背景與痛點(diǎn)

深海嗜極微生物已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，學(xué)界通過(guò)對(duì)這些嗜極微生物的研究，有助于探索地球生命的溫度壓力極限及生命起源和演化等科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)這些微生物能產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)新穎的化合物，具有潛在的藥用價(jià)值。

然而，開(kāi)展深海極端環(huán)境微生物研究卻面臨著高成本、高危險(xiǎn)和高難度等困難。

嗜極微生物培養(yǎng)相關(guān)的設(shè)備，構(gòu)造復(fù)雜、成本較高。比如其所需的深潛器全球僅有10余艘，其下潛深度主要在5000米甚至6000米以下的深海，深潛往返時(shí)間長(zhǎng)，需要專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)工作，屬于高精尖設(shè)備，運(yùn)行成本極高。這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了本科階段實(shí)驗(yàn)課的預(yù)算成本。

深海為高壓、黑暗、低溫、缺氧的極端環(huán)境，而熱液區(qū)中心的溫度可達(dá)到300℃以上，深潛器中的工作人員生命安全隨時(shí)受到多重威脅。另一方面，嗜壓微生物的培養(yǎng)需要使用高壓容器，嗜熱微生物需要50℃甚至120℃以上的高溫培養(yǎng)設(shè)備，操作稍有不當(dāng)就可能引發(fā)安全事故。

深海探索，尤其是深海極端環(huán)境探索，技術(shù)難度極高。搭載深潛器的人員需要強(qiáng)大的心理素質(zhì)和極高的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，樣品采集過(guò)程中也需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和敏銳的洞察力。而嗜極微生物的培養(yǎng)過(guò)程涉及復(fù)雜的設(shè)備、繁瑣的步驟，整個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，技術(shù)難度大。

該實(shí)驗(yàn)屬于較為典型的“三高四不”（高成本、高難度、高風(fēng)險(xiǎn)，不可達(dá)到、不可觸及、不可重現(xiàn)、不可逆轉(zhuǎn)）難題，開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐的知識(shí)儲(chǔ)備、技能技術(shù)與設(shè)備水平門(mén)檻極高，給學(xué)生直接參與深海探索、開(kāi)發(fā)利用深海生物資源資源提出了巨大挑戰(zhàn)。

解決方案：原則與方針

對(duì)此，恒點(diǎn)與河海大學(xué)共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“深海極端環(huán)境樣品采集與嗜極微生物培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，運(yùn)用三維虛擬仿真、多維時(shí)空數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)可視化等技術(shù)，針對(duì)深海熱液區(qū)微生物樣品采集、分離和培養(yǎng)過(guò)程中抽象、難以表達(dá)或者難以開(kāi)展實(shí)際操作的環(huán)節(jié)，展開(kāi)模擬與動(dòng)態(tài)演示。

在虛擬環(huán)境下，學(xué)生可以掌握深海樣品采集、環(huán)境數(shù)據(jù)分析、嗜極微生物分離培養(yǎng)等方法和流程，結(jié)合海洋微生物的理論框架，深入學(xué)習(xí)與探索深海嗜極微生物的時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，從而激發(fā)探索深海極端環(huán)境生命現(xiàn)象的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手與科學(xué)研究能力。

解決方案：設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

本方案通過(guò)對(duì)深海極端環(huán)境樣品采集與嗜極微生物培養(yǎng)過(guò)程的虛擬仿真，從而較好地解決了實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大、實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本大等問(wèn)題。

在充分掌握深海環(huán)境特征、微生物生長(zhǎng)規(guī)律以及嗜極微生物對(duì)環(huán)境理化因子需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的海上調(diào)查與實(shí)踐訓(xùn)練，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)值模擬和網(wǎng)絡(luò)通訊等信息化技術(shù)，本方案構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

本方案能夠展示深海嗜極微生物分離培養(yǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作要點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)情況下深海嗜極微生物實(shí)驗(yàn)不具備并難以完成的教學(xué)功能。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，達(dá)到所要求的認(rèn)知與實(shí)踐教學(xué)效果。

學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，了解科考船、深潛器和微生物培養(yǎng)相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，了解深海熱液區(qū)樣品采集的方法、裝置和原理，掌握嗜熱嗜壓微生物的培養(yǎng)方法，可以掌握最前沿的海洋科學(xué)技術(shù)，成為能夠勝任海洋生物樣品采集和培養(yǎng)工作的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。

作為恒點(diǎn)MOOL概念（Massive Open Online Labs大規(guī)模在線開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室）的產(chǎn)物，本實(shí)驗(yàn)在慕課MOOC開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程的基礎(chǔ)上，增加了具有互動(dòng)性、操作性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以共享教育資源，實(shí)現(xiàn)教育公平，助力全民終身學(xué)習(xí)型社會(huì)建設(shè)。

恒點(diǎn)還在不斷完善MOOL的各項(xiàng)功能，利用AI技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)、模擬、教學(xué)、評(píng)價(jià)等，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)真實(shí)的模擬，并豐富實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與形態(tài)，建設(shè)更為科學(xué)全面的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以適應(yīng)高素質(zhì)新型人才的培養(yǎng)需求。