案例分享 | 深海极端环境样品采集与嗜极微生物培养虚拟仿真实验

背景与痛点

深海嗜极微生物已成为生命科学领域的研究热点之一，学界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。同时这些微生物能产生一些结构新颖的化合物，具有潜在的药用价值。

然而，开展深海极端环境微生物研究却面临着高成本、高危险和高难度等困难。

嗜极微生物培养相关的设备，构造复杂、成本较高。比如其所需的深潜器全球仅有10余艘，其下潜深度主要在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，属于高精尖设备，运行成本极高。这些都远远超过了本科阶段实验课的预算成本。

深海为高压、黑暗、低温、缺氧的极端环境，而热液区中心的温度可达到300℃以上，深潜器中的工作人员生命安全随时受到多重威胁。另一方面，嗜压微生物的培养需要使用高压容器，嗜热微生物需要50℃甚至120℃以上的高温培养设备，操作稍有不当就可能引发安全事故。

深海探索，尤其是深海极端环境探索，技术难度极高。搭载深潜器的人员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、繁琐的步骤，整个实验涉及多学科知识的综合运用，技术难度大。

该实验属于较为典型的“三高四不”（高成本、高难度、高风险，不可达到、不可触及、不可重现、不可逆转）难题，开展教学实践的知识储备、技能技术与设备水平门槛极高，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。

解决方案：原则与方针

对此，恒点与河海大学共同设计开发了“深海极端环境样品采集与嗜极微生物培养虚拟仿真实验”，运用三维虚拟仿真、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，展开模拟与动态演示。

在虚拟环境下，学生可以掌握深海样品采集、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，从而激发探索深海极端环境生命现象的兴趣，培养创新思维、实践动手与科学研究能力。

解决方案：设计亮点

本方案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，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。

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，本方案构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。

本方案能够展示深海嗜极微生物分离培养关键环节的操作要点，从而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，达到所要求的认知与实践教学效果。

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，可以掌握最前沿的海洋科学技术，成为能够胜任海洋生物样品采集和培养工作的高级专门人才。

作为恒点MOOL概念（Massive Open Online Labs大规模在线开放实验室）的产物，本实验在慕课MOOC开放式网络课程的基础上，增加了具有互动性、操作性的实验内容，以共享教育资源，实现教育公平，助力全民终身学习型社会建设。

恒点还在不断完善MOOL的各项功能，利用AI技术进行引导、模拟、教学、评价等，提高虚拟仿真实验对真实的模拟，并丰富实验的内容与形态，建设更为科学全面的实验评价系统，以适应高素质新型人才的培养需求。