实验简介：
本实验教学课程是河海大学海洋学院基于多年海洋微生物学教学成果，运用三维仿真技术开发的，以帮助学生了解深海极端环境特征、掌握深海极端环境样品采集过程和嗜极微生物培养技能为目的虚拟仿真实验教学项目。
1.实验的必要性及实用性
深海微生物资源的价值，首先体现在它的科研价值。随着深海采样技术的发展及高压、耐热等嗜极微生物特殊培养设备的开发，深海嗜极微生物已成为生命科学领域的研究热点之一，通过对这些嗜极微生物的研究有助于探索地球生命的温度压力极限及生命起源和演化等科学问题。另外，研究表明，深海极端环境生活的微生物能产生一些结构新颖的化合物，具有新活性和潜在的药用价值。因此，培养海洋嗜极微生物研究方面的高层次人才，对海洋生物资源的开发利用起着关键的基础作用。然而，开展深海极端环境微生物研究却面临着高成本、高危和高难度等困难。
（1）高成本。全世界共有各类载人深潜器10余艘，属于高精尖设备。它们的下潜深度主要在5000米甚至6000米以下的深海，深潜往返时间长，需要专业的团队协调工作，运行成本极高。而嗜极微生物培养相关的设备，构造复杂、成本较高。这些都远远超过了本科阶段实验课的预算成本。
（2）高危。普通深海环境的特点是高压、黑暗、低温、缺氧，而热液区中心的温度可达到300℃以上。这样的极端环境对，对相关的仪器设备要求极高，深潜器中的工作人员的声明每时每刻都受到多重威胁。这种特殊性给学生直接参与深海探索、开发利用深海生物资源资源提出了巨大挑战。另一方面，嗜压微生物的培养需要使用高压容器，嗜热微生物的培养需要50℃甚至120℃以上的高温培养设备，操作不当就可能引发安全事故，不适合开展实践教学。
（3）高难度。深海探索，尤其是深海极端环境探索，一直都是海洋科学研究的前沿热点领域，需要使用最先进的设备和技术不断尝试，技术难度极高。搭载深潜器的人员也需要强大的心理素质和极高的专业素养，样品采集过程中也需要丰富的经验和敏锐的洞察力。而嗜极微生物的培养过程涉及复杂的设备、步骤繁琐，技术难度大。整个实验涉及多学科知识的综合运用，对学生的知识储备和技能水平要求极高，因此开展实践教学活动的难度极大。
2.教学设计的合理性
鉴于以上原因，采用三维虚拟仿真、多维时空数据和动态可视化等技术，针对深海热液区微生物样品采集、分离和培养过程中抽象、难以表达或者难以开展实际操作的环节，展开数字仿真模拟与动态演示，引导学生在虚拟环境下掌握深海样品采集、环境数据分析、嗜极微生物分离培养等方法和流程，结合海洋微生物的理论框架，深入学习与探索深海嗜极微生物的时空分布和动态演化规律，从而激发学生探索深海极端环境生命现象的兴趣，增进学生的创新思维、实践动手与科学研究能力，培养具有创新意识和创新能力的海洋科学高层次专业人才。
3.实验系统的先进性
深海极端环境的地质过程、物质循环、能量流动和生命现象，是当前海洋科学最热门的前沿领域之一。本实验通过对深海极端环境样品采集与嗜极微生物培养过程的虚拟仿真，使学生通过自主学习，了解科考船、深潜器和微生物培养相关设备的结构原理，了解深海热液区样品采集的方法、装置和原理，掌握嗜热嗜压微生物的培养方法。从而较好地解决了实验成本高、实验危险性大、实验试错成本大等问题，有利于使学生掌握最前沿的海洋科学调查研究方法，培养能胜任在各类科研单位及组织中从事海洋生物样品采集和培养工作的高级专门人才。
实验背景：
本实验教学课程是河海大学海洋学院基于多年海洋微生物学教学成果，运用三维仿真技术开发的，以帮助学生了解深海极端环境特征、掌握深海极端环境样品采集过程和嗜极微生物培养技能为目的虚拟仿真实验教学项目。
1. 实验的必要性及实用性
深海微生物资源的价值，首先体现在它的科研价值。随着深海采样技术的发展及高压、耐热等嗜极微生物特殊培养设备的开发，深海嗜极微生物已成为生命科学领域的研究热点之一，通过对这些嗜极微生物的研究有助于探索地球生命的温度压力极限及生命起源和演化等科学问题。另外，研究表明，深海极端环境生活的微生物能产生一些结构新颖的化合物，具有新活性和潜在的药用价值。因此，培养海洋嗜极微生物研究方面的高层次人才，对海洋生物资源的开发利用起着关键的基础作用。然而，开展深海极端环境微生物研究却面临着高成本、高危和高难度等困难。
（1）高成本。全世界共有各类载人深潜器10余艘，属于高精尖设备。它们的下潜深度主要在5000米甚至6000米以下的深海，深潜往返时间长，需要专业的团队协调工作，运行成本极高。而嗜极微生物培养相关的设备，构造复杂、成本较高。这些都远远超过了本科阶段实验课的预算成本。
（2）高危。普通深海环境的特点是高压、黑暗、低温、缺氧，而热液区中心的温度可达到300℃以上。这样的极端环境对，对相关的仪器设备要求极高，深潜器中的工作人员的声明每时每刻都受到多重威胁。这种特殊性给学生直接参与深海探索、开发利用深海生物资源资源提出了巨大挑战。另一方面，嗜压微生物的培养需要使用高压容器，嗜热微生物的培养需要50℃甚至120℃以上的高温培养设备，操作不当就可能引发安全事故，不适合开展实践教学。
（3）高难度。深海探索，尤其是深海极端环境探索，一直都是海洋科学研究的前沿热点领域，需要使用最先进的设备和技术不断尝试，技术难度极高。搭载深潜器的人员也需要强大的心理素质和极高的专业素养，样品采集过程中也需要丰富的经验和敏锐的洞察力。而嗜极微生物的培养过程涉及复杂的设备、步骤繁琐，技术难度大。整个实验涉及多学科知识的综合运用，对学生的知识储备和技能水平要求极高，因此开展实践教学活动的难度极大。
2.教学设计的合理性，
鉴于以上原因，采用三维虚拟仿真、多维时空数据和动态可视化等技术，针对深海嗜冷、嗜热、嗜压微生物样品采集、分离和培养过程中抽象、难以表达或者难以开展实际操作的环节，展开数字仿真模拟与动态演示，引导学生在虚拟环境下掌握深海样品采集、环境数据分析、嗜极（冷、热、压）微生物分离培养等方法和流程，结合海洋微生物的理论框架，深入学习与探索深海嗜极微生物的时空分布和动态演化规律，从而激发学生探索深海极端环境生命现象的兴趣，增进学生的创新思维、实践动手与科学研究能力，培养具有创新意识和创新能力的海洋科学高层次专业人才。
3.实验系统的先进性
深海极端环境的地质过程、物质循环、能量流动和生命现象，是当前海洋科学最热门的前沿领域之一。本实验通过对深海极端环境样品采集与嗜极微生物培养过程的虚拟仿真，使学生通过自主学习，了解科考船、深潜器和微生物培养相关设备的结构原理，了解普通深海环境和热液区样品采集的方法、装置和原理，掌握嗜热、嗜冷、嗜压微生物的培养方法。从而较好地解决了实验成本高、实验危险性大、实验试错成本大等问题，有利于使学生掌握最前沿的海洋科学调查研究方法，培养能胜任在各类科研单位及组织中从事海洋生物样品采集和培养工作的高级专门人才。
设计原则：
在充分掌握深海环境特征、微生物生长规律以及嗜极微生物对环境理化因子需求的基础上，结合大量的海上调查与实践训练，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、数值模拟和网络通讯等信息化技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，展示深海嗜极微生物分离培养关键环节的操作要点，实现真实情况下深海嗜极微生物实验不具备并难以完成的教学功能。结合虚拟仿真系统的人机交互功能，促使学生在虚拟环境中开展实验，达到所要求的认知与实践教学效果。
实验目标：
《海洋微生物学》是海洋科学专业的一门专业基础课。课程以海洋微生物为研究对象，是海洋科学和微生物学交叉形成的一门学科，同时也是与水产学、海洋环境学、海洋生态学、海洋化学、海洋地质学等密切相关的学科。主要介绍海洋微生物的形态、结构、生物学特性及其在生态系统中的作用，深海和极地海洋微生物的种类和特征、海洋微生物的开发利用及研究技术等内容。通过本课程的学习，要求学生掌握海洋微生物学的基本理论知识和相关研究方法，能够加深对海洋微生物在生产应用及生态系统中作用的理解。
深海嗜极微生物的样品采集和培养技术是《海洋微生物学》课程中的前沿内容之一。本实验通过对深海极端环境样品采集与嗜极微生物培养过程的虚拟仿真，使学生通过自主学习，了解科考船、深潜器和微生物培养相关设备的结构原理，了解普通深海环境和热液区样品采集的方法、装置和原理，掌握嗜热、嗜冷、嗜压微生物的培养方法。从而较好地解决了实验成本高、实验危险性大、实验试错成本大等问题，有利于使学生掌握最前沿的海洋科学调查研究方法，培养能胜任在各类科研单位及组织中从事海洋生物样品采集和培养工作的高级专门人才。
实验要求：
实验后应达到的知识水平：
1、熟悉深海环境特征（低温、高压、黑暗等）；
2、熟悉科考船常见设备装置的工作原理和应用范围；
3、理解深海特殊景象形成的原理和过程（海洋雪、黑烟囱、白烟囱、热液区生物群落等）；
4、掌握深海样品采集的原理和保存注意事项；
5、掌握深海嗜极微生物分离培养的原理；
5、掌握无菌操作规范，了解压力容器操作不当的危险性。
实验后应达到的能力水平：
1、掌握深海极端环境样品采集的操作要点；
2、能规范操作压力容器（高压培养罐、高压蒸汽灭菌锅等）；
3、掌握嗜极微生物分离培养的操作流程；
4、能根据目标微生物选择或设计培养基。
