實驗簡介：

21世紀是生物世紀，生命科學領(lǐng)域持續(xù)取得重大技術(shù)突破，生物技術(shù)漸與信息技術(shù)并行成為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的底層共性技術(shù)，標志著生物經(jīng)濟時代的到來，必將催生生物工程的飛躍發(fā)展。發(fā)酵工程是生物工程的重要分支，其中近年來發(fā)展最快的以谷氨酸代謝控制為代表的液體深層發(fā)酵技術(shù)無疑是帶動生物經(jīng)濟最有力途徑之一。江蘇海洋大學依托“生物工程”重點學科的知識積淀和國家教育專業(yè)認證OBE教學理念，堅持立德樹人，強化以能力為先的人才培養(yǎng)理念，堅持“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的原則。產(chǎn)科教融合，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了從種子制備到發(fā)酵控制的具有開放性、擴展性的谷氨酸發(fā)酵場景，使學生能夠“身臨其境”地開展發(fā)酵系統(tǒng)基本組成認知、發(fā)酵工藝設(shè)計集成、發(fā)酵過程控制技術(shù)應用的實驗。通過實驗，培養(yǎng)學生掌握谷氨酸液體深層發(fā)酵基本組成和代謝控制原理的知識，構(gòu)筑根據(jù)生產(chǎn)需求開展發(fā)酵工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，鍛煉應用理論知識解決谷氨酸發(fā)酵實際問題的能力；同時，潛移默化地激發(fā)學生的專業(yè)自豪感和投身“生物強國”建設(shè)的使命感。本實驗為生物工程專業(yè)主干課程，面向高校和社會免費開放。

實驗背景：

1、谷氨酸發(fā)酵的典型性

谷氨酸是最先成功地利用發(fā)酵法進行生產(chǎn)的氨基酸，谷氨酸發(fā)酵是典型的代謝調(diào)控發(fā)酵。發(fā)酵過程中，谷氨酸的大量積累不是由于生物合成途徑的特異，而是菌體代謝調(diào)節(jié)控制和細胞膜通透性的特異調(diào)節(jié)以及發(fā)酵條件的適合。在這個過程中，影響谷氨酸產(chǎn)生菌生長、繁殖、代謝及合成產(chǎn)物的因素很多，通過人工干預有目的地控制這些因素，使其最終滿足谷氨酸菌種的代謝合成需要，可以達到增加產(chǎn)物降低消耗的目的。我國的谷氨酸發(fā)酵雖然在產(chǎn)量、質(zhì)量等方面有了較大的提高，但與國外先進水平相比還存在一定差距。主要表現(xiàn)在：設(shè)備陳舊，規(guī)模小，自控水平、轉(zhuǎn)化率和提取率低，易受噬菌體污染，廢水污染問題尚未完全解決等。因此，了解谷氨酸發(fā)酵機理，掌握其發(fā)酵工藝，將有助于對代謝調(diào)控發(fā)酵的理解，有助于對其它有氧發(fā)酵特別是氨基酸發(fā)酵的理解和掌握。

2、生物強國建設(shè)的緊迫性

目前，生物經(jīng)濟已經(jīng)迎來了快速發(fā)展期，建設(shè)生物強國必須大力發(fā)展生物高新技術(shù)。以發(fā)酵技術(shù)為核心的生物技術(shù)是關(guān)乎國家科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、資源保護利用、生物安全、政策環(huán)境等方面戰(zhàn)略需求的核心技術(shù)之一?！?/font>“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》恰逢其時、正當其勢，分析了發(fā)展生物經(jīng)濟的重大意義及國內(nèi)外形勢，必將推動我國從“生物技術(shù)大國”到“生物技術(shù)強國”的轉(zhuǎn)變。這就對我國培養(yǎng)具備自主創(chuàng)新實踐能力的生物工程技術(shù)人才提出了迫切需求。如何將科教融合、立德樹人的教學理念融入教學全過程，通過開展“沉浸式”交互操作，不僅使學生掌握谷氨酸代謝控制發(fā)酵基礎(chǔ)知識并具備實踐應用能力，而且潛移默化地激發(fā)學生投身生物強國建設(shè)的情懷和使命感，是教學所面臨的重要挑戰(zhàn)。

3、谷氨酸發(fā)酵現(xiàn)實實驗的局限性

由于我國大部分高等院校谷氨酸發(fā)酵課程更多的停留在理論知識學習，代謝控制發(fā)酵在設(shè)計和運行管理過程中需要綜合運用機械、電子、計算機、人工智能、大數(shù)據(jù)等多種生物技術(shù)，根據(jù)科學生產(chǎn)需求建設(shè)的谷氨酸發(fā)酵還需要應用物理化學、生物化學、微生物學等多種生物科學知識，具有綜合性強、復雜度高的跨學科特點，開展原理實驗的難度大；且當前傳統(tǒng)的線下谷氨酸發(fā)酵過程控制實驗教學中，存在著“安全隱患大，教學效果差，維護成本高、實驗時間長、實驗操作難”等問題。因此，傳統(tǒng)教學方式學生難以理解，應用虛擬仿真方法進行實驗教學十分必要。

設(shè)計原則：

為形象生動地傳授谷氨酸代謝控制發(fā)酵理論知識及實踐應用，本項目團隊遵循“學生為本-循序漸進-容錯優(yōu)化-科教融合”的設(shè)計原則，自主開發(fā)了谷氨酸發(fā)酵過程控制虛擬仿真實驗。

（1）堅持以學生為本、自主學習探究的教學理念。

堅持以學生為中心，以任務驅(qū)動為導向，科學合理地設(shè)置實驗教學環(huán)節(jié)。實驗基于三維虛擬仿真技術(shù)，真實還原了由罐外到罐內(nèi)全方位、立體化、開放式、交互性的實驗場景，并提供了內(nèi)容詳實的知識點和知識角，引導學生圍繞任務開展自主式的學習和探究，身臨其境地通過“沉浸式”交互式操作，高效有序地開展實驗。

（2）設(shè)置科學合理、循序漸進的實驗環(huán)節(jié)。

實驗依據(jù)《發(fā)酵工藝學》課程大綱和關(guān)鍵知識點建立了多層次、多模塊的實驗教學體系，使學生逐步完成“基礎(chǔ)認知、分析設(shè)計、應用探索”三個層面的實驗，循序漸進地開展“基本原理知識學習、設(shè)計分析能力訓練、創(chuàng)新工程思維培養(yǎng)”的實踐學習過程，充分掌握通用式機械攪拌發(fā)酵罐的基本組成和工作原理以及典型好氧發(fā)酵技術(shù)和應用，初步構(gòu)建代謝控制發(fā)酵知識體系。

（3）實現(xiàn)容錯探究、修正優(yōu)化的實踐操作。

實驗結(jié)果錯誤或不理想時，學生可根據(jù)提示和評估結(jié)果進行多次嘗試，實現(xiàn)實驗結(jié)果的修正和優(yōu)化，從而使學生充分感受到探索、解決問題的樂趣，提升求知欲和探索能力，培養(yǎng)學生建立理論設(shè)計、仿真驗證、反復優(yōu)化的工程設(shè)計思維，以及設(shè)計計算、實踐操作和工程應用的能力。

（4）堅持科教融合、立德樹人的教育理念。

 建設(shè)生物強國必須大力發(fā)展生物高新技術(shù)，生物發(fā)酵技術(shù)是關(guān)乎國家基礎(chǔ)研究、生物資源保護開發(fā)利用、生物技術(shù)創(chuàng)新及應用等方面戰(zhàn)略需求的核心技術(shù)。本實驗充分利用團隊所掌握的最新發(fā)酵工程相關(guān)知識，將高水平的科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源，在傳授代謝控制發(fā)酵知識的同時，潛移默化地激發(fā)學生投身生物強國建設(shè)的情懷和使命感。

實驗目標：

本實驗堅持以學生為中心、以立德樹人為根本的教學理念，通過虛擬仿真所營造的情景體驗式的教學環(huán)境，使學生循序漸進地開展“基本原理知識學習、分析設(shè)計基礎(chǔ)操作、創(chuàng)新思維能力提升”的學習實踐過程，完成“基礎(chǔ)認知、分析設(shè)計、應用探索”三個層次的訓練，實現(xiàn)以下具體教學目標：

 ①基礎(chǔ)認知環(huán)節(jié)：提高學生對設(shè)備結(jié)構(gòu)及應用原理的掌握。幫助學生認知發(fā)酵罐、接種與加樣系統(tǒng)、水電氣與蒸汽系統(tǒng)、補料系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵組網(wǎng)單元的結(jié)構(gòu)和功能，使學生掌握觀測網(wǎng)基本組成和工作原理的知識。

 ②分析設(shè)計環(huán)節(jié)：幫助學生掌握谷氨酸發(fā)酵過程參數(shù)的檢測方法，并能用于分析發(fā)酵動態(tài)，引導學生探究發(fā)酵參數(shù)對谷氨酸發(fā)酵的影響及解決方案，使學生建立從“發(fā)酵單元”到“系統(tǒng)設(shè)計”的整體思維，提高學生的參與度和工程操作能力。

 ③應用探索環(huán)節(jié)：通過設(shè)計滅菌、接種、通風、補料、等操作任務，引導學生開展發(fā)酵系統(tǒng)控制、滅菌、pH調(diào)節(jié)或泡沫控制、微生物攝氧率及發(fā)酵罐Kla的測定等工程學習，鍛煉學生應用理論知識解決實際工程問題的能力，提高學生的專業(yè)認知和創(chuàng)新思維能力。

 ④家國情懷：通過知識角中生物技術(shù)及發(fā)酵工程國內(nèi)外進展及我國關(guān)于生物強國的政策規(guī)劃等方面的拓展閱讀和對比，結(jié)合理論課課程思政教育的同向同步，將思政教育潛移默化地融入到實驗教學過程，激發(fā)學生的專業(yè)認同感以及投身“生物強國”建設(shè)的情懷和使命感。

實驗要求：

（1）專業(yè)與年級要求

本實驗屬于江蘇海洋大學生物工程專業(yè)三年級學生的專業(yè)主干課《發(fā)酵工藝學實驗》課程的授課內(nèi)容。

鑒于本實驗課程中“發(fā)酵系統(tǒng)基本組成認知、發(fā)酵工藝設(shè)計集成、發(fā)酵過程控制技術(shù)應用”三個環(huán)節(jié)的實驗內(nèi)容具有相對獨立性，全校其它專業(yè)的學生也可根據(jù)專業(yè)需求和個人興趣及學習能力選擇不同的實驗環(huán)節(jié)進行選修。

（2） 基本知識和能力要求

具備一定的生物學知識和一定的計算機使用能力，具有自主學習能力和一定的自主探索能力，能夠在基礎(chǔ)認知、分析設(shè)計、應用探索三個層次的實驗中總結(jié)分析特定實驗結(jié)果背后的原因，將專業(yè)理論知識活學活用。

（3）實驗注意事項

本實驗為綜合設(shè)計型課程實驗，具有較強的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。為確保教學質(zhì)量，提出以下實驗注意事項。

①實驗前，學生應認真閱讀實驗指導書，觀看教學引導視頻和操作視頻，在教師指導下明確實驗目的及各環(huán)節(jié)的知識點和重難點，奠定實驗理論基礎(chǔ)；

②請選擇符合“實驗教學相關(guān)網(wǎng)絡”條件要求的軟硬件實驗環(huán)境開展實驗，以保證實驗操作的流暢性。

③實驗過程中，請仔細閱讀各環(huán)節(jié)任務要求，并根據(jù)步驟引導開展實驗。當實驗結(jié)果不理想時，請根據(jù)系統(tǒng)提示認真修改；同時，還可通過微信群、論壇、服務熱線等方式尋求在線指導。

④請充分利用知識鏈接，通過知識點課件庫開展拓展閱讀，擴充自己的專業(yè)知識。

⑤完成實驗后，請務必點擊“完成并提交”以生成實驗報告，并在關(guān)閉實驗界面前，點擊界面右下角的“實驗報告”鏈接進入課程平臺查看，并結(jié)合實驗報告認真回顧實驗過程，針對不足查找原因，并積極開展互動交流，以進一步鞏固理論知識、提升創(chuàng)新思維能力。