實驗簡介：
人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)是一種新型生態(tài)污水凈化處理方法，其基本原理是在人工濕地填料上種植特定的濕地植物，從而建立起一個獨特的土壤、植物、微生物綜合生態(tài)系統(tǒng)。目前，人工濕地不僅成為中小城鎮(zhèn)的重要污水處理措施，也成為雨水處理、工業(yè)廢水處理、農(nóng)田面源污染水處理以及生態(tài)保護的重要技術(shù)。
由于植物和微生物生長緩慢、構(gòu)建成熟的人工濕地微生態(tài)系統(tǒng)周期久、完整的人工濕地組合工藝占地面積大，學(xué)生一般無法在環(huán)境工程實驗室中開展人工濕地實驗，難以對人工濕地有直觀的理解認識。
本實驗項目以某真實濕地為原型進行虛擬仿真，對仿真模型進行深入剖析，通過半剖、半透視等技術(shù)手段，直觀展示人工濕地的具體構(gòu)造，處理原理、流程組成等方面，全面認識學(xué)習(xí)人工濕地。通過對人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)設(shè)計虛擬仿真實驗，學(xué)生基本掌握不同類型人工濕地的基本特點、植物、微生物以及基質(zhì)對不同污染物的去除機理、不同進水水質(zhì)條件下人工濕地的模式和設(shè)計方法。
實驗背景：
⑴實驗的必要性
①實驗在學(xué)生“思政教育”及專業(yè)發(fā)展方面的必要性
“加強生態(tài)環(huán)境保護、建設(shè)美麗中國”是我國生態(tài)文明戰(zhàn)略的建設(shè)理念，人工濕地技術(shù)是生態(tài)環(huán)境保護中的重要技術(shù)手段。我校雙一流建設(shè)重要課程《生態(tài)修復(fù)理論與工程》及其他相關(guān)課程的課程內(nèi)容均涵蓋了與人工濕地技術(shù)相關(guān)的理論基礎(chǔ)、工程技術(shù)和通用方法。在這些課程的基礎(chǔ)上，建立人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗有利于：通過虛擬仿真實驗平臺，讓學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)、了解當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護形勢、國家環(huán)保政策，更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、家國和人文情懷；充分調(diào)動學(xué)生不同感官，運用不同教學(xué)和實驗方式、有機融合，達到潤物細無聲、潛移默化的育人效果，使學(xué)生有效掌握人工濕地專業(yè)知識；通過虛擬仿真實驗極高的靈活性和開放性，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索和方案設(shè)計，在此過程中提升學(xué)生“從理論到實踐”、“理論聯(lián)系實踐”的能力。
東南大學(xué)環(huán)境專業(yè)教師多年以來承擔(dān)水污染控制與水處理、水環(huán)境生態(tài)修復(fù)、水源地生態(tài)防護研究方向的國家水專項、國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃等國家級課題20余項，在全國各地開展人工濕地技術(shù)示范100余項，積累了大量與人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究及實踐經(jīng)驗。從“科研反哺教學(xué)”、“產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新”的角度出發(fā)，有必要將本專業(yè)多年科研及實踐經(jīng)驗通過虛擬仿真實踐教學(xué)的方式傳授給學(xué)生，同時也有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)及本校專業(yè)在全國范圍內(nèi)影響力的提升。
②人工濕地實驗虛擬化的必要性
利用人工濕地工藝處理污廢水的實操過程具有高成本、高消耗、難維護、原理及工藝流程復(fù)雜的特點：
一是復(fù)雜的生態(tài)體系構(gòu)建。人工濕地實驗開展之前必須建立植物、微生物、水生動物的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。
二是較長的啟動運行周期。一般人工濕地的植物培育、微生物接種培養(yǎng)以及其穩(wěn)定運行至少需要3個月的啟動周期。
三是較大的占地面積。按照人口污水當(dāng)量表面積來算，人工濕地占地面積需要5平方米/人均污水產(chǎn)量，單池占地面積一般為200平方米。
四是復(fù)雜的影響機制。人工濕地實際運行過程受到諸多設(shè)計參數(shù)、運行條件和環(huán)境因素的影響：如水力負荷、水力形態(tài)、池體構(gòu)型以及溫度、進水條件等。
人工濕地實操實驗在工藝流程及原理復(fù)雜、成本高、消耗大、維護難、環(huán)境要求高、較大型綜合訓(xùn)練等方面存在的問題，使得學(xué)生無法有效地在實驗室中開展人工濕地試驗的實際操作。而虛擬仿真平臺以真實人工濕地工程為原型進行建模和虛擬仿真，利用多種方式展現(xiàn)人工濕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)、凈化原理、影響機制和設(shè)計流程，為學(xué)生提供一個自主、個性化的學(xué)習(xí)場所。
③虛擬實驗的人才培養(yǎng)作用
人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗通過互動思考題的智能反饋、在線教師問答功能，提高學(xué)生學(xué)習(xí)人工濕地的主動性和互動性，進而全面掌握人工濕地的要點。通過分組合作探討研究，引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法探究多因素控制的復(fù)雜人工濕地系統(tǒng)中，單一因素對出水水質(zhì)效果的影響，提高學(xué)生的科研思辨能力和團隊寫作能力。通過學(xué)生的自主案例設(shè)計學(xué)習(xí)，掌握不同進水水質(zhì)條件下人工濕地的類型選擇和設(shè)計方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的應(yīng)用性和全面性。該實驗有效幫助學(xué)生掌握人工濕地設(shè)計方法與流程的專業(yè)技能的水平，使之成為污染生態(tài)修復(fù)、自然生態(tài)環(huán)境維護、生態(tài)設(shè)計與規(guī)劃等方面工作的復(fù)合型技能人。
⑵實驗的實用性
人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)克服了傳統(tǒng)污水處理教學(xué)模式簡單、方法單一的弊端，突破時空、地域、場地的限制，學(xué)生只需要一臺電腦，即可開展原理認知、過程探究、綜合實驗的全過程人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗教學(xué)過程通過人機交互式程序設(shè)計能夠判斷學(xué)生對人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的學(xué)習(xí)掌握情況，具體實用性體現(xiàn)在：
①通過創(chuàng)設(shè)逼真的實驗場景，可將人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的使用、實驗單元布置、實驗參數(shù)的設(shè)置、實驗過程的可視化、實驗結(jié)果的展示以及報告撰寫等通過虛擬仿真的方式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，使他們真正學(xué)習(xí)到人工濕地生態(tài)修復(fù)的新技術(shù)手段，掌握參數(shù)設(shè)置及實驗中所涉及的各項技術(shù)要點。學(xué)生將能夠通過虛擬實驗場景處理可能遇到的各種技術(shù)問題，有效避免了在人工濕地實地實驗中成本高、周期長、占地大的弊端。這種虛擬仿真實驗環(huán)境提供了一個全面的學(xué)習(xí)平臺，幫助學(xué)生深入理解人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并為他們未來在相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用做好充分的準(zhǔn)備。
②通過構(gòu)建人工濕地生態(tài)修復(fù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，可使學(xué)生通過系統(tǒng)的“虛實結(jié)合”綜合性體驗式實驗訓(xùn)練，將人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)理論課程所涵蓋的知識內(nèi)容系統(tǒng)化、體系化串聯(lián)。借助虛擬仿真實驗教學(xué)，學(xué)生能夠在安全的環(huán)境中“真實情景”學(xué)習(xí)和操作人工濕地生態(tài)修復(fù)的全過程，熟悉參數(shù)設(shè)置及實過程需要注意的事項。3D虛擬仿真實驗教學(xué)可使學(xué)生真正達到形象化、可視化、直觀化的實驗教學(xué)效果，同時幫助他們理解人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的實際應(yīng)用和操作規(guī)范。這種虛擬仿真實驗環(huán)境使學(xué)生能夠在掌握理論知識的同時，通過模擬實驗獲得實際操作經(jīng)驗，為未來實際應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。
③在實驗教學(xué)效率的提高及教學(xué)成本的降低等方面，人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗同樣能夠體現(xiàn)其優(yōu)勢。學(xué)生在虛擬仿真實驗環(huán)境中可以實現(xiàn)“真實”體驗人工濕地生態(tài)修復(fù)儀器設(shè)備的操作感受，積極參與人機交互式觀測系統(tǒng)的設(shè)計及參數(shù)調(diào)試。通過虛擬仿真，學(xué)生能夠進行對比分析人工濕地中參數(shù)設(shè)置的差異導(dǎo)致出水水質(zhì)差別的原因，同時優(yōu)化參數(shù)以提高處理效果。這樣的實踐性操作有助于鞏固理論知識，提高學(xué)生在人工濕地生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的實際操作技能。
④虛擬仿真的互動教學(xué)模式能夠有效調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，促使他們自主進行實驗設(shè)計、操作、分析及驗證等綜合訓(xùn)練。通過虛擬仿真，學(xué)生將能夠深入理解和領(lǐng)會課堂教學(xué)所學(xué)的人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)理論知識，同時加強實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。此外，虛擬仿真教學(xué)形象、直觀、生動，特別適合于伴隨電腦與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而成長起來的年輕一代學(xué)生的興趣愛好。通過這種創(chuàng)新的教學(xué)方式，學(xué)生將更主動參與學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)習(xí)效果，同時也為他們培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力提供了新的途徑
⑶教學(xué)設(shè)計的合理性
本項目教學(xué)設(shè)計合理，內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)詳實，教學(xué)過程由易到難、由理論到實踐，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，實驗評價客觀合理，實現(xiàn)了學(xué)生實驗?zāi)芰Φ木C合評價，具體情況如下
①實驗設(shè)計的高階性
該虛擬仿真實驗在傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重于介紹水平流人工濕地的基礎(chǔ)上，涵蓋了表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地的知識點。實驗強調(diào)學(xué)生在觀察人工濕地全貌和內(nèi)部構(gòu)造、通過知識庫考核后，自主掌握三類不同人工濕地的異同和優(yōu)劣。在此基礎(chǔ)上，通過自主探究實驗，通過控制量法、圖像繪制等，掌握主要設(shè)計參數(shù)對不同人工濕地的影響。最終，根據(jù)學(xué)生自主獲得的知識，對實際環(huán)境問題進行人工濕地設(shè)計。實驗過程從理論逐漸向高階的探究、實踐變化。
②實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性
人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在：
一是研究對象的創(chuàng)新。人工濕地是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護的“網(wǎng)紅”，是我國生態(tài)環(huán)境保護尤其在鄉(xiāng)村環(huán)保、流域保護、污水廠尾水處理的行業(yè)推薦技術(shù)。掌握人工濕地技術(shù)有助于學(xué)生了解時事環(huán)保問題、前沿工程技術(shù)，提高學(xué)生思辨和創(chuàng)新能力。
二是仿真實驗平臺在探索和設(shè)計環(huán)節(jié)提供了極大的自由度，極大保證了學(xué)生學(xué)習(xí)過程和實驗結(jié)果的差異化和個性化。
③實驗過程的挑戰(zhàn)度
該虛擬仿真實驗的理論基礎(chǔ)整合了三類人工濕地，探究模塊包含了九個探究場景（三個設(shè)計參數(shù)對三類人工濕地的影響）。這需要學(xué)生課前進行大量的知識儲備，同時在課上自主探究、有機融合、將理論融入虛擬實踐中。此外，自主設(shè)計模塊的結(jié)果，每個學(xué)生一人一況，需要學(xué)生與教師在課（實驗）下進行再次探討、總結(jié)。
④實驗層次的遞進性
該虛擬仿真實驗分為三個層次：一是基礎(chǔ)知識展示和考察；二是3個主要設(shè)計參數(shù)對不同人工濕地的影響研究；三是根據(jù)實際環(huán)境問題，進行人工濕地的自主設(shè)計。整個實驗經(jīng)歷“理論—探究—實踐”過程，遵循“簡單—對比—整合—運用”的原則。
⑤實驗評分的合理性
人工濕地虛擬仿真實驗所采用的多維度評價體系體現(xiàn)了合理性和全面性。通過內(nèi)置實驗教學(xué)目標(biāo)及評分規(guī)則，全流程的“過程性+迭代性”評價體系在評估學(xué)生實驗成績時，突顯了合理性的重要性。這一評價體系結(jié)合了常規(guī)要求和高階要求，確保了對學(xué)生綜合能力的全面考察。在實驗的基礎(chǔ)知識測試客觀考核環(huán)節(jié)，評價方式相對客觀，通過對學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握的測試，能夠直觀地反映其學(xué)科基礎(chǔ)水平。而在操作步驟邏輯客觀評價環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了對學(xué)生在實驗過程中操作的準(zhǔn)確性和邏輯性的客觀評價，保證了實驗的規(guī)范性和技術(shù)性。實驗?zāi)芰Φ饔^評價和實驗創(chuàng)新主觀考核環(huán)節(jié)突出了學(xué)生在實驗過程中的主動性和創(chuàng)新性。這種主觀評價考慮到了學(xué)生的個性化發(fā)展和實驗態(tài)度，為實驗中的多樣性提供了有效的評價方式。同時，通過迭代性評價，能夠觀察學(xué)生在實驗過程中的進步和學(xué)習(xí)效果。多維度評價體系在實驗成績評價方面兼顧了基礎(chǔ)知識、操作技能和實驗態(tài)度等多個方面，使得學(xué)生在實驗中的表現(xiàn)得以全面而準(zhǔn)確地呈現(xiàn)，為教學(xué)和學(xué)生發(fā)展提供了有力的支持。這種評價方式不僅體現(xiàn)了科學(xué)實驗教學(xué)的全面性和個性化，還為學(xué)生提供了更具挑戰(zhàn)性和有深度的學(xué)習(xí)體驗。
⑷實驗系統(tǒng)的先進性
本項目基于本學(xué)科20多年的國家和省部級科技重大專項、科技支撐計劃、自然科學(xué)基金等項目成果與工程實踐支持，開展了人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗，通過3D模型及模型的透視、半剖、拆解和3D動畫等技術(shù)手段，直觀展示人工濕地的具體構(gòu)造，處理原理、流程組成等方面，因此虛擬仿真試驗結(jié)果全面直觀。本實驗項目以某真實濕地為原型進行虛擬仿真，共分三個階段、15個實驗步驟，共2個學(xué)時，按照學(xué)生知識、能力的訓(xùn)練要求由淺入深，循序漸進。既包括不同類型人工濕地的基本特點、植物、微生物以及基質(zhì)對不同污染物的去除機理，也涉及不同進水水質(zhì)條件下人工濕地的模式和設(shè)計方法，不僅為學(xué)生專業(yè)基本知識的掌握提供了有效工具，而且能夠支持學(xué)生進行不同進水水質(zhì)條件、不同基質(zhì)及植物搭配等新方案的設(shè)計優(yōu)化，并通過虛擬仿真進行可視化表達。對于學(xué)生創(chuàng)新能力的提升提供了很好的手段和工具。
同時，教學(xué)方法上采用沉浸式、自主式、交互式、團隊合作式和反思式教學(xué)方法相結(jié)合，使學(xué)生通過虛擬仿真實驗掌握“人工濕地的結(jié)構(gòu)、污染物的去除機理、人工濕地的設(shè)計和運行”三個相互遞進的知識層次。評價體系上采用多層次考核對學(xué)生實驗效果進行評價，具體分為思考題考核、案例設(shè)計考核和小組實驗報告三部分組成。
設(shè)計原則：
①實驗設(shè)計的高階性
該虛擬仿真實驗在傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重于介紹水平流人工濕地的基礎(chǔ)上，涵蓋了表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地的知識點。實驗強調(diào)學(xué)生在觀察人工濕地全貌和內(nèi)部構(gòu)造、通過知識庫考核后，自主掌握三類不同人工濕地的異同和優(yōu)劣。在此基礎(chǔ)上，通過自主探究實驗，通過控制量法、圖像繪制等，掌握主要設(shè)計參數(shù)對不同人工濕地的影響。最終，根據(jù)學(xué)生自主獲得的知識，對實際環(huán)境問題進行人工濕地設(shè)計。實驗過程從理論逐漸向高階的探究、實踐變化。
②實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性
人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實驗的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在：一是研究對象的創(chuàng)新。人工濕地是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護的“網(wǎng)紅”，是我國生態(tài)環(huán)境保護尤其在鄉(xiāng)村環(huán)保、流域保護、污水廠尾水處理的行業(yè)推薦技術(shù)。掌握人工濕地技術(shù)有助于學(xué)生了解時事環(huán)保問題、前沿工程技術(shù)，提高學(xué)生思辨和創(chuàng)新能力。二是仿真實驗平臺在探索和設(shè)計環(huán)節(jié)提供了極大的自由度，極大保證了學(xué)生學(xué)習(xí)過程和實驗結(jié)果的差異化和個性化。
③實驗過程的挑戰(zhàn)度
該虛擬仿真實驗的理論基礎(chǔ)整合了三類人工濕地，探究模塊包含了九個探究場景（三個設(shè)計參數(shù)對三類人工濕地的影響）。這需要學(xué)生課前進行大量的知識儲備，同時在課上自主探究、有機融合、將理論融入虛擬實踐中。此外，自主設(shè)計模塊的結(jié)果，每個學(xué)生一人一況，需要學(xué)生與教師在課（實驗）下進行再次探討、總結(jié)。
④實驗層次的遞進性
該虛擬仿真實驗分為三個層次：一是基礎(chǔ)知識展示和考察；二是3個主要設(shè)計參數(shù)對不同人工濕地的影響研究；三是根據(jù)實際環(huán)境問題，進行人工濕地的自主設(shè)計。整個實驗經(jīng)歷“理論—探究—實踐”過程，遵循“簡單—對比—整合—運用”的原則。
實驗?zāi)繕?biāo)：
通過實驗課程教學(xué)，可以讓學(xué)生：
（1）達到掌握人工濕地基本理論和知識的水平，包括人工濕地工藝特點、單元設(shè)施基本組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點的理論知識，以及人工濕地中植物、基質(zhì)和微生物針對不同污染物凈化原理；
（2）達到掌握人工濕地相關(guān)的工程專業(yè)知識的水平，包括關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的定義和作用，及其對人工濕地污染物去除效果的影響；
（3）達到掌握人工濕地設(shè)計方法與流程的專業(yè)技能的水平，成為污染生態(tài)修復(fù)、自然生態(tài)環(huán)境維護、生態(tài)設(shè)計與規(guī)劃等方面工作的復(fù)合型技能人。
實驗要求：
（1）專業(yè)與年級要求
本項目主要適用于環(huán)境科學(xué)與工程類中的環(huán)境工程專業(yè)、環(huán)境科學(xué)專業(yè)、環(huán)境生態(tài)學(xué)專業(yè)學(xué)生。
項目對應(yīng)的核心知識點與《水污染控制課程設(shè)計》、《生態(tài)修復(fù)理論與工程》課程直接關(guān)聯(lián)，也適用于《環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展》等課程的相關(guān)知識、能力要求的培養(yǎng)。通常安排在本科2-3年級學(xué)習(xí)。
（2）基本知識和能力要求
進行本項目的實驗學(xué)習(xí)的學(xué)生，應(yīng)掌握環(huán)境工程的基本知識，已學(xué)習(xí)《環(huán)境微生物學(xué)》、《環(huán)境化學(xué)》、《水污染控制工程》、《給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)》等相關(guān)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程，對環(huán)境工程設(shè)計有基本的了解，對人工濕地設(shè)計有綜合比選和應(yīng)用能力。具體包括：
1.微生物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的作用：了解濕地中微生物的多樣性、分布和功能，包括降解有機物質(zhì)、氮循環(huán)、硫循環(huán)等過程。
2.污染水體化學(xué)特性：了解濕地水體中溶解氧、氨氮、硝態(tài)氮、磷等關(guān)鍵指標(biāo)的測量和監(jiān)測；掌握水體中常見污染物的性質(zhì)、來源和化學(xué)變化過程。
3.濕地處理工藝：學(xué)習(xí)濕地作為水污染控制工程的原理和設(shè)計方法。
4.水質(zhì)模型：掌握水質(zhì)模型的應(yīng)用，對濕地處理效果進行預(yù)測和優(yōu)化。
5.水流動和輸送：了解水在管網(wǎng)中的流動原理，對濕地內(nèi)水體的流動和輸送進行分析。
6.管道設(shè)計：具備設(shè)計濕地內(nèi)管道系統(tǒng)的能力，包括管道尺寸、布局和材料選擇。
7.實驗設(shè)計：能夠設(shè)計涉及微生物學(xué)、化學(xué)、工程等多個方面的實驗，以評估人工濕地對水體的影響。
8.數(shù)據(jù)分析：具備處理和分析實驗數(shù)據(jù)的能力，包括使用統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)解釋。
9.綜合運用多學(xué)科知識：能夠整合微生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科的知識，全面評估人工濕地設(shè)計的效果。
10.解決問題的能力：具備發(fā)現(xiàn)和解決濕地設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題的能力。
