實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介:
水土流失是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的頭號(hào)問(wèn)題。南京林業(yè)大學(xué)依托“水土保持與荒漠化防治”一流專(zhuān)業(yè)的知識(shí)積淀和江蘇省“水土保持與生態(tài)修復(fù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以立德樹(shù)人為根本的教學(xué)理念,科教融合,利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了南方紅壤區(qū)經(jīng)濟(jì)林水土流失小流域的觀(guān)測(cè)場(chǎng)景。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)課程,學(xué)生能夠“身臨其境”地開(kāi)展土壤侵蝕原理與水土保持基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知與技能應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)課程不僅有利于實(shí)現(xiàn)針對(duì)南方紅壤區(qū)經(jīng)濟(jì)林改造與優(yōu)化全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)教學(xué);也有利于培養(yǎng)學(xué)生采取正確、高效、低消耗的水土保持措施模式,提升維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全的責(zé)任感和使命感,養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式;同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)的顯著效率提升。
實(shí)驗(yàn)背景:
(1)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和新時(shí)期水土保持行業(yè)發(fā)展對(duì)水土保持專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高要求。
水土保持是江河保護(hù)治理的根本措施,也是生態(tài)文明建設(shè)的必然要求。黨的十八大以來(lái),我國(guó)水土保持工作取得顯著成效,水土流失面積和強(qiáng)度持續(xù)呈現(xiàn)“雙下降”態(tài)勢(shì),但水土流失防治成效還不穩(wěn)固,防治任務(wù)仍然繁重。我國(guó)南方紅壤區(qū)人工林分布廣泛,由于樹(shù)種單一,在人為活動(dòng)干擾下,普遍存在林下植被稀疏、土壤裸露、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性低、生態(tài)服務(wù)功能衰退等生態(tài)安全問(wèn)題,呈現(xiàn)“遠(yuǎn)看綠油油,近看泥水流”的現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了南方地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,迫切需要具備扎實(shí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的專(zhuān)業(yè)人才。2023年,中辦國(guó)辦印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代水土保持工作的意見(jiàn)》、水利部等4部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)清潔小流域建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中要求,全面推動(dòng)小流域綜合治理提質(zhì)增效,大力推進(jìn)生態(tài)清潔小流域建設(shè),助力鄉(xiāng)村振興和美麗中國(guó)建設(shè)。如何適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要,將前沿科研成果反哺教學(xué),將社會(huì)責(zé)任、職業(yè)道德植入教學(xué)項(xiàng)目,提高學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、激發(fā)學(xué)生的使命感和社會(huì)責(zé)任感,將立德樹(shù)人融入教學(xué)各環(huán)節(jié),是生態(tài)文明建設(shè)背景下對(duì)水土保持專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提出的重要挑戰(zhàn)。
(2)國(guó)家一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)對(duì)水土保持核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果提出了更高的要求。
傳統(tǒng)的“小流域綜合治理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容只能通過(guò)書(shū)本、多媒體課件或者參觀(guān)式教學(xué)等手段部分實(shí)現(xiàn),嚴(yán)重影響了教學(xué)的質(zhì)量和效果。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)源于南京林業(yè)大學(xué)水土保持科研教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)長(zhǎng)期教學(xué)、科研以及技術(shù)培訓(xùn)的積累,也是現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)踐中最實(shí)用的方法和先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)高度逼真的多場(chǎng)景設(shè)置、理論知識(shí)回顧、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、在線(xiàn)交互、實(shí)驗(yàn)考核等環(huán)節(jié)設(shè)置,不僅可滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性、完整性的需求,而且在開(kāi)放、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作,全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維。
(3)常規(guī)生態(tài)清潔小流域綜合治理實(shí)驗(yàn)受耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、因素多、不可逆和交叉強(qiáng)等因素限制,虛擬仿真技術(shù)能有效破解這些難題。
生態(tài)清潔小流域綜合治理實(shí)驗(yàn)面臨的困難:
a.耗時(shí)長(zhǎng)。生態(tài)清潔小流域建設(shè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),工程設(shè)計(jì)與建設(shè)需要投入大量時(shí)間,改造成果短期內(nèi)無(wú)法體現(xiàn),因此小流域治理效果無(wú)法短時(shí)間在線(xiàn)下教學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到響應(yīng)。
b.成本高。生態(tài)清潔小流域建設(shè)需要投入大量的人力和物力和財(cái)力,生產(chǎn)實(shí)踐中生態(tài)清潔小流域建設(shè)一般需要幾千萬(wàn)元甚至上億元的投入。
c.因素多。生態(tài)清潔小流域是專(zhuān)業(yè)化程度高的綜合訓(xùn)練內(nèi)容,教學(xué)涉及要素多,環(huán)節(jié)復(fù)雜,途徑多樣。如果僅有課堂演示或參觀(guān)體驗(yàn)教學(xué),無(wú)法全面掌握重要知識(shí)點(diǎn)。
d.不可逆。生態(tài)清潔小流域建設(shè)措施一旦失敗,無(wú)法逆轉(zhuǎn),將造成人力、物力的浪費(fèi),也有可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成持久的不利影響。
e.交叉強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的知識(shí)點(diǎn)涉及林學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、水利工程等多學(xué)科交叉,綜合性強(qiáng)。
針對(duì)生態(tài)清潔小流域進(jìn)行綜合治理虛擬仿真實(shí)驗(yàn),完整再現(xiàn)水土流失綜合治理全過(guò)程,克服上述不足,解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)面臨的一系列問(wèn)題,高質(zhì)量完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),有效拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法的深度與廣度,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程體系的完整性,對(duì)于建立水土保持綜合治理措施感性認(rèn)知、反復(fù)操練水土流失治理相關(guān)技能、培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式,具有重要意義。
設(shè)計(jì)原則:
(1)面向生態(tài)文明建設(shè)和行業(yè)發(fā)展對(duì)水土保持人才培養(yǎng)的要求,圍繞立德樹(shù)人根本任務(wù),教學(xué)目標(biāo)明確。
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于科研教學(xué)團(tuán)隊(duì)十余年積累的科研數(shù)據(jù),通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)深度融合,實(shí)現(xiàn)最新成果、最新知識(shí)向課堂轉(zhuǎn)移,達(dá)到科研成果反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué),完整再現(xiàn)南方紅壤區(qū)生態(tài)清潔小流域綜合治理全過(guò)程。學(xué)生身臨其境,在接近真實(shí)的場(chǎng)景中開(kāi)展小流域綜合治理,通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、探索、思考,發(fā)現(xiàn)并獲得知識(shí),達(dá)到培養(yǎng)具備扎實(shí)理論知識(shí)和實(shí)踐技能,并能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才目標(biāo)。通過(guò)情景體驗(yàn)式教學(xué)及原理知識(shí),學(xué)習(xí)并掌握生態(tài)清潔小流域綜合治理技術(shù)激發(fā)和激勵(lì)學(xué)生“保護(hù)水土資源,守護(hù)綠水青山”的家國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任感。
(2)融合知識(shí)學(xué)習(xí)和能力提升,實(shí)驗(yàn)?zāi)K循序漸進(jìn)、交互可逆,教學(xué)內(nèi)容完整。
本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托團(tuán)隊(duì)多年來(lái)的科研積累,在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)最為實(shí)用和先進(jìn)的南方紅壤區(qū)生態(tài)清潔小流域綜合治理技術(shù)和生態(tài)功能評(píng)價(jià)體系。根據(jù)生態(tài)清潔小流域綜合治理特點(diǎn)及大學(xué)生認(rèn)知規(guī)律,設(shè)計(jì)“原理認(rèn)知”“現(xiàn)狀問(wèn)題與分區(qū)”“小流域綜合治理”和“治理效果評(píng)估”共4個(gè)模塊。
通過(guò)目標(biāo)小流域現(xiàn)狀的綜合調(diào)查與分析,建立對(duì)南方紅壤區(qū)小流域從水土流失特點(diǎn)、土地利用類(lèi)型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的客觀(guān)認(rèn)識(shí)與問(wèn)題分析。將小流域劃分為預(yù)防保護(hù)區(qū)、綜合治理區(qū)和生態(tài)修復(fù)區(qū)三個(gè)基本類(lèi)型的治理區(qū)。根據(jù)三類(lèi)治理區(qū)特點(diǎn),有針對(duì)性的開(kāi)展治理。針對(duì)預(yù)防保護(hù)區(qū),實(shí)施以封育為主,間伐、補(bǔ)植為輔的綜合措施,保護(hù)森林生態(tài),預(yù)防水土流失。針對(duì)綜合治理區(qū),因地制宜,兼顧生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益的條件下,開(kāi)展包括水土保持工程措施、林草措施等在內(nèi)的水土保持綜合措施,防治水土流失,發(fā)展小流域特色產(chǎn)業(yè)(包括基本農(nóng)田建設(shè)、經(jīng)果林種植和特色旅游等)。針對(duì)生態(tài)修復(fù)區(qū),實(shí)施包括面源污染防治、溝(河)道護(hù)坡等綜合修復(fù)措施,以實(shí)現(xiàn)小流域人類(lèi)居民點(diǎn)、工礦區(qū)等周邊溝(河)道的水土保持與水源清潔的治理目標(biāo)。
在此基礎(chǔ)上,對(duì)比不同區(qū)域不同治理措施,提出生態(tài)清潔小流域綜合治理措施的最佳配置方案。通過(guò)構(gòu)建生態(tài)清潔小流域生態(tài)功能評(píng)估體系,對(duì)小流域綜合治理措施的生態(tài)功能進(jìn)行分析評(píng)估,提出小流域綜合治理優(yōu)化技術(shù)方案,體現(xiàn)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)和自主分析完成水土流失調(diào)查、成因分析,循序漸進(jìn)理解和掌握治理措施技術(shù)及生態(tài)功能評(píng)價(jià),有效鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知和理解,提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。
(3)全過(guò)程記錄并實(shí)時(shí)反饋結(jié)果,實(shí)驗(yàn)過(guò)程合理,實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)客觀(guān)。
完整記錄實(shí)驗(yàn)參與時(shí)間、參與全過(guò)程,實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,全面考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況、小流域現(xiàn)狀調(diào)查的全面性,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題梳理的準(zhǔn)確性、綜合治理技術(shù)的可行性、治理效果評(píng)估的科學(xué)性,實(shí)驗(yàn)過(guò)程合理。系統(tǒng)能自動(dòng)記錄學(xué)生的每一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)判,不同實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)行階梯式賦分,同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)參與時(shí)間、參與度,實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)客觀(guān)合理。
實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo):
本實(shí)驗(yàn)以我國(guó)南方紅壤區(qū)分布范圍較廣泛的低效人工林小流域的綜合治理為實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo),依托多年科學(xué)研究積累的數(shù)據(jù)構(gòu)建高度仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景,將小流域綜合治理全過(guò)程劃分為四大模塊。本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生身臨其境,在接近真實(shí)的多個(gè)場(chǎng)景中開(kāi)展生態(tài)清潔小流域綜合治理實(shí)驗(yàn),通過(guò)環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)的內(nèi)容設(shè)計(jì),以及情景浸入式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、容錯(cuò)式、自主探究式等教學(xué)方法,最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)、自主探索,力求實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo):
(1)知識(shí)目標(biāo):深刻理解土壤侵蝕原理、水土保持原理、生態(tài)經(jīng)濟(jì)原理,掌握小流域現(xiàn)狀調(diào)查、生態(tài)清潔小流域建設(shè)方向與內(nèi)容、水土保持治理措施綜合配置、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估等知識(shí)點(diǎn)。
(2)能力目標(biāo):通過(guò)開(kāi)展小流域現(xiàn)狀綜合調(diào)查,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力,掌握因地制宜的布設(shè)水土保持措施、面源污染防控等綜合防治的技術(shù)體系,提出發(fā)揮小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最優(yōu)功能的綜合治理方案。
(3)素質(zhì)目標(biāo):針對(duì)小流域突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如水土流失、面源污染、農(nóng)林產(chǎn)業(yè)不協(xié)調(diào)等,培養(yǎng)學(xué)生靈活探究正確、高效、低消耗的小流域綜合治理方案的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)思維和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。
(4)思政目標(biāo):注重學(xué)生對(duì)水土保持理念在生態(tài)文明建設(shè)中重要性的思考,引導(dǎo)學(xué)生牢固樹(shù)立和踐行“兩山”理念,增強(qiáng)學(xué)生維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全的責(zé)任感和使命感,培養(yǎng)學(xué)生成為新時(shí)代生態(tài)環(huán)境的建設(shè)者和守護(hù)者。
實(shí)驗(yàn)要求:
(1)專(zhuān)業(yè)與年級(jí)要求
本實(shí)驗(yàn)面向南京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治、林學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等專(zhuān)業(yè),在水土保持規(guī)劃學(xué)、流域管理學(xué)、水土保持學(xué)等課程中設(shè)置生態(tài)清潔小流域綜合治理課程實(shí)驗(yàn)。
鑒于本實(shí)驗(yàn)課程中“原理認(rèn)知”“現(xiàn)狀問(wèn)題與分區(qū)”“小流域綜合治理”和“治理效果評(píng)估”4個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有相對(duì)獨(dú)立性,全校其它專(zhuān)業(yè)的學(xué)生也可根據(jù)專(zhuān)業(yè)需求和個(gè)人能力選擇不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行選修。
(2)基本知識(shí)和能力要求
具備一定的土壤侵蝕與水土保持知識(shí)背景和一定的計(jì)算機(jī)使用能力;具有自主學(xué)習(xí)能力和一定的自主探索能力;能夠在治理規(guī)律認(rèn)知、水保措施探究、綜合治理評(píng)價(jià)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)分析特定實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的原因,將專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)活學(xué)活用。
(3)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
本實(shí)驗(yàn)為綜合設(shè)計(jì)型課程實(shí)驗(yàn),具有較強(qiáng)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。為確保教學(xué)質(zhì)量,提出以下實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。
①實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生應(yīng)認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),觀(guān)看教學(xué)引導(dǎo)視頻和操作視頻,在教師指導(dǎo)下明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康募案鳝h(huán)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)和重難點(diǎn),奠定實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ);
②請(qǐng)選擇符合“實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)”條件要求的軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)展實(shí)驗(yàn),以保證實(shí)驗(yàn)操作的流暢性。
③實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,請(qǐng)仔細(xì)閱讀各環(huán)節(jié)任務(wù)要求,并根據(jù)步驟引導(dǎo)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想時(shí),請(qǐng)根據(jù)系統(tǒng)提示認(rèn)真修改;同時(shí),還可通過(guò)微信群、論壇、服務(wù)熱線(xiàn)等方式尋求在線(xiàn)指導(dǎo)。
④請(qǐng)充分利用知識(shí)角,通過(guò)知識(shí)點(diǎn)課件庫(kù)開(kāi)展拓展閱讀,擴(kuò)充自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
⑤完成實(shí)驗(yàn)后,請(qǐng)務(wù)必點(diǎn)擊“完成并提交”以生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并在關(guān)閉實(shí)驗(yàn)界面前,點(diǎn)擊界面右下角的“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”鏈接進(jìn)入課程平臺(tái)查看,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告認(rèn)真回顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程,針對(duì)不足查找原因,并積極開(kāi)展互動(dòng)交流,以進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)、提升創(chuàng)新思維能力。