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。
