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南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验

南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验

实验简介:  滑坡是南方山丘区主要的一种山地灾害类型,严重威胁着人民的生命财产安全。植物防治措施,通过根系穿插和林冠蒸腾耗水,对提高滑坡稳定性作用显著。南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验,是南京林业大学水土保持团队,按照“虚实结合”的设计理念,学生在线下实体实验的基础上,通过认知、探究、实践三个环节的线上实验,掌握植物根系和林冠蒸腾在滑坡防治中的作用机理,培养学生独立设计浅层滑坡植物防治方案与防灾减灾的能力。设计原则  本实验本着“能实不虚、虚实结合”的

南京林业大学

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实验简介:

  滑坡是南方山丘区主要的一种山地灾害类型,严重威胁着人民的生命财产安全。植物防治措施,通过根系穿插和林冠蒸腾耗水,对提高滑坡稳定性作用显著。南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验,是南京林业大学水土保持团队,按照“虚实结合”的设计理念,学生在线下实体实验的基础上,通过认知、探究、实践三个环节的线上实验,掌握植物根系和林冠蒸腾在滑坡防治中的作用机理,培养学生独立设计浅层滑坡植物防治方案与防灾减灾的能力。

设计原则

  本实验本着“能实不虚、虚实结合”的原则,以学生为主体,通过场景再现和过程仿真的形式,理解浅层滑坡影响因素,根系生长与抗剪抗拉、林木生长耗水规律等基础知识,培养学生设计植物防治滑坡方案的能力。系统融“虚拟与现实”、“理论与实践”于一体,采用“探究性实验+自主性设计”的实验教学方法,通过场景模拟展现不同特征的三维坡面,克服地理空间的限制,实现根系生长仿真,林木蒸腾耗水模拟,激发学生兴趣,促使学生自主学习、自主设计防治方案,充分调动学生学习的积极性和主动性,使学生在学习和反思的交互的过程中,架构自己的知识体系,实现知识的有效迁移,从而实现培养具备解决复杂问题的能力和创新思维的高层次专门人才的目标。

  仿真度高:具体指内容真、场景与原理真。内容真:本项目的教学内容是水土保持与荒漠化防治专业开设的“土壤侵蚀原理”课程的基本单元,教学目标和教学要求与真实课程完全一致;场景与原理真:系统是基于国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目,开展了近十年实验,获取了大量真实可靠根系生长数据、林木蒸腾耗水数据,通过数学建模建立根系抗剪抗拉、林木蒸腾耗水与边坡稳定性的关系,因此虚拟仿真实验结果真实可靠。

  交互性强:系统设立滑坡风险评估、林木生长固坡分析、植物防治实践等三个环节,让实验者以第一人称视角自然快速地融入场景中,身临其境地体验环节。滑坡风险评估环节,学生通过观察判断法了解坡体的特征参数,对坡体稳定性作出初步的定性评估,判断结束后,系统自动评分,实现人机交互。林木固坡分析环节,运用控制变量法,可以在树种筛选、密度调控、固土优化3个子环节之间反复多次操作。每个子环节学生自主设计3个对比实验方案,探索植物根系生长过程对坡体稳定性的影响,实现自我评价与提升。植物防治实践环节,系统给定特定场景的参数以及任务要求。学生在分析场景参数的基础上,查看林木固坡分析环节的结果,也可以查看其他同学的试验结果。分析规律后,在特定坡面设计树种、搭配比例、及栽植模式等,通过对比结果,实现生生交互。

课程目标

  本实验从单因素辨析、多因素综合到方案设计三个不同层次展开,涉及原理、方法、技术三个方面,培养学生研究学习与防治减灾能力。

1)通过植物防治虚拟仿真实验,巩固和加深学生对所学课程《土壤侵蚀原理》、《山地灾害防治工程学》和《土力学》等基础理论知识的理解

2)通过滑坡风险评估环节,学生了解滑坡发生的机制及影响滑坡的重要因素,独立完成滑坡风险评估。

3)模拟根系生长过程,理解并掌握林木根系生长规律、根系抗拉/抗剪能力与浅层滑坡关系,掌握树种选择与密度控制对边坡稳定的影响作用。

4)模拟林木蒸腾耗水过程,了解林木蒸腾作用与土壤含水量变化规律,理解并掌握土壤含水量变化与边坡稳定性之间的关系。

5)通过虚拟植物防治环节,理解并掌握不同混交比例、树种配置和密度设置对浅层滑坡防治效果,提高学生独立设计植物防治措施能力。

实验要求

1)专业与年级要求

  专业要求:水土保持与荒漠化防治及林学、地学、生态学等相关专业

  年级要求:大二至大四的本科生

2)基本知识和能力要求

  基本知识:具备一定的高等数学、气象学、土壤学、植物学、生态学、土力学、工程力学等相关基础知识

  能力要求:掌握基本的计算机操作,具备初步的专业分析能力

成绩评定

1)课程预习:

  该环节是在学生掌握相关基础知识后,进行植物防治虚拟仿真实验之前进行。目的是判断学生是否已具备足够的知识储备进行植物防治实验,从而保证虚拟仿真实验效果。本环节设计选择题与判断题,共10题,每题10分,满分100分。课程预习环节成绩占最终考核成绩的20%。

2)实验步骤:

  本环节考核判断学生是否按照实验引导和标准流程进行实验,是否对实验参数、过程、结果有着清晰认识,能够准确得出实验结论。采用过程考核方式,记录学生每一步的操作及方案,并对每步过程进行评分,考核学生对实验步骤的熟练程度。本环节满分为100分,占最终考核成绩的80%

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