］。而且實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生人數(shù)較多，教師很難對(duì)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行全程指導(dǎo)，很難判斷每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。一般高校中，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，其他時(shí)間很少有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)有限，學(xué)生不能熟悉各種實(shí)驗(yàn)儀器操作，更難自主地去做一些系統(tǒng)研究性實(shí)驗(yàn)［20］。為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本實(shí)驗(yàn)課程實(shí)行小班化教學(xué)，能夠幫助學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作技能。同時(shí)，教師可以督促并了解每個(gè)同學(xué)課前預(yù)習(xí)和課后實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的情況。

小班化教學(xué)，每個(gè)班級(jí)人數(shù)為10人，每組學(xué)生2人。每個(gè)學(xué)生都必須在上課之前明白自己要做什么，可能不會(huì)的操作是什么，然后帶著自己的問(wèn)題來(lái)聽(tīng)課。實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己動(dòng)手，讓學(xué)生帶著問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)操作中尋找答案。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)安全考試后，可隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在任課教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。小班教學(xué)讓每個(gè)學(xué)生系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)、操作無(wú)人機(jī)采集海水樣品以及對(duì)取回的樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理與分析等，確保每個(gè)學(xué)生都得到鍛煉。學(xué)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(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的探索性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能更好地比較和分析，激發(fā)學(xué)生們的興趣。整個(gè)過(guò)程學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，與授課老師一對(duì)一共同討論實(shí)驗(yàn)方案，在任課老師指導(dǎo)下實(shí)施實(shí)驗(yàn)、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于學(xué)生提出的問(wèn)題，老師并不急于回答，而是讓學(xué)生自己思考后再做點(diǎn)評(píng)，減少了學(xué)生對(duì)教師的依賴(lài)性。小班教學(xué)以“放手”的方式使學(xué)生的整體實(shí)驗(yàn)技能得到提升，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索和解決問(wèn)題，也鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)創(chuàng)設(shè)科研情境，讓學(xué)生體驗(yàn)一次完整科學(xué)研究的過(guò)程，重視讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有所體驗(yàn)、有所感悟。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練，學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力大大加強(qiáng)，為自己今后的科研或者生產(chǎn)實(shí)踐打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，并有效培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本課程至今已開(kāi)展3學(xué)年，在各學(xué)期末的評(píng)教中，該課程的評(píng)教平均成績(jī)?yōu)?8.47分（滿(mǎn)分100分）。對(duì)教學(xué)情況改革滿(mǎn)意度進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查（見(jiàn)表3），全體同學(xué)對(duì)本課程教學(xué)效果滿(mǎn)意度較高。88%的學(xué)生認(rèn)為該課程的學(xué)習(xí)對(duì)自己綜合能力的提高有積極的促進(jìn)作用。認(rèn)為綜合實(shí)驗(yàn)步驟5濾膜DNA提取、擴(kuò)增及瓊脂糖凝膠電泳對(duì)未來(lái)的科研最有幫助的同學(xué)占比最多（37%），其次是綜合實(shí)驗(yàn)步驟6 16S基因與功能基因定量PCR（32%）。結(jié)果表明，學(xué)生課程后已經(jīng)開(kāi)始了解和使用專(zhuān)業(yè)相關(guān)的前沿科學(xué)技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)課程引入了高端的儀器設(shè)備，增設(shè)了實(shí)地考察的內(nèi)容，大多數(shù)同學(xué)（79%）最滿(mǎn)意的還是教師的授課能力，這肯定了實(shí)驗(yàn)老師的備課及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

表3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革學(xué)生滿(mǎn)意度調(diào)查結(jié)果

同時(shí)，在2019～2020年微生物學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和訓(xùn)練結(jié)束后，在老師指導(dǎo)下，2名本科生成功申報(bào)大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目獲批率100%。1名2016級(jí)本科生，項(xiàng)目名為“基于無(wú)人機(jī)采水系統(tǒng)的大灣區(qū)MGII古菌生態(tài)功能監(jiān)測(cè)”獲得國(guó)際級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，參加2019年第八屆地質(zhì)微生物學(xué)專(zhuān)業(yè)研討會(huì)墻報(bào)展出項(xiàng)目相關(guān)研究成果，2020年畢業(yè)時(shí)獲得優(yōu)秀畢業(yè)論文和“優(yōu)秀畢業(yè)生”稱(chēng)號(hào)。1名2017級(jí)本科生，項(xiàng)目名為“無(wú)人機(jī)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的珠江口鹽度梯下古菌群落結(jié)構(gòu)等時(shí)變化規(guī)律研究”獲廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃”專(zhuān)項(xiàng)資金）項(xiàng)目，參加2020 Goldschmidt國(guó)際會(huì)議和2020第七屆生物有機(jī)地球化學(xué)會(huì)議，會(huì)議摘要或墻報(bào)展出項(xiàng)目研究成果，2021年時(shí)獲得優(yōu)秀畢業(yè)論文和“優(yōu)秀畢業(yè)生”稱(chēng)號(hào)。這兩名學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目得以立項(xiàng)，學(xué)生不僅有可支配的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，獲得創(chuàng)新學(xué)分，也能大大培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索和解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生從事海洋科研的興趣。

4 結(jié) 語(yǔ)

海洋微生物學(xué)復(fù)合型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)課程改革探究工作的實(shí)施，主要以海洋學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程融合無(wú)人機(jī)采樣系統(tǒng)為例，教研結(jié)合，開(kāi)設(shè)小班教學(xué)模式。本課程展示了一套切實(shí)可行的學(xué)科交融課程設(shè)計(jì)方法。教學(xué)結(jié)果初步表明，課程中提出的科教結(jié)合能幫助學(xué)生提高文獻(xiàn)調(diào)研和寫(xiě)作的能力，學(xué)科交叉內(nèi)容能幫助學(xué)生對(duì)多學(xué)科的知識(shí)和技能進(jìn)行融合協(xié)作，小班教學(xué)模式能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。同時(shí)，本課程的研究結(jié)果能夠?yàn)楹Ｑ髲?fù)合型人才培養(yǎng)，提供有益的探索。