實驗簡介：
本實驗教學課程是河海大學海洋學院基于多年海洋微生物學教學成果，運用三維仿真技術開發(fā)的，以幫助學生了解深海極端環(huán)境特征、掌握深海極端環(huán)境樣品采集過程和嗜極微生物培養(yǎng)技能為目的虛擬仿真實驗教學項目。
1.實驗的必要性及實用性
深海微生物資源的價值，首先體現(xiàn)在它的科研價值。隨著深海采樣技術的發(fā)展及高壓、耐熱等嗜極微生物特殊培養(yǎng)設備的開發(fā)，深海嗜極微生物已成為生命科學領域的研究熱點之一，通過對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問題。另外，研究表明，深海極端環(huán)境生活的微生物能產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)新穎的化合物，具有新活性和潛在的藥用價值。因此，培養(yǎng)海洋嗜極微生物研究方面的高層次人才，對海洋生物資源的開發(fā)利用起著關鍵的基礎作用。然而，開展深海極端環(huán)境微生物研究卻面臨著高成本、高危和高難度等困難。
（1）高成本。全世界共有各類載人深潛器10余艘，屬于高精尖設備。它們的下潛深度主要在5000米甚至6000米以下的深海，深潛往返時間長，需要專業(yè)的團隊協(xié)調(diào)工作，運行成本極高。而嗜極微生物培養(yǎng)相關的設備，構(gòu)造復雜、成本較高。這些都遠遠超過了本科階段實驗課的預算成本。
（2）高危。普通深海環(huán)境的特點是高壓、黑暗、低溫、缺氧，而熱液區(qū)中心的溫度可達到300℃以上。這樣的極端環(huán)境對，對相關的儀器設備要求極高，深潛器中的工作人員的聲明每時每刻都受到多重威脅。這種特殊性給學生直接參與深海探索、開發(fā)利用深海生物資源資源提出了巨大挑戰(zhàn)。另一方面，嗜壓微生物的培養(yǎng)需要使用高壓容器，嗜熱微生物的培養(yǎng)需要50℃甚至120℃以上的高溫培養(yǎng)設備，操作不當就可能引發(fā)安全事故，不適合開展實踐教學。
（3）高難度。深海探索，尤其是深海極端環(huán)境探索，一直都是海洋科學研究的前沿熱點領域，需要使用最先進的設備和技術不斷嘗試，技術難度極高。搭載深潛器的人員也需要強大的心理素質(zhì)和極高的專業(yè)素養(yǎng)，樣品采集過程中也需要豐富的經(jīng)驗和敏銳的洞察力。而嗜極微生物的培養(yǎng)過程涉及復雜的設備、步驟繁瑣，技術難度大。整個實驗涉及多學科知識的綜合運用，對學生的知識儲備和技能水平要求極高，因此開展實踐教學活動的難度極大。
2.教學設計的合理性
鑒于以上原因，采用三維虛擬仿真、多維時空數(shù)據(jù)和動態(tài)可視化等技術，針對深海熱液區(qū)微生物樣品采集、分離和培養(yǎng)過程中抽象、難以表達或者難以開展實際操作的環(huán)節(jié)，展開數(shù)字仿真模擬與動態(tài)演示，引導學生在虛擬環(huán)境下掌握深海樣品采集、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，深入學習與探索深海嗜極微生物的時空分布和動態(tài)演化規(guī)律，從而激發(fā)學生探索深海極端環(huán)境生命現(xiàn)象的興趣，增進學生的創(chuàng)新思維、實踐動手與科學研究能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的海洋科學高層次專業(yè)人才。
3.實驗系統(tǒng)的先進性
深海極端環(huán)境的地質(zhì)過程、物質(zhì)循環(huán)、能量流動和生命現(xiàn)象，是當前海洋科學最熱門的前沿領域之一。本實驗通過對深海極端環(huán)境樣品采集與嗜極微生物培養(yǎng)過程的虛擬仿真，使學生通過自主學習，了解科考船、深潛器和微生物培養(yǎng)相關設備的結(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。從而較好地解決了實驗成本高、實驗危險性大、實驗試錯成本大等問題，有利于使學生掌握最前沿的海洋科學調(diào)查研究方法，培養(yǎng)能勝任在各類科研單位及組織中從事海洋生物樣品采集和培養(yǎng)工作的高級專門人才。
實驗背景：
本實驗教學課程是河海大學海洋學院基于多年海洋微生物學教學成果，運用三維仿真技術開發(fā)的，以幫助學生了解深海極端環(huán)境特征、掌握深海極端環(huán)境樣品采集過程和嗜極微生物培養(yǎng)技能為目的虛擬仿真實驗教學項目。
1. 實驗的必要性及實用性
深海微生物資源的價值，首先體現(xiàn)在它的科研價值。隨著深海采樣技術的發(fā)展及高壓、耐熱等嗜極微生物特殊培養(yǎng)設備的開發(fā)，深海嗜極微生物已成為生命科學領域的研究熱點之一，通過對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問題。另外，研究表明，深海極端環(huán)境生活的微生物能產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)新穎的化合物，具有新活性和潛在的藥用價值。因此，培養(yǎng)海洋嗜極微生物研究方面的高層次人才，對海洋生物資源的開發(fā)利用起著關鍵的基礎作用。然而，開展深海極端環(huán)境微生物研究卻面臨著高成本、高危和高難度等困難。
（1）高成本。全世界共有各類載人深潛器10余艘，屬于高精尖設備。它們的下潛深度主要在5000米甚至6000米以下的深海，深潛往返時間長，需要專業(yè)的團隊協(xié)調(diào)工作，運行成本極高。而嗜極微生物培養(yǎng)相關的設備，構(gòu)造復雜、成本較高。這些都遠遠超過了本科階段實驗課的預算成本。
（2）高危。普通深海環(huán)境的特點是高壓、黑暗、低溫、缺氧，而熱液區(qū)中心的溫度可達到300℃以上。這樣的極端環(huán)境對，對相關的儀器設備要求極高，深潛器中的工作人員的聲明每時每刻都受到多重威脅。這種特殊性給學生直接參與深海探索、開發(fā)利用深海生物資源資源提出了巨大挑戰(zhàn)。另一方面，嗜壓微生物的培養(yǎng)需要使用高壓容器，嗜熱微生物的培養(yǎng)需要50℃甚至120℃以上的高溫培養(yǎng)設備，操作不當就可能引發(fā)安全事故，不適合開展實踐教學。
（3）高難度。深海探索，尤其是深海極端環(huán)境探索，一直都是海洋科學研究的前沿熱點領域，需要使用最先進的設備和技術不斷嘗試，技術難度極高。搭載深潛器的人員也需要強大的心理素質(zhì)和極高的專業(yè)素養(yǎng)，樣品采集過程中也需要豐富的經(jīng)驗和敏銳的洞察力。而嗜極微生物的培養(yǎng)過程涉及復雜的設備、步驟繁瑣，技術難度大。整個實驗涉及多學科知識的綜合運用，對學生的知識儲備和技能水平要求極高，因此開展實踐教學活動的難度極大。
2.教學設計的合理性，
鑒于以上原因，采用三維虛擬仿真、多維時空數(shù)據(jù)和動態(tài)可視化等技術，針對深海嗜冷、嗜熱、嗜壓微生物樣品采集、分離和培養(yǎng)過程中抽象、難以表達或者難以開展實際操作的環(huán)節(jié)，展開數(shù)字仿真模擬與動態(tài)演示，引導學生在虛擬環(huán)境下掌握深海樣品采集、環(huán)境數(shù)據(jù)分析、嗜極（冷、熱、壓）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，深入學習與探索深海嗜極微生物的時空分布和動態(tài)演化規(guī)律，從而激發(fā)學生探索深海極端環(huán)境生命現(xiàn)象的興趣，增進學生的創(chuàng)新思維、實踐動手與科學研究能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的海洋科學高層次專業(yè)人才。
3.實驗系統(tǒng)的先進性
深海極端環(huán)境的地質(zhì)過程、物質(zhì)循環(huán)、能量流動和生命現(xiàn)象，是當前海洋科學最熱門的前沿領域之一。本實驗通過對深海極端環(huán)境樣品采集與嗜極微生物培養(yǎng)過程的虛擬仿真，使學生通過自主學習，了解科考船、深潛器和微生物培養(yǎng)相關設備的結(jié)構(gòu)原理，了解普通深海環(huán)境和熱液區(qū)樣品采集的方法、裝置和原理，掌握嗜熱、嗜冷、嗜壓微生物的培養(yǎng)方法。從而較好地解決了實驗成本高、實驗危險性大、實驗試錯成本大等問題，有利于使學生掌握最前沿的海洋科學調(diào)查研究方法，培養(yǎng)能勝任在各類科研單位及組織中從事海洋生物樣品采集和培養(yǎng)工作的高級專門人才。
設計原則：
在充分掌握深海環(huán)境特征、微生物生長規(guī)律以及嗜極微生物對環(huán)境理化因子需求的基礎上，結(jié)合大量的海上調(diào)查與實踐訓練，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)值模擬和網(wǎng)絡通訊等信息化技術，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，展示深海嗜極微生物分離培養(yǎng)關鍵環(huán)節(jié)的操作要點，實現(xiàn)真實情況下深海嗜極微生物實驗不具備并難以完成的教學功能。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)的人機交互功能，促使學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到所要求的認知與實踐教學效果。
實驗目標：
《海洋微生物學》是海洋科學專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。課程以海洋微生物為研究對象，是海洋科學和微生物學交叉形成的一門學科，同時也是與水產(chǎn)學、海洋環(huán)境學、海洋生態(tài)學、海洋化學、海洋地質(zhì)學等密切相關的學科。主要介紹海洋微生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生物學特性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，深海和極地海洋微生物的種類和特征、海洋微生物的開發(fā)利用及研究技術等內(nèi)容。通過本課程的學習，要求學生掌握海洋微生物學的基本理論知識和相關研究方法，能夠加深對海洋微生物在生產(chǎn)應用及生態(tài)系統(tǒng)中作用的理解。
深海嗜極微生物的樣品采集和培養(yǎng)技術是《海洋微生物學》課程中的前沿內(nèi)容之一。本實驗通過對深海極端環(huán)境樣品采集與嗜極微生物培養(yǎng)過程的虛擬仿真，使學生通過自主學習，了解科考船、深潛器和微生物培養(yǎng)相關設備的結(jié)構(gòu)原理，了解普通深海環(huán)境和熱液區(qū)樣品采集的方法、裝置和原理，掌握嗜熱、嗜冷、嗜壓微生物的培養(yǎng)方法。從而較好地解決了實驗成本高、實驗危險性大、實驗試錯成本大等問題，有利于使學生掌握最前沿的海洋科學調(diào)查研究方法，培養(yǎng)能勝任在各類科研單位及組織中從事海洋生物樣品采集和培養(yǎng)工作的高級專門人才。
實驗要求：
實驗后應達到的知識水平：
1、熟悉深海環(huán)境特征（低溫、高壓、黑暗等）；
2、熟悉科考船常見設備裝置的工作原理和應用范圍；
3、理解深海特殊景象形成的原理和過程（海洋雪、黑煙囪、白煙囪、熱液區(qū)生物群落等）；
4、掌握深海樣品采集的原理和保存注意事項；
5、掌握深海嗜極微生物分離培養(yǎng)的原理；
5、掌握無菌操作規(guī)范，了解壓力容器操作不當?shù)奈ｋU性。
實驗后應達到的能力水平：
1、掌握深海極端環(huán)境樣品采集的操作要點；
2、能規(guī)范操作壓力容器（高壓培養(yǎng)罐、高壓蒸汽滅菌鍋等）；
3、掌握嗜極微生物分離培養(yǎng)的操作流程；
4、能根據(jù)目標微生物選擇或設計培養(yǎng)基。
