（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。

（1）近5年来承担该实验教学任务情况

2019年首次建设至今，团队成员已5次开展《人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验》虚拟仿真实验教学，近五年累计参与学生约3700余人次。同时，本实验于2021年被认定为江苏省一流本科课程。团队成员承担该实验相关教学任务情况如下表：

（2）负责人教学研究、学术研究与教学奖励情况

教学研究：

主持教育部协同育人项目1项（2023年）、主讲中国大学生慕课《环境微生物学》1项（2020年至今每年开课1次）、主持校级“思想政治”示范课程项目。

学术研究：

主要研究方向为低碳水处理与资源化，担任《净水技术》青年编委，累计发表论文50余篇，总引用次数超1600次，h-index=25（Google scholar），其中以第一/通讯作者发表环境领域顶刊Environ. Sci. Technol.和Water Res.研究论文6篇。主持国家自然科学基金2项、国家重点研发计划子课题1项、省部级自然科学基金及重点研发计划项目4项，以第一发明人授权国家发明专利3项。

教学奖励：

全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖-指导教师（2020）；江苏省本科优秀毕业设计（论文）-指导教师（2023）；江苏省大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖-指导教师（2022）；东南大学“吾爱吾师——我最受喜爱的老师”（院系最受欢迎老师）（2023）；东南大学能源与健康奖教金（2021）；东南大学优秀硕士学位论文指导教师（2022）。

（1）实验的必要性及实用性

①本实验秉承“加强生态环境保护、建设美丽中国”的理念，学生在人工湿地生态修复技术学习的过程中，加深对生态环保形势和政策的了解，同时培养专业素养和人文情怀。团队在水环境修复领域多年的科研实践经验通过虚拟实践教学得到传承，推动了产学研协同创新，助力专业影响力提升。

本实验依托《生态修复理论与工程》等课程，涵盖了生态修复相关理论、技术和方法，为学生提供全面的知识。通过建立人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验，学生能更直观地学习专业技术、了解生态环境保护形势和国家政策，培养专业素养和人文情怀。东南大学环境专业教师长期从事水污染控制与处理、生态修复等领域研究，开展了多项国家级课题和示范项目，积累了丰富经验。结合“科研反哺教学”和“产学研协同创新”的理念，通过虚拟仿真实践教学方式传授经验，既培养学生能力，又提升了学校专业影响力。

②本实验针对人工湿地处理污水的实操过程高成本、高消耗、难维护、原理及工艺流程复杂等实验教学难点，通过虚拟仿真平台模拟真实人工湿地，展示内部结构、净化原理、设计流程，为学生提供个性化学习场景，弥补实操难题。

人工湿地处理污废水的实操过程具有以下特点：一是构建复杂的生态体系，包括植物、微生物和水生动物。二是启动运行周期长，需至少3个月培育植物和微生物以确保稳定运行。三是占地面积大，按人口污水当量计算需要5平方米/人均污水产量，单池面积一般为200平方米。四是受多种因素影响，如水力负荷、池体构型和环境条件。这些教学难点限制了学生的实际操作。虚拟仿真平台以真实人工湿地工程为基础，模拟其内部结构、净化原理和设计流程，为学生提供了一个自主、个性化的学习场所，弥补了实验室操作的不足。

③本实验通过互动思考、合作研究及自主设计等教学模块，全面提高学生的学习主动性、团队合作能力以及解决复杂工程问题的能力，助力学生成为生态环境保护领域的复合型技能人才。

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。

④本实验突破时空、地域、场地的限制，学生随时随地可开展原理认知、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，教师可通过后台跟踪学生的掌握情况。

本实验利用虚拟仿真技术创造逼真的场景，直观展示人工湿地生态修复技术的应用、实验布置、参数设置、过程可视化和结果展示，帮助学生掌握新技术手段和实验要点。学生通过虚拟实验处理技术问题，体验综合性实验训练，系统学习人工湿地生态修复知识，实践操作，理解应用和规范，深入理解人工湿地生态修复技术，为未来应用做好准备。本实验教学模式不仅提高了效率、降低了成本，同时也使学生能够亲身体验设备操作，优化参数，巩固理论知识，提高实践技能。互动教学模式也调动了学生的积极性和主动性，加强了实践能力和创新意识的培养。

（2）教学设计的合理性

①本实验鼓励学生通过自主探究，深入了解湿地异同、设计参数对其影响。实验涵盖从基础到综合设计的高阶变化，注重学生综合能力的锻炼。

本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。在掌握上述知识点的基础上，针对实际问题进行人工湿地设计。

②本实验在研究对象及实验设计层面均具备较强的创新性。

人工湿地是我国生态环境保护尤其在乡村环保、流域保护、污水厂尾水处理等行业的重要生态处理技术。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。本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本实验多场景、多模块、丰富知识点及一人一况的特征决定其具备一定的挑战度。

本实验的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本实验包含“理论—探究—实践”的层次递进。

本实验分为三个层次：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本实验采用“基础+过程+迭代”的多维评价体系来保证成绩的合理性。

本实验采用“基础性+过程性+迭代性”的多维度评价体系，结合常规和高阶要求，确保全面考察学生综合能力。基础知识测试客观考核直观反映学科水平，操作步骤逻辑客观评价保证了实验规范性和技术性。实验能力迭代主观评价和创新考核突出学生主动性和创新性，考虑到了学生的个性化发展。通过迭代评价观察学生进步和学习效果。多维度评价体系兼顾基础知识、操作技能和实验能力，全方位呈现学生表现，为学生提供了更具挑战性和深度的学习体验。

（3）实验系统的先进性

本实验充分发挥东南大学在水生态处理领域的科研优势、实验教学团队丰富的教学经验、技术团队扎实的虚拟仿真开发技术，有效保证了实验系统的先进性。

本项目基于学科20多年的科研成果与工程实践，开展了人工湿地生态修复技术虚拟仿真实验。通过3D技术展示湿地构造、处理原理、流程，结果全面直观。以真实湿地为模型，分三阶段、13步骤，由浅入深，渐进训练学生。涵盖不同湿地特点、去除机理、设计方法，为掌握基础知识、优化方案提供工具，并可进行可视化表达，促进学生创新能力。教学方法包括沉浸、自主、交互、合作和反思，帮助学生掌握湿地结构、去除机理、设计与运行。评价采用多层次考核，包括思考题、案例设计和小组报告，全面评价学生实验效果。

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。

根据环境工程专业对《生态修复理论与工程》、《环境生物技术与应用》、《环境工程实验》、《水污染控制工程(1)》、《水污染控制工程(2)》）、（《环境工程设计基础与方法》、《环境微生物》等相关专业课程的授课要求，通过本次实验，学生应达到的知识与能力如下：

（1）掌握人工湿地基本理论和知识，掌握人工湿地工艺特点、单元设施基本组成和内部结构特点的理论知识，掌握人工湿地中植物、基质和微生物针对不同污染物的水质净化原理和机制，深入理解人工湿地净化水质相关的发展史和前沿科技应用。学生在对该门实验课程的学习目标和基本理论有清晰认识的基础上，产生关于人工湿地学术前沿的浓厚的学习兴趣。

（2）通过三因素影响的探究实验阶段，深刻理解水力停留时间、长宽比、水力负荷等基本概念及其作用，掌握操作参数对人工湿地水质净化效果的影响规律。达到掌握人工湿地相关的工程专业知识的水平，提升人工湿地设计参数设定、出水水质提升等相关的能力技巧，形成人工湿地水质净化效果提升的创新实践精神和探索意识。

（3）通过自主设计阶段的虚拟仿真过程，掌握人工湿地设计方法与流程的专业技能，充分提升学生的实验能力和工程实践经验，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专业技能人才。