海洋生态学实践教学的系统模型馆建设

龙 寒， 吴家法， 禤金彩， 吴 霜， 何秀苗

(广西民族大学 海洋与生物技术学院， 广西高校微生物与植物资源利用重点实验室， 南宁 530006)

海洋生态学实践教学的系统模型馆建设

龙 寒， 吴家法， 禤金彩， 吴 霜， 何秀苗

(广西民族大学 海洋与生物技术学院， 广西高校微生物与植物资源利用重点实验室， 南宁 530006)

为进一步开展海洋生态学实践教学，设计规划了以仿真模型为基础的海洋生态系统模型馆。该模型馆利用仿真模型将六大海洋生态系统进行室内还原，实现了海洋生态实践教学尤其是野外调查模拟实践活动的可持续开展。文章叙述了模型馆的设计理念和方案，讨论了基于仿真模型的实践教学方式及其实际意义。实践表明，以模型辅助教学的教学模式由于其价格低廉、重复使用性强等特性而易于推广，对自然科学的实践教学、理论教学以及科普宣传工作均起到了借鉴作用。

海洋生态学; 实践教学; 仿真模型

0 引 言

我国作为海洋大国，拥有广泛的海洋战略利益，我们要提高海洋资源开发和保护海洋生态环境能力，推动海洋经济和循环利用型转变，同时要大力发展海洋科学技术，推动海洋科技向创新引领型转变[1-2]。

随着国家对海洋科学人才数量和质量需求的不断提高，我国高等海洋教育的规模不断扩大发展[3]。目前，清华大学、中山大学、浙江大学、厦门大学等近30所普通全日制高校已设立有独立的海洋学院，更多的院校开设了海洋科学相关专业。

海洋科学是实践性很强的学科，充分的实验教学和野外调查实践是海洋科学教育的必要手段[4]。与普通生态学实践教学不同，海洋生态学实践教学尤其是野外调查实践部分，由于海洋生境的限制，必须借助于船舶、潜水装置、水下摄影机等昂贵的仪器设备，高额的费用成为众多院校实践教学的受限因素。为此，提出建设一个海洋生态系统模型馆，利用模型辅助教学，积极配合海洋生态学实践教学工作的开展。

1 模型馆的构成

模型馆以南海海域为模板，以水深为标尺，构建从陆架到洋盆的地理形态，选取亚热带海域典型海洋生态系统：红树林(mangrove)、海草床(seagrass beds)、珊瑚礁(coral reef)及远洋(pelagic zone)、海底冷泉(cold seep)、海底热泉(hot spring)6大典型海洋生态系统为主体进行建设(见图1、2)，各系统通过还原展示生境、物种及物种行为，对其种内种间关系、一般食物网、能流特点及生态功能进行诠释。

图2 模型馆平面布局图

1.1 仿真红树林生态系统

该系统仿制林下细质冲积土及下部黑色软泥、土壤孔洞(即底栖动物挖掘洞穴)，制作土壤横断面以观察其构成及泥滩穴居动物；地面上层安装白骨壤、秋茄、木榄、桐花树、卤蕨等植被模型；林下布置底栖动物(如附着动物：牡蛎、藤壶、小藤壶；树栖动物：黑口滨螺、黑荞麦螺；兼树栖动物：珠带拟蟹手螺，泥栖动物：沙蚕、星虫；兼泥栖动物：细弱胡桃蛤、菲律滨满月蛤；土表动物：贝类、青蟹等；穴居动物：蟹、虾、虾蛄、鱼类)、鸟类(滩涂取食鸟类：白鹡鸰、黑卷尾、池鹭、白鹭、黄苇鳽、朱颈斑鸠；林冠取食鸟类：白鹡鸰、黑卷尾、红耳鹎、黄腹鹪莺、暗绿绣眼、棕背伯劳)等[5-7]。

该系统通过重点还原红树植物根系(支柱根、板根、呼吸根)以诠释其对海岸保护作用、提供鱼类繁育场所等重要生态功能。

1.2 仿真海草生态系统

该系统仿制沙质滩涂(喜盐草和无横脉喜盐草生长)和泥质滩涂(二药藻和日本大叶藻生长)，并于其上安装海草(喜盐草、无横脉喜盐草、二药藻、日本大叶藻)；根据生活方式放置小型固着生物(藻类、水螅、螺、小管栖多毛类、端足类)、大型底栖动物(珠带拟蟹守螺、秀丽织纹螺、克氏锉棒螺、纵带滩栖螺、异足索沙蚕、凸镜蛤和扁平蛛网海胆)、经济海洋动物及其幼体(马氏珠母贝、刀额新对虾、脊尾白虾、细螯沼虾)及以海草为食的海洋哺乳动物(儒艮)等模型[8-10]。

该系统通过还原海草叶片形态、根系(通过制作一块活动的透明土壤实现泥下根系状况的观察)、植株横纵切面显微结构、植株生长繁殖过程特征，以表现其稳定底质、减缓水流稳定海岸、促进沉淀净化水体等重要生态作用。

1.3 仿真珊瑚礁生态系统

仿真珊瑚礁生态系统在人工礁石的基础上安装各类珊瑚的仿真活体和白化体(如杯形珊瑚、鹿角珊瑚、石芝珊瑚、铁星珊瑚、菌珊瑚、滨珊瑚、枇杷珊瑚、裸肋珊瑚、蜂巢珊瑚、褶叶珊瑚、梳状珊瑚、丁香珊瑚等)；根据生活方式布置珊瑚礁鱼类(包括古氏魟、密花裸胸鳝、叉尾颌针鱼、孔雀鳞鱼、条新东洋鳂、红鳍冠海龙、中华管口鱼、辐纹蓑鮋、斑点九棘鲈、九丝天竺鲷、平线若鲹、蓝黄梅鲷、四带笛鲷、东方胡椒鲷以及珊瑚礁健康程度的指标物种——蝴蝶鱼等)，布置珊瑚礁礁栖动物(如海绵、海葵、柳山湖、水螅珊瑚、苍珊瑚)及其他海洋动物(如虾、蟹、管虫、海百合、海星、海胆、海参、海鞘、玳瑁、鲨)等模型[11-14]。

该系统通过表现珊瑚礁的物种丰富度及多样性，一方面展示出了海洋生物群落中的各种种间关系，另一方面诠释了珊瑚礁对于生物多样性保护的重要意义。同时，利用模拟健康珊瑚与白化珊瑚的生境进行对比，表现出当前全球环境给珊瑚礁带来的巨大威胁。

1.4 仿真远洋生态系统

模型馆中央以穹顶模拟大洋表层水域，通过软膜天花投射光线变化演示各类浮游生物(藻类及浮游动物)及其季节性变化。从穹顶到地面的空间作为大洋水体，选择身体特征明显的生物悬挂放置，以体现深海动物对环境的适应机制。其中，光照带选择浮游生物放大模型、凤尾鱼、蓝鳍吞拿、泛热带点斑原海豚、蓝鲨；昏暗带选择磷虾、乌贼、栉水母、灯笼鱼、银斧鱼；黑暗带选择鮟鱇鱼、宽咽鱼、蝰鱼、红虾、深海乌贼及深海底栖动物海蛇尾、海星、海胆、海绵、海百合、海鞘、鼠尾鱼等进行布置[15]。洋盆放置鲸遗骸模型，布置盲鳗及菌丛[16]。

该系统展示了大洋食物链，展示了各水层海洋生物，表现出海洋生物对环境的适应机制及洋盆底栖生物多样性。通过电子遥控模拟海洋雪及游泳动物的昼夜垂直移动行为，以表现远洋深海的食物供应方式。

1.5 仿真海底冷泉生态系统

系统选择太平洋活动俯冲带冷泉为模板进行构建，制作初级生产者(甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌)及其高倍放大模型、一级消费者(管状蠕虫、蛤类、贻贝、多毛类、海星、海胆、海虾等)、二级消费者(鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等)及分解者(线虫等)，制作冷泉自生矿物(方解石、文石、白云石、黄铁矿、菱铁矿、重晶石、石膏、自然硫)等模型。

该系统着重表现其化能自养的特殊性，表现低多样性和高生物量的群落特征，表现活动冷泉与死亡冷泉的差别，表现冷泉的丰富可燃冰及矿物资源，并利用电子遥控模型模拟冷泉资源开采行为。

1.6 仿真海底热泉生态系统

该系统通过部分模型结合壁画表现出分布于太平洋洋中脊的众多海底热泉(包括金属硫化物烟囱的活动烟囱体及静止烟囱体)，并通过在活动烟囱体内部通过安装遥控声光电子系统，模拟热泉在高压下的涌出状态。与仿真冷泉生态系统一样，制作完整的热泉生物食物链模型(硫化细菌菌垫、管虫、贻贝、藤壶、盲蟹、盲虾、绵鳚等)。 另外，遥控潜深器将用来模拟深海采样等多项调查行为。

该系统通过表现不依赖光能的特殊食物链，呈现出生态系统的另一个特殊形态，并由此引发地球生命起源可能性的新讨论。

2 模型馆的应用及意义

2.1 模型馆的应用

(1) 应用于实践教学。模型馆将自然生态环境以模型形式进行室内还原，让学生无需走出校门就可以进行模拟野外实践调查。

以珊瑚礁物种多样性调查为例，对仿真珊瑚礁进行种类鉴定、优势类群统计分析、多样性指数分析等调查工作。采用截线样条法、以模型为一条断面进行样方设置，对各样方拍照记录后，在电脑上进行群落信息判定，对照珊瑚分类学文献“中国动物志—造礁石珊瑚”进行珊瑚种类鉴定及数量统计。

通过鉴定及统计出的数量，可以以各属石珊瑚重要值(IV=RA+RF+RC)为指标分析石珊瑚优势类群，可以进行物种多样性指数分析(Simpson指数、Shannon-wiener指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数，最后以模拟生境条件分析统计结果。

(2) 应用于理论教学。利用模型馆，实现了实地教学。教师将教学活动从课堂转移至相关“自然环境”，使教学行为从文字、图片、视频跳跃出来，提高了理论知识的直观性和交互性。同时，可以进行海洋生态学微课制作。微课，是构成微课程的重要元素，微课程是MOOC的蓝本，而MOOC是全球教育发展的必然趋势。微课由于其短小精干、重点出突、形式多样、内容活泼且容量较小易于传播而受到学习者们的亲睐，利用模型资源拍摄制作微课或鼓励学生制作微课，一方面增加了微课的活泼性，另一方面促进了学生的学习自主性，并以此总结出适合“翻转课堂”的微课制作方式。

(3) 应用于科普宣传。截止2015年5月，由中国海洋学会建立的全国海洋科普教育基地已产生46家，在这些教育基地中，有的以活体海洋生物展示为主体(海洋馆、海底世界)，有的以标本展示为主体(海洋博物馆、海事博物馆)，有的以实验室为科普教育主体(科研院所及高校研究室)。本模型馆以典型海洋生态系统为单位，展示海洋生物与生境的生态关系，具有鲜明的特色。笔者认为，通过“实地参观”海洋生态系统一方面增加了参观者的海洋科普知识，另一方面通过直观比较健康系统与死亡系统的差异，体会人类行为给海洋生态环境带来的巨大影响，能更好地提高参观者的海洋保护意识。

2015年7月，国家海洋局印发《国家海洋局海洋生态文明建设实施方案》(2015-2020年)，要求沿海各级海洋主管部门和局属各部门单位切实提高认识，把落实《实施方案》当作“十三五”期间海洋事业发展的重要基础性工作抓实抓牢，将海洋生态文明建设贯穿于海洋事业发展的全过程和各方面，推动海洋生态文明建设上水平、见实效。海洋生态系统模型馆将积极配合这一方案，在教学使用以外实行定期对外开放，切实做好海洋生态文明建设的教育和宣传工作。

2.2 模型馆的意义

(1) 还原生态系统，让更多的学生得以走近海洋。目前，由于设备及资金限制，海洋生态实地调查及采样研究在大多数高校中无法普及开展，海洋生态学实践教学仅能实现基础实验部分，远远无法满足实践教学需要。模型馆以其特殊的还原功能，将水下世界搬到室内，让所有的学生足不出户就走近海洋、开展调查活动，真正做到了让学生“到自然中去”“在自然中探究自然、在自然中学习自然”，充分贴合了自然科学的实践教学理念。

(2) 应用仿真模型，实现调查活动的可持续发展。相对于实物标本而言，仿真模型具有低价、易保存、更真实还原活体生物(尤其是水生生物)及可进行发光、遥控改造等优势。模型的广泛应用一定程度上减少了标本(尤其是珍惜动物标本)的使用，缓解了环境压力。与单纯的标本展示相较，完整生态系统能为实践教学提供模拟实验场地和实验素材，并且以其材料的特殊性，保证了模拟实验场地的无限次及无限频率使用，实现了海洋生态学调查实践活动的可持续发展。

(3) 改变传统理念，构建海洋生态学三维教学模式。模型馆使教学活动从课本、屏幕、单纯操作中跳出来，通过让学生“实地观察”、“亲身体验”，激发学生自主学习、主动调查的学习和实践兴趣，充分调动教师和学生的学习积极性，形成了在观察中学习、在学习中观察的教学方式，构建出海洋生态学的“三维教学”模式。利用该模型馆将由实验室内操作的单一活动让位于形式多样、内容丰富的立体式教学活动，把实践、讲授和讨论紧密连系在了一起，实现了"知识与能力，过程与方法，情感、态度和价值观"的三维教学目标，充分发挥出了实践教学中教师的主导作用及学生的实践主体地位。

(4) 控制建造成本，使模型馆更易推广。本馆就场地投入而言，使用了120 m2的室内面积、420 m3室内空间、154 m2内墙面及77 m2外墙面，构建了6个典型海洋生态系统(如图2)；就建设资金投入而言，除生物模型外，本馆投入预算为10万元，生物模型按材质及仿真度不同，价格差别较大，以玻璃钢高仿模型计算成本约为12万元；就后期维护费用而言，模型馆除馆内定期清洁及通风系统用电外，几乎不产生后期维护费用,这使得模型馆易于在高校中推广。

3 结 语

综上所述，建设海洋生态系统模型馆对于开展海洋生态学实践教学有着重大的意义和作用。以模型辅助教学的教学模式可以在自然科学教学中进行推广。模型馆的建成，不仅有利于教学活动的进一步开展，亦能服务于社会，通过教育宣传提高公众海洋意识，为实现海洋强国的战略目标贡献力量。

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[2] 习近平在中共中央政治局第八次集体学习时强调进一步关心海洋认识海洋经略海洋推动海洋强国建设不断取得新成就[N].人民日报，2013-08-01(001版).

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[4] 柯长青,李满春,王腊春.地理与海洋科学实验教学中心的建设与发展[J].实验技术与管理,2012,29(2):109-112.

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[6] 何斌源,赖廷和.广西北部湾红树林湿地海洋动物图谱[M].北京：科学出版社,2013.

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[16] 张武昌,高尚武,孙 军.南海北部冬季和夏季浮游哲水蚤类群落[J].海洋与湖泊,2010,41(3)：448-457.

·名人名言·

只有严格的专业化能使学者在某一时刻,大概也是他一生中唯一的时刻,相信自己取得了一项真正能够传至久远的成就。今天任何真正明确而有价值的成就,肯定也是一项专业成就。

——马克斯·韦伯

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

广西民族大学校级科研项目(2016MDYB027)

龙 寒(1979-) ，女，广西河池人，硕士，实验师，主要从事实验教学及实验室管理工作。

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

何秀苗(1975-)，女，广西东兰人，博士,教授， 研究方向：微生物与免疫学。E-mail:Xiumiaohe0839@sina.com

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0250-04