（1）实验方法
本项目综合采用观察法、控制变量法、比较法、自主设计等实验方法，使学生全面掌握极端环境中采集功能微生物的原理和方法，理解多种参数对微生物生长和代谢的影响规律。
观察法主要应用在样品采集方法和工程结构检测实验环节，让学生具备足够的知识储备、扩展学生的视野，培养学生卓越工程师意识。
控制变量法主要应用于产类胡萝卜素微生物筛选仿真和产油脂微生物筛选仿真实验，可以让学生详细了解某个参数对菌种选育、生长和代谢的影响，培养学生科研素质。
比较法主要用于产类胡萝卜素微生物筛选仿真和产油脂微生物筛选仿真实验，将不同的实验对象，通过相同的实验思路和相关知识点系统展示给学生，通过比较两个实验结果，学生可以系统掌握菌种筛选方法的知识点，符合学生的学习认知规律。
自主设计法主要用于工程设计检测环节，提高学生学习的主动性和积极性，同时有助于培养学生的创新意识。
本虚拟仿真实验教学项目的具体实验教学过程和实验方法见图3。
图3 实验方法
（2）实验步骤
阶段一、实验背景及介绍
此阶段集中讲解极端微生物相关知识点和虚拟仿真操作系统操作步骤，知识点主要包括极端环境及极端环境微生物的定义、极端环境微生物的特殊代谢产物与环境适应性关系、进入极端环境采样前的准备事项、极端环境中样品的采集和保存、培养基的配制、高通量仪器的筛选原理、菌种的分类鉴定等，使学生对实验涉及的知识点有整体的把握和认识。
①进入实验主界面：学生通过网址http://223.2.9.146:4002/，打开项目界面，输入用户名和密码点击登录按钮之后显示软件主界面，如下所示：
图4 软件首页
②实验介绍：正式开始实验后，学生依次进入实验背景介绍、实验目的、实验内容和实验步骤四个环节。使学生了解虚拟仿真实验项目的背景、目的以及总体流程。
图5 软件主界面
③实验预习及自测：通过回顾《微生物学》、《生物化学》、《发酵工程》、《发酵工艺学》等专业课程的知识点，使学生加深对微生物筛选的认识。
图6 实验预习及自测
阶段二、实验操作及分析
（A）体验实验模块——样品采集环节
④微生物采集环境的选择：基于实验目的，选择合适的极端环境作为微生物采集的地点，如深海和沙漠中分别可以采集和筛选到富含DHA合成和类胡萝卜素的微生物。选择极端环境之后，可以通过三维仿真全景了解环境的地貌特征，包括海拔、温度、湿度、氧气含量、土质、植被类型、紫外线辐射量等。学生选择沙漠之后立即进入沙漠区三维现场，如下所示：
图7 极端环境
⑤样品采集工具选择：在微生物的采集过程中，一般都需要携带记号笔、样品袋、标签纸等常用工具，但是对于特殊环境需要用到渔网、土壤取样器等。学生应该根据具体的环境选择合适的取样工具。学生选择土壤样品的采样工具，如下所示：
图8 选取采样工具
⑥样品采集位置选择：极端环境中的微生物可以分布在土壤、空气、岩石、植物、树枝、水等位置。基于目标微生物的一般生活属性，选择合适位置的样品进行采集。例如，热带雨林中富含纤维素酶的微生物大多位于土壤和腐烂的枯枝上，而沙漠中产色素的微生物大多混杂在带有颜色的土壤或植被表面等。学生在沙漠漫游寻找合适的采样位置，如下所示：
图9 寻找合适采样位置
⑦样品的采集与保存方法：样品的保存方式是指采集的微生物运输到实验室的过程中所采取的保存方式。不同极端环境中微生物的生境喜好不同，如温泉环境的微生物嗜热、极地中的微生物嗜冷、深海中的微生物厌氧等。因此，正确的保存方式才能保证样品中微生物的存活率，需要选择组合样品保存的装置。学生在仿真软件中找到采集点之后将采集的土壤样品放到样品袋中保存，如下所示：
图10 样品采集
图11样品制作与保存
（B）探究实验模块
⑧微生物培养条件选择：微生物的培养条件主要包括微生物的培养装置和所使用的培养基，且要在无菌条件下操作，防止杂菌干扰。一般来说，微生物的培养装置包括恒温培养箱、摇床等，而培养基一般为细菌培养基（LB）和真菌培养基（PDA，土豆培养基）。学生需要根据实验目的，选择合适的培养装置和培养基用于微生物的培养。学生仿真软件中进行培养，实验中用到的设备如下所示：
图12 超净工作台与培养箱
⑨微生物富集培养：富集培养是指利用不同微生物间生命活动特点的不同，人为地提供一些特定的环境条件，使目标微生物旺盛生长，或者抑制其他微生物生长，有利于识别和分离出该微生物，并引向纯培养。富集培养的因素可根据所需分离微生物的生理特点从物理、化学、生物及综合因素等多方面进行选择，如温度、pH、紫外线、高压、光照、氧气、营养等。本项目设计了培养基的配制、倒平板、稀释涂布、培养条件设定、目标菌株菌落挑起、扩大培养等步骤，从而实现目标微生物的富集培养。学生仿真富集培养，如下所示：
图13 无菌室与富集培养
⑩微生物培养：微生物的培养条件主要包括微生物的培养装置和所使用的培养基，且要在无菌条件下操作，防止杂菌干扰。一般来说，微生物的培养装置包括恒温培养箱、摇床等，而培养基一般为细菌培养基（LB）和真菌培养基（PDA，土豆培养基）。学生需要根据实验目的，选择合适的培养装置和培养基用于微生物的培养。学生仿真软件中进行培养，实验中用到的设备和结果如下所示：
图14 培养箱和微生物培养结果
?微生物高通量筛选的过程：菌种是发酵技术的源头，现有的菌种筛选如随机筛选、理化筛选都具有繁琐、耗时、耗资、劳动强度大、筛选效率低等缺点，筛选是决定菌种选育成败的关键步骤。高通量微生物筛选系统（QPix 450，USA）采用了最新磁悬浮传动装置，可以提高微生物的筛选速度和准确率，高通量筛选技术是以微孔板为实验工具载体，以自动化操作系统来执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验数据，以计算机对实验数据进行分析处理，同一时间内对数千万的样品检测，并以相应数据库支持整个系统运转的技术体系。本项目通过虚拟仿真实验模拟高通量微生物筛选系统的操作步骤，学生可以选择样品处理、系统设置等操作实现高通量筛选装置的高效运转。仿真软件中高通量筛选过程如下所示：
图15 高通量筛选菌种
?目标产物初步鉴定：微生物代谢产物的种类很多，包括蛋白质、氨基酸、多不饱和脂肪酸、维生素、核酸、糖类等初级代谢产物和抗生素、生物碱、植物生长因子等次生代谢产物。不同的极端微生物产生不同的代谢产物，需要建立相应的分析检测方法，大致整体步骤可以分为样品制备和仪器测定。学生需要根据目标微生物代谢产物的物质属性，选择适合的样品处理方法和检测仪器进行代谢产物的定量分析。仿真操作中目标产物的分析中的一种，如下所示：
图15 目标产物初步鉴定
?功能微生物鉴定与产能分析：不同种类的微生物因最适环境、生长速率以及代谢路径等的差异合成目标代谢产物的能力千差万别，因此初步筛选具有潜在高产目标产物的微生物具有重要意义。目前，利用酶标仪检测底物经过显色反应后的吸光度值是各类实验室常用的快速、高效的检测手段。本项目通过虚拟仿真实验模拟酶标仪的操作步骤，学生可以选择样品处理、系统设置等操作熟悉酶标仪的操作流程，如下所示：
图17 目标产物酶标仪分析与结果
阶段三、实验报告及讨论
?提交实验报告，完成问答题：实验完成后，根据实验现象和数据分析结果，提交实验报告。记录实验者所有的实验数据，系统根据标准的答案和实验数据进行比对给出相应的分数。
图18 实验报告