该实验使用CLUE-S、IVEST模型进行模拟预测未来变化，实现地表水水质生态安全与水资源综合评估、实习采样、动态推演、常规管理和应急预警管理的模拟（以河流与湖泊流域及海岛为例）；该实验同时运用城市复合生态系统的系统动力学SD模型与生态耦合模型，对影响流域生态风险累积效应的PREED（人口-资源-环境-经济-发展）五大要素构成的系统现状进行未来时段（以100年为例）的仿真和模拟比较。

知识点（共 16 个）：

1. 国内外常用河湖水质与环境生态模型

2. 地下水的自净作用

3. 河流生态系统的自净作用

4. 水量生态平衡

5. 水资源与水环境危机

6. 河流二维水质模型

7. 水污染及其成因

8. 水文循环

9. 饮用水现状

10. 海绵城市与韧性城市

11. 气候变化与海平面上升

12. 海平面变化机制

13. 溢油原理与模拟

14. 污染物扩散原理与模拟

15. 水动力模型与模拟

16. 水质监测采样基本操作

基于自然保护与环境生态学科特点和教学体系要求，拟通过对大量已有环境数据的3D建模和VR仿真设计，以长三角区域水环境生态安全为例建构环境教学虚拟场景, 使学生从不同的方向和角度来亲身感受到认识复杂的地质地貌、水文、水资源、水环境、水安全、气象气候、土壤、植被、灾害等环境数据的空间关系和物理关系,深化对它们内在关系和内部机理的理论研究。

以“虚”补实、应用VR技术和多媒体技术获得实体环境无法达到的教学效果；建成实验实训与沉浸性服务平台与场景，基于互联网形成信息化管理平台，在交叉学科融合发展与互联网+的大背景下，为环境科学与工程类师生提供一个综合性的教、学、考、练的教学项目，为学校提供生态环境科学虚拟实验资源共享和软件教学资源共享。

（1）选择主页页面左侧“水环境生态安全评估虚拟仿真实验”；

（2）点击“相关课程”进入相关课程页面，并自行学习浏览《常用河流水质与环境生态模型》、《地下水的自净作用》、《河流生态系统的自净作用》、《水量平衡》、《水污染及其原因》等9个课件（时间1个课时）；

（3）点击“相关资料”进入相关资料页面，并自行学习浏览“中国地下水现状”等视频、论文、案例等19个学习材料（时间1个课时）；

（4）在线学习2个课时之后，学生可以在线进行水环境规划与污染应急虚拟仿真实验，点击“开始模拟”，进入仿真实验页面；首先观察到的是右侧360度浏览的全流域3d虚拟环境，而左侧水质模型和排放量、弥散系数等参数则是需要学生根据虚拟情景选择和输入的（时间2个课时）；

（5）目前系统提供的水质模型有“一维河道线性推演模型”、“二维瞬时排放水质模型”、“河口推流衰减模型”三个模型，要求学生选择其中一个进行仿真模拟。例如，我们现在选择“二维瞬时排放水质模型”，同时设置污染物排放量1000kg、弥散系数10m2/s、平均流速0.05m/s、污染物监测指标BOD、水深20m、采样点15个。请同学们自己思考采样点选择的原则和取样方法是什么？污染物排放量等参数的选择对应了怎样的实际情况？

（6）点击“开始模拟”进行实验模拟，在页面的右侧显示了污染物扩散的3D可视化结果，清晰直观，同时显示了从流域上游到下游的每个采样点的污染物浓度和监测时间，请思考数值变化和参数的关系以及水质模型的原理，并在线记录模拟结果，同时要反复观察模拟过程和结果；

（7）在线填写报告；

（8）重复上述5) - 7)过程生成多个模拟结果；

（9）对多个模拟结果进行比较，并分析差异原因和污染物产生、扩散到原因，据此提出自己的水环境规划方案和污染应急方案，有可能的情况下可以引入或开发实现新的水质模型；

（10）提交报告和模拟成果；并进入“水环境生态安全评估虚拟仿真实验v2.0系统”和“海岛生态环境虚拟仿真教学系统”进行两项仿真实验

（11）点击“水环境生态安全评估虚拟仿真实验v2.0系统”进入“水动力模拟”、“溢油模型”、“水质监测”进行虚拟仿真学习（时间3个课时）；并提交报告和模拟成果；

（12）注意使用键盘的“Q、W、E、A、S、D”键和鼠标滚轮和左右键操作：

-请同学接受水样采集任务并完成任务

-请同学们使用系统工具浏览三维河流和水库的各项数据和场景。

-请同学们观看三维精细化场景展示

-请同学观察泵站运行状况。

-请同学们操作水动力模型。

-请同学们操作溢油模型。

-请同学们操作危化品模型。

-请同学们查看各项监测数据。

（13）获得分数（课程结束前2周）；

（14）查看其他同学的实验成果并进行评价和评分（课程结束前1周）。

（15）点击“海岛生态环境虚拟仿真教学系统”进入“海岛植物多样性调查”、“潮汐带调查”、“气候适宜度评估”进行虚拟仿真学习（时间3个课时）；并提交报告和模拟成果；

（16）注意使用键盘的“Q、W、E、A、S、D”键和鼠标滚轮和左右键操作：-请同学们使用系统工具浏览三维海岛及海岛的各项检测数据。

-请同学们调查海岛植被分布状况。

-请同学们查看植被样方信息。

-请同学们进入海岛重点区域浏览。

-请同学们进入海岛动物信息浏览。

-请同学们进行PH值、水温、盐度、浊度、溶解度、叶绿素等信息查看。

-请同学们通过拉动滚动条来模拟潮汐水位高低。 请同学们调查海岛潮间分布状况。

-请同学们浏览海岛地形等高线。

-请同学们通过控制人物来进行海岛漫游。

-请同学们通过滑动条来控制水体浊度。

（17）获得分数（课程结束前2周）；

（18）查看其他同学的实验成果并进行评价和评分（课程结束前1周）。

（19）回到主页面，继续下一步：选择主页页面右侧“城市生态风险虚拟仿真”；

（20）点击“相关课程”进入相关课程页面，并自行学习浏览《海绵城市》、《气候变化与海平面上升》、《温室效应及其成因》、《全球宜居城市案例》等12个课件（时间1个课时）；

（21）点击“相关资料”进入相关资料页面，并自行学习浏览“全球暖化”等视频、论文、案例等22个学习材料（时间1个课时）；

（22）在线学习2个课时之后，学生可以在线进行城市生态风险虚拟仿真仿真实验，点击“开始模拟”，进入仿真实验页面；首先观察到的是左侧360度浏览的3D城市虚拟环境，而上方侧是城市类型、未来年份、温室气体排放等多种参数，需要学生根据虚拟情景选择和输入（时间2个课时）；

（23）目前系统提供的分析模型为“城市复合生态系统的系统动力学模型”。要求学生对城市类型中的商业城市、工业城市和海绵城市全部都要分别进行选择。例如，我们现在选择“商业城市”，同时设置未来年份为2118年，温室气体排放0.5%，枯季平均流量10000m3/s。请同学们自己思考商业城市、工业城市和海绵城市的区别是什么？温室气体的排放率代表了怎样的实际情况？河流枯季平均流量10000m3/s是一个什么概念？

（24）点击“开始模拟”进行实验模拟，在页面的右侧表格显示了温室气体影响、海平面上升、风暴潮、河口盐水入侵、土地利用类型变化和产业结构调整之后的结果；左侧3D城市模型则用颜色表示了受影响的城市区域，该可视化结果，清晰直观；请思考数值变化和参数的关系以及动力学模型的原理，请思考城市空间布局受影响的原理，并在线记录模拟结果，同时要反复观察模拟过程和结果；

（25）在线填写报告；

（26）重复上述23) - 25)过程，调整参数，生成多个模拟结果；

（27）对多个模拟结果进行比较，并分析差异原因，特别要分析不同城市属性应对温室效应、海平面上升的能力的差异和原因。据此提出自己的生态规划方案和生态风险预警与应急方案，有可能的情况下可以引入或开发实现新的城市生态风险预测和预警模型；

（28）提交报告和模拟结果。

本项目的考核分为两项：过程考核和结果考核。

（一）过程考核指系统对学生使用者的每个实验步骤进行记录，在学生完成实验后，对学生的每个实验操作进行考核。由于本系统涉及上百个操作步骤（包含重复步骤），限于篇幅所限，以水质监测采样评价（包括“任务1河流水质常规指标监测采样”、“任务2降雨对河流污染影响研究采样”等9个平行的实习任务）的过程考核为例，可窥豹一斑，介绍其过程考核打分标准如下：

考核系统提示：制定完备合理的计划是一次采样实习成功的基础和关键，所以本考核系统分为计划合理性得分和采样规范性得分两部分。

1. 计划合理性得分（满分50分，可得负分）

•采集批次数只设置1次的，扣5分。教师自动评语：采样1次有机会获得的数据不具备普遍性，建议2次以上。

•采样批次日期间隔不足1周以上的，扣2分。教师自动评语：不足1周水质有可能变化不大，无法掌握整个月份的水质变化情况。

•不同批次采样小时信息不一致的，扣5分。教师自动评语：一般多次采样都是不同日期的同一时间段采样，否则不同时间段的采样结果有机会不同。

•采样时间不是白天的，扣5分（任务4必须有夜晚采样时间，如果没有提示严重失误，扣10分）。教师自动评语：夜晚采样有安全风险，研究目的要求晚上采样除外。

•采样时间正好赶上下雨和狂风的，扣2分（任务2必须选择下雨的时间采样，否则扣10分），教师自动评语：下雨采样有风险。如果任务2没选下雨采样，则提示没有考虑下雨天采样与研究目的不符合，是严重的计划失误。

•采样设备对应不一致的扣5分，正确的对应关系如下：任务1、2、3、4、5使用采水器；任务6使用铁铲等，任务7使用携带拖网，任务8使用黑白瓶，任务9使用抓斗。任务5和6一般不用船只。FFA固定剂和甲醛不需要同时使用。如果学生选的不对，则系统根据任务不同提示对应的设备选择错误。

•水样存储设备个数小于采样点数量2倍的扣10分，教师自动评语：严重的计划失误；等于采样点个数2倍的扣2分，教师自动评语：一般要多准备几个存储设备；大于采样点数4倍以上的，扣2分，教师自动评语：存储器带太多，浪费研究经费。

•任务3、任务4和任务8采集深度过浅（表层水）扣2分；任务1、任务5、任务7采集深度过深（非表层水）的扣2分。教师自动评语：采集深度要与研究目的相符。

•采样点只有一个的，扣5分，教师自动评语：一个点有可能无法掌握整条河流的情况；采样点不平均分布的（此处通过空间计算），扣5分，教师自动评语：采样点分布不平均。采样点多于10个的扣2分，教师自动评语：这条河流全长只有20公里，设置多于10个的采样点工作量有可能太大，浪费经费而且一天未必可以完成。

•采样点不在河流上的或者采样点的河流深度小于采样深度的，扣5分，教师自动评语：计划时采样点应选择在河流上，提示此处采样点深度设置过深或者此处采样点不适合研究目的。

•采样预算：车费/天低于100扣2分，教师自动评语：可能预算偏低；车费/天大于600，扣2分，教师自动评语：预算可能偏高，造成经费浪费。船费/天和食宿/天等同上。

2. 采样规范性得分（满分50分，可得负分）

•未携带救生衣道具，扣10分，教师自动评语：未携带救生设备，安全隐患。

•未到采样点附近就采样的，扣10分/未正确的采样点，教师自动评语：编号X采样点与计划偏离。

•未使用GPS记录坐标信息的，扣10分/未正确的采样点，教师自动评语：编号X采样点空间坐标信息缺失。

•未在绳子上做标记的或者标记位置与采集计划的深度不符的，扣10分，教师自动评语：水深信息缺失（任务9不需要此项判分）。

•交互采样操作“小游戏”中，没到绳子标记处附近就上提的，扣10分/未正确的采样点，教师自动评语：上提采水器要到绳子的标记处，编号X采样点水深信息不正确。

•未过滤的，扣2分/未正确的采样点，教师自动评语：杂质可能会污染样本。

•未加固定剂或甲醛的，扣2分/未正确的采样点，教师自动评语：水样未加入甲醛或固定剂。

•未拧储水器盖子的，扣5分/未正确的采样点，教师自动评语：水样可能会洒出，一天的努力会付诸东流。

•每个采集点采不足2次的（指交互采样操作“小游戏”不足2次），扣5分/未正确的采样点，教师自动评语：每个采样点需要采集2次以上。

•时间到达计划的最后一天仍未完成采样并提交任务的，扣50分/未完成的采样点。教师自动评语：未按时完成采样任务。

3. 总分和结果：两者相加，并给出每项得分和扣分理由。全班分数排列之后，按照正态分布打出标准分（满分100分，绝对得分、标准分和每条教师评语都会在系统显示）。同时结果会给出自动提示：为教学操作可行性，评分标准只能做唯一性设计，若学生认为评分不当之处可向任课老师提出质疑，言明当时制定计划和操作的理由，若言之有物，不仅不扣分，还可额外获得加分。

（二）结果考核指学生完成实验后提交实验报告，考核达到基本模型应用的能力、独立进行计算与结果分析、VR场景再现的能力等。

报告文字流畅通顺，逻辑性强，学科术语准确，作业中至少包含10个知识点和20个实验步骤，正确的考察和模拟仿真结果、输入参数与输出结果对应、评价结果与历史作业中的其他学生的结果达到50%以上的对应，则可认为学生达到实验教学的基本要求，基本能够掌握该实验中的知识点，可获得基础分50-60分；

报告中的考察和模拟结果正确，输入参数组合多样，且有相应的实际情景对应，同时具备原因分析；能够给出自己的评估方案，评价结果与历史作业中的其他学生的结果达到75%以上的对应，则可认为学生对水环境生态评估具有较深入的思考，具有解决实际问题的能力，可获得15-25分的加分；

报告中的模拟结果正确，且能指出虚拟仿真实验平台给出的现有各种模型的优劣，并在报告中提出改进方法，并切实可行，则可认为学生具有较高的创新能力，可获得10-15分的加分；

满分为100分，各分数段可客观反映学生的创新性、理解力和实际动手能力。老师对学生的评分和学生之间互评分将作为学生考核的最终结果。