实验简介：
21世纪是生物世纪，生命科学领域持续取得重大技术突破，生物技术渐与信息技术并行成为支撑经济社会发展的底层共性技术，标志着生物经济时代的到来，必将催生生物工程的飞跃发展。发酵工程是生物工程的重要分支，其中近年来发展最快的以谷氨酸代谢控制为代表的液体深层发酵技术无疑是带动生物经济最有力途径之一。江苏海洋大学依托“生物工程”重点学科的知识积淀和国家教育专业认证OBE教学理念，坚持立德树人，强化以能力为先的人才培养理念，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则。产科教融合，利用虚拟仿真技术构建了从种子制备到发酵控制的具有开放性、扩展性的谷氨酸发酵场景，使学生能够“身临其境”地开展发酵系统基本组成认知、发酵工艺设计集成、发酵过程控制技术应用的实验。通过实验，培养学生掌握谷氨酸液体深层发酵基本组成和代谢控制原理的知识，构筑根据生产需求开展发酵工艺设计的基础，锻炼应用理论知识解决谷氨酸发酵实际问题的能力；同时，潜移默化地激发学生的专业自豪感和投身“生物强国”建设的使命感。本实验为生物工程专业主干课程，面向高校和社会免费开放。
实验背景：
1、谷氨酸发酵的典型性
谷氨酸是最先成功地利用发酵法进行生产的氨基酸，谷氨酸发酵是典型的代谢调控发酵。发酵过程中，谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径的特异，而是菌体代谢调节控制和细胞膜通透性的特异调节以及发酵条件的适合。在这个过程中，影响谷氨酸产生菌生长、繁殖、代谢及合成产物的因素很多，通过人工干预有目的地控制这些因素，使其最终满足谷氨酸菌种的代谢合成需要，可以达到增加产物降低消耗的目的。我国的谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较大的提高，但与国外先进水平相比还存在一定差距。主要表现在：设备陈旧，规模小，自控水平、转化率和提取率低，易受噬菌体污染，废水污染问题尚未完全解决等。因此，了解谷氨酸发酵机理，掌握其发酵工艺，将有助于对代谢调控发酵的理解，有助于对其它有氧发酵特别是氨基酸发酵的理解和掌握。
2、生物强国建设的紧迫性
目前，生物经济已经迎来了快速发展期，建设生物强国必须大力发展生物高新技术。以发酵技术为核心的生物技术是关乎国家科技创新、产业发展、资源保护利用、生物安全、政策环境等方面战略需求的核心技术之一。《“十四五”生物经济发展规划》恰逢其时、正当其势，分析了发展生物经济的重大意义及国内外形势，必将推动我国从“生物技术大国”到“生物技术强国”的转变。这就对我国培养具备自主创新实践能力的生物工程技术人才提出了迫切需求。如何将科教融合、立德树人的教学理念融入教学全过程，通过开展“沉浸式”交互操作，不仅使学生掌握谷氨酸代谢控制发酵基础知识并具备实践应用能力，而且潜移默化地激发学生投身生物强国建设的情怀和使命感，是教学所面临的重要挑战。
3、谷氨酸发酵现实实验的局限性
由于我国大部分高等院校谷氨酸发酵课程更多的停留在理论知识学习，代谢控制发酵在设计和运行管理过程中需要综合运用机械、电子、计算机、人工智能、大数据等多种生物技术，根据科学生产需求建设的谷氨酸发酵还需要应用物理化学、生物化学、微生物学等多种生物科学知识，具有综合性强、复杂度高的跨学科特点，开展原理实验的难度大；且当前传统的线下谷氨酸发酵过程控制实验教学中，存在着“安全隐患大，教学效果差，维护成本高、实验时间长、实验操作难”等问题。因此，传统教学方式学生难以理解，应用虚拟仿真方法进行实验教学十分必要。
设计原则：
为形象生动地传授谷氨酸代谢控制发酵理论知识及实践应用，本项目团队遵循“学生为本-循序渐进-容错优化-科教融合”的设计原则，自主开发了谷氨酸发酵过程控制虚拟仿真实验。
（1）坚持以学生为本、自主学习探究的教学理念。
坚持以学生为中心，以任务驱动为导向，科学合理地设置实验教学环节。实验基于三维虚拟仿真技术，真实还原了由罐外到罐内全方位、立体化、开放式、交互性的实验场景，并提供了内容详实的知识点和知识角，引导学生围绕任务开展自主式的学习和探究，身临其境地通过“沉浸式”交互式操作，高效有序地开展实验。
（2）设置科学合理、循序渐进的实验环节。
实验依据《发酵工艺学》课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，使学生逐步完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层面的实验，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践学习过程，充分掌握通用式机械搅拌发酵罐的基本组成和工作原理以及典型好氧发酵技术和应用，初步构建代谢控制发酵知识体系。
（3）实现容错探究、修正优化的实践操作。
实验结果错误或不理想时，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，实现实验结果的修正和优化，从而使学生充分感受到探索、解决问题的乐趣，提升求知欲和探索能力，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。
（4）坚持科教融合、立德树人的教育理念。
建设生物强国必须大力发展生物高新技术，生物发酵技术是关乎国家基础研究、生物资源保护开发利用、生物技术创新及应用等方面战略需求的核心技术。本实验充分利用团队所掌握的最新发酵工程相关知识，将高水平的科研成果转化为教学资源，在传授代谢控制发酵知识的同时，潜移默化地激发学生投身生物强国建设的情怀和使命感。
实验目标：
本实验坚持以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念，通过虚拟仿真所营造的情景体验式的教学环境，使学生循序渐进地开展“基本原理知识学习、分析设计基础操作、创新思维能力提升”的学习实践过程，完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的训练，实现以下具体教学目标：
①基础认知环节：提高学生对设备结构及应用原理的掌握。帮助学生认知发酵罐、接种与加样系统、水电气与蒸汽系统、补料系统、监控与数据中心等关键组网单元的结构和功能，使学生掌握观测网基本组成和工作原理的知识。
②分析设计环节：帮助学生掌握谷氨酸发酵过程参数的检测方法，并能用于分析发酵动态，引导学生探究发酵参数对谷氨酸发酵的影响及解决方案，使学生建立从“发酵单元”到“系统设计”的整体思维，提高学生的参与度和工程操作能力。
③应用探索环节：通过设计灭菌、接种、通风、补料、等操作任务，引导学生开展发酵系统控制、灭菌、pH调节或泡沫控制、微生物摄氧率及发酵罐Kla的测定等工程学习，锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力，提高学生的专业认知和创新思维能力。
④家国情怀：通过知识角中生物技术及发酵工程国内外进展及我国关于生物强国的政策规划等方面的拓展阅读和对比，结合理论课课程思政教育的同向同步，将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程，激发学生的专业认同感以及投身“生物强国”建设的情怀和使命感。
实验要求：
（1）专业与年级要求
本实验属于江苏海洋大学生物工程专业三年级学生的专业主干课《发酵工艺学实验》课程的授课内容。
鉴于本实验课程中“发酵系统基本组成认知、发酵工艺设计集成、发酵过程控制技术应用”三个环节的实验内容具有相对独立性，全校其它专业的学生也可根据专业需求和个人兴趣及学习能力选择不同的实验环节进行选修。
（2） 基本知识和能力要求
具备一定的生物学知识和一定的计算机使用能力，具有自主学习能力和一定的自主探索能力，能够在基础认知、分析设计、应用探索三个层次的实验中总结分析特定实验结果背后的原因，将专业理论知识活学活用。
（3）实验注意事项
本实验为综合设计型课程实验，具有较强的高阶性、创新性和挑战度。为确保教学质量，提出以下实验注意事项。
①实验前，学生应认真阅读实验指导书，观看教学引导视频和操作视频，在教师指导下明确实验目的及各环节的知识点和重难点，奠定实验理论基础；
②请选择符合“实验教学相关网络”条件要求的软硬件实验环境开展实验，以保证实验操作的流畅性。
③实验过程中，请仔细阅读各环节任务要求，并根据步骤引导开展实验。当实验结果不理想时，请根据系统提示认真修改；同时，还可通过微信群、论坛、服务热线等方式寻求在线指导。
④请充分利用知识链接，通过知识点课件库开展拓展阅读，扩充自己的专业知识。
⑤完成实验后，请务必点击“完成并提交”以生成实验报告，并在关闭实验界面前，点击界面右下角的“实验报告”链接进入课程平台查看，并结合实验报告认真回顾实验过程，针对不足查找原因，并积极开展互动交流，以进一步巩固理论知识、提升创新思维能力。
