实验简介：
人工湿地生态修复技术是一种新型生态污水净化处理方法，其基本原理是在人工湿地填料上种植特定的湿地植物，从而建立起一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。目前，人工湿地不仅成为中小城镇的重要污水处理措施，也成为雨水处理、工业废水处理、农田面源污染水处理以及生态保护的重要技术。
由于植物和微生物生长缓慢、构建成熟的人工湿地微生态系统周期久、完整的人工湿地组合工艺占地面积大，学生一般无法在环境工程实验室中开展人工湿地实验，难以对人工湿地有直观的理解认识。
本实验项目以某真实湿地为原型进行虚拟仿真，对仿真模型进行深入剖析，通过半剖、半透视等技术手段，直观展示人工湿地的具体构造，处理原理、流程组成等方面，全面认识学习人工湿地。通过对人工湿地生态修复技术设计虚拟仿真实验，学生基本掌握不同类型人工湿地的基本特点、植物、微生物以及基质对不同污染物的去除机理、不同进水水质条件下人工湿地的模式和设计方法。
实验背景：
⑴实验的必要性
①实验在学生“思政教育”及专业发展方面的必要性
“加强生态环境保护、建设美丽中国”是我国生态文明战略的建设理念，人工湿地技术是生态环境保护中的重要技术手段。我校双一流建设重要课程《生态修复理论与工程》及其他相关课程的课程内容均涵盖了与人工湿地技术相关的理论基础、工程技术和通用方法。在这些课程的基础上，建立人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验有利于：通过虚拟仿真实验平台，让学生更直观地学习专业技术、了解当前生态环境保护形势、国家环保政策，更好地培养学生的专业素养、家国和人文情怀；充分调动学生不同感官，运用不同教学和实验方式、有机融合，达到润物细无声、潜移默化的育人效果，使学生有效掌握人工湿地专业知识；通过虚拟仿真实验极高的灵活性和开放性，方便学生自主学习、探索和方案设计，在此过程中提升学生“从理论到实践”、“理论联系实践”的能力。
东南大学环境专业教师多年以来承担水污染控制与水处理、水环境生态修复、水源地生态防护研究方向的国家水专项、国家自然科学基金、国家科技支撑计划等国家级课题20余项，在全国各地开展人工湿地技术示范100余项，积累了大量与人工湿地生态修复技术相关的科学研究及实践经验。从“科研反哺教学”、“产学研协同创新”的角度出发，有必要将本专业多年科研及实践经验通过虚拟仿真实践教学的方式传授给学生，同时也有利于学生能力的培养及本校专业在全国范围内影响力的提升。
②人工湿地实验虚拟化的必要性
利用人工湿地工艺处理污废水的实操过程具有高成本、高消耗、难维护、原理及工艺流程复杂的特点：
一是复杂的生态体系构建。人工湿地实验开展之前必须建立植物、微生物、水生动物的复杂生态系统。
二是较长的启动运行周期。一般人工湿地的植物培育、微生物接种培养以及其稳定运行至少需要3个月的启动周期。
三是较大的占地面积。按照人口污水当量表面积来算，人工湿地占地面积需要5平方米/人均污水产量，单池占地面积一般为200平方米。
四是复杂的影响机制。人工湿地实际运行过程受到诸多设计参数、运行条件和环境因素的影响：如水力负荷、水力形态、池体构型以及温度、进水条件等。
人工湿地实操实验在工艺流程及原理复杂、成本高、消耗大、维护难、环境要求高、较大型综合训练等方面存在的问题，使得学生无法有效地在实验室中开展人工湿地试验的实际操作。而虚拟仿真平台以真实人工湿地工程为原型进行建模和虚拟仿真，利用多种方式展现人工湿地内部结构、净化原理、影响机制和设计流程，为学生提供一个自主、个性化的学习场所。
③虚拟实验的人才培养作用
人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验通过互动思考题的智能反馈、在线教师问答功能，提高学生学习人工湿地的主动性和互动性，进而全面掌握人工湿地的要点。通过分组合作探讨研究，引导学生利用控制变量法探究多因素控制的复杂人工湿地系统中，单一因素对出水水质效果的影响，提高学生的科研思辨能力和团队写作能力。通过学生的自主案例设计学习，掌握不同进水水质条件下人工湿地的类型选择和设计方法，提高学生学习的应用性和全面性。该实验有效帮助学生掌握人工湿地设计方法与流程的专业技能的水平，使之成为污染生态修复、自然生态环境维护、生态设计与规划等方面工作的复合型技能人。
⑵实验的实用性
人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验教学克服了传统污水处理教学模式简单、方法单一的弊端，突破时空、地域、场地的限制，学生只需要一台电脑，即可开展原理认知、过程探究、综合实验的全过程人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验。虚拟仿真实验教学过程通过人机交互式程序设计能够判断学生对人工湿地生态修复技术的学习掌握情况，具体实用性体现在：
①通过创设逼真的实验场景，可将人工湿地生态修复技术的使用、实验单元布置、实验参数的设置、实验过程的可视化、实验结果的展示以及报告撰写等通过虚拟仿真的方式直观地呈现给学生，使他们真正学习到人工湿地生态修复的新技术手段，掌握参数设置及实验中所涉及的各项技术要点。学生将能够通过虚拟实验场景处理可能遇到的各种技术问题，有效避免了在人工湿地实地实验中成本高、周期长、占地大的弊端。这种虚拟仿真实验环境提供了一个全面的学习平台，帮助学生深入理解人工湿地生态修复技术，并为他们未来在相关领域的实际应用做好充分的准备。
②通过构建人工湿地生态修复虚拟仿真实验教学系统，可使学生通过系统的“虚实结合”综合性体验式实验训练，将人工湿地生态修复技术理论课程所涵盖的知识内容系统化、体系化串联。借助虚拟仿真实验教学，学生能够在安全的环境中“真实情景”学习和操作人工湿地生态修复的全过程，熟悉参数设置及实过程需要注意的事项。3D虚拟仿真实验教学可使学生真正达到形象化、可视化、直观化的实验教学效果，同时帮助他们理解人工湿地生态修复技术的实际应用和操作规范。这种虚拟仿真实验环境使学生能够在掌握理论知识的同时，通过模拟实验获得实际操作经验，为未来实际应用打下坚实基础。
③在实验教学效率的提高及教学成本的降低等方面，人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验同样能够体现其优势。学生在虚拟仿真实验环境中可以实现“真实”体验人工湿地生态修复仪器设备的操作感受，积极参与人机交互式观测系统的设计及参数调试。通过虚拟仿真，学生能够进行对比分析人工湿地中参数设置的差异导致出水水质差别的原因，同时优化参数以提高处理效果。这样的实践性操作有助于巩固理论知识，提高学生在人工湿地生态修复领域的实际操作技能。
④虚拟仿真的互动教学模式能够有效调动学生的积极性和主动性，促使他们自主进行实验设计、操作、分析及验证等综合训练。通过虚拟仿真，学生将能够深入理解和领会课堂教学所学的人工湿地生态修复技术理论知识，同时加强实践能力和创新意识的培养。此外，虚拟仿真教学形象、直观、生动，特别适合于伴随电脑与网络发展而成长起来的年轻一代学生的兴趣爱好。通过这种创新的教学方式，学生将更主动参与学习过程，提高学习效果，同时也为他们培养创新意识和实践能力提供了新的途径
⑶教学设计的合理性
本项目教学设计合理，内容严谨详实，教学过程由易到难、由理论到实践，遵循学生学习规律，实验评价客观合理，实现了学生实验能力的综合评价，具体情况如下
①实验设计的高阶性
该虚拟仿真实验在传统教学侧重于介绍水平流人工湿地的基础上，涵盖了表面流、水平潜流和垂直潜流人工湿地的知识点。实验强调学生在观察人工湿地全貌和内部构造、通过知识库考核后，自主掌握三类不同人工湿地的异同和优劣。在此基础上，通过自主探究实验，通过控制量法、图像绘制等，掌握主要设计参数对不同人工湿地的影响。最终，根据学生自主获得的知识，对实际环境问题进行人工湿地设计。实验过程从理论逐渐向高阶的探究、实践变化。
②实验内容的创新性
人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验的创新性主要表现在：
一是研究对象的创新。人工湿地是当前生态环境保护的“网红”，是我国生态环境保护尤其在乡村环保、流域保护、污水厂尾水处理的行业推荐技术。掌握人工湿地技术有助于学生了解时事环保问题、前沿工程技术，提高学生思辨和创新能力。
二是仿真实验平台在探索和设计环节提供了极大的自由度，极大保证了学生学习过程和实验结果的差异化和个性化。
③实验过程的挑战度
该虚拟仿真实验的理论基础整合了三类人工湿地，探究模块包含了九个探究场景（三个设计参数对三类人工湿地的影响）。这需要学生课前进行大量的知识储备，同时在课上自主探究、有机融合、将理论融入虚拟实践中。此外，自主设计模块的结果，每个学生一人一况，需要学生与教师在课（实验）下进行再次探讨、总结。
④实验层次的递进性
该虚拟仿真实验分为三个层次：一是基础知识展示和考察；二是3个主要设计参数对不同人工湿地的影响研究；三是根据实际环境问题，进行人工湿地的自主设计。整个实验经历“理论—探究—实践”过程，遵循“简单—对比—整合—运用”的原则。
⑤实验评分的合理性
人工湿地虚拟仿真实验所采用的多维度评价体系体现了合理性和全面性。通过内置实验教学目标及评分规则，全流程的“过程性+迭代性”评价体系在评估学生实验成绩时，突显了合理性的重要性。这一评价体系结合了常规要求和高阶要求，确保了对学生综合能力的全面考察。在实验的基础知识测试客观考核环节，评价方式相对客观，通过对学生基础知识掌握的测试，能够直观地反映其学科基础水平。而在操作步骤逻辑客观评价环节，实现了对学生在实验过程中操作的准确性和逻辑性的客观评价，保证了实验的规范性和技术性。实验能力迭代主观评价和实验创新主观考核环节突出了学生在实验过程中的主动性和创新性。这种主观评价考虑到了学生的个性化发展和实验态度，为实验中的多样性提供了有效的评价方式。同时，通过迭代性评价，能够观察学生在实验过程中的进步和学习效果。多维度评价体系在实验成绩评价方面兼顾了基础知识、操作技能和实验态度等多个方面，使得学生在实验中的表现得以全面而准确地呈现，为教学和学生发展提供了有力的支持。这种评价方式不仅体现了科学实验教学的全面性和个性化，还为学生提供了更具挑战性和有深度的学习体验。
⑷实验系统的先进性
本项目基于本学科20多年的国家和省部级科技重大专项、科技支撑计划、自然科学基金等项目成果与工程实践支持，开展了人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验，通过3D模型及模型的透视、半剖、拆解和3D动画等技术手段，直观展示人工湿地的具体构造，处理原理、流程组成等方面，因此虚拟仿真试验结果全面直观。本实验项目以某真实湿地为原型进行虚拟仿真，共分三个阶段、15个实验步骤，共2个学时，按照学生知识、能力的训练要求由浅入深，循序渐进。既包括不同类型人工湿地的基本特点、植物、微生物以及基质对不同污染物的去除机理，也涉及不同进水水质条件下人工湿地的模式和设计方法，不仅为学生专业基本知识的掌握提供了有效工具，而且能够支持学生进行不同进水水质条件、不同基质及植物搭配等新方案的设计优化，并通过虚拟仿真进行可视化表达。对于学生创新能力的提升提供了很好的手段和工具。
同时，教学方法上采用沉浸式、自主式、交互式、团队合作式和反思式教学方法相结合，使学生通过虚拟仿真实验掌握“人工湿地的结构、污染物的去除机理、人工湿地的设计和运行”三个相互递进的知识层次。评价体系上采用多层次考核对学生实验效果进行评价，具体分为思考题考核、案例设计考核和小组实验报告三部分组成。
设计原则：
①实验设计的高阶性
该虚拟仿真实验在传统教学侧重于介绍水平流人工湿地的基础上，涵盖了表面流、水平潜流和垂直潜流人工湿地的知识点。实验强调学生在观察人工湿地全貌和内部构造、通过知识库考核后，自主掌握三类不同人工湿地的异同和优劣。在此基础上，通过自主探究实验，通过控制量法、图像绘制等，掌握主要设计参数对不同人工湿地的影响。最终，根据学生自主获得的知识，对实际环境问题进行人工湿地设计。实验过程从理论逐渐向高阶的探究、实践变化。
②实验内容的创新性
人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验的创新性主要表现在：一是研究对象的创新。人工湿地是当前生态环境保护的“网红”，是我国生态环境保护尤其在乡村环保、流域保护、污水厂尾水处理的行业推荐技术。掌握人工湿地技术有助于学生了解时事环保问题、前沿工程技术，提高学生思辨和创新能力。二是仿真实验平台在探索和设计环节提供了极大的自由度，极大保证了学生学习过程和实验结果的差异化和个性化。
③实验过程的挑战度
该虚拟仿真实验的理论基础整合了三类人工湿地，探究模块包含了九个探究场景（三个设计参数对三类人工湿地的影响）。这需要学生课前进行大量的知识储备，同时在课上自主探究、有机融合、将理论融入虚拟实践中。此外，自主设计模块的结果，每个学生一人一况，需要学生与教师在课（实验）下进行再次探讨、总结。
④实验层次的递进性
该虚拟仿真实验分为三个层次：一是基础知识展示和考察；二是3个主要设计参数对不同人工湿地的影响研究；三是根据实际环境问题，进行人工湿地的自主设计。整个实验经历“理论—探究—实践”过程，遵循“简单—对比—整合—运用”的原则。
实验目标：
通过实验课程教学，可以让学生：
（1）达到掌握人工湿地基本理论和知识的水平，包括人工湿地工艺特点、单元设施基本组成和内部结构特点的理论知识，以及人工湿地中植物、基质和微生物针对不同污染物净化原理；
（2）达到掌握人工湿地相关的工程专业知识的水平，包括关键设计参数的定义和作用，及其对人工湿地污染物去除效果的影响；
（3）达到掌握人工湿地设计方法与流程的专业技能的水平，成为污染生态修复、自然生态环境维护、生态设计与规划等方面工作的复合型技能人。
实验要求：
（1）专业与年级要求
本项目主要适用于环境科学与工程类中的环境工程专业、环境科学专业、环境生态学专业学生。
项目对应的核心知识点与《水污染控制课程设计》、《生态修复理论与工程》课程直接关联，也适用于《环境保护与可持续发展》等课程的相关知识、能力要求的培养。通常安排在本科2-3年级学习。
（2）基本知识和能力要求
进行本项目的实验学习的学生，应掌握环境工程的基本知识，已学习《环境微生物学》、《环境化学》、《水污染控制工程》、《给水排水管网系统》等相关基础课和专业课程，对环境工程设计有基本的了解，对人工湿地设计有综合比选和应用能力。具体包括：
1.微生物在湿地生态系统中的作用：了解湿地中微生物的多样性、分布和功能，包括降解有机物质、氮循环、硫循环等过程。
2.污染水体化学特性：了解湿地水体中溶解氧、氨氮、硝态氮、磷等关键指标的测量和监测；掌握水体中常见污染物的性质、来源和化学变化过程。
3.湿地处理工艺：学习湿地作为水污染控制工程的原理和设计方法。
4.水质模型：掌握水质模型的应用，对湿地处理效果进行预测和优化。
5.水流动和输送：了解水在管网中的流动原理，对湿地内水体的流动和输送进行分析。
6.管道设计：具备设计湿地内管道系统的能力，包括管道尺寸、布局和材料选择。
7.实验设计：能够设计涉及微生物学、化学、工程等多个方面的实验，以评估人工湿地对水体的影响。
8.数据分析：具备处理和分析实验数据的能力，包括使用统计方法进行数据解释。
9.综合运用多学科知识：能够整合微生物学、化学、工程学等多个学科的知识，全面评估人工湿地设计的效果。
10.解决问题的能力：具备发现和解决湿地设计中可能出现的问题的能力。
