本实验项目适应我国新时代水利事业发展需求，以培养具有专业胜任力、高素质创新型水利人才为培养目标，坚持“学生中心、问题导向、教研融合、创新实践”的实验教学理念，以农田水资源的高效节约、实时在线、绿色生态利用为切入点，采用3D仿真、动态模拟、人机交互等技术自主研发了绿色智能节水灌溉虚拟仿真实验，旨在实现以下教学目标：

知识目标：通过全景认知，系统掌握农田智能节水灌溉系统架构和设备组成，深入了解灌溉模式和特征；认知作物的生育阶段、各阶段的地面地下生长过程；深入理解作物需水耗水、节水灌溉原理和相关技术。

能力目标：熟练掌握农田节水灌溉实验方法，完成节水灌溉条件下需水量和灌水量计算，能够完成农田智能灌溉实验设备的布置；能够完成不同作物灌溉制度设计；完成节水灌溉方案设计和比选；了解智能节水灌溉的技术关键和工作流程，具备解决实际农田灌溉问题的能力。

素质目标：通过问题驱动，培养独立思考、发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高知识应用能力；通过多情景探索和协作实验，培养学生综合分析和科研创新思维能力；通过多人同时实验情境，培养团队意识和合作沟通能力。

育人目标：通过引入先进的智能节水灌溉技术，提升学生专业认同感和责任感；通过旱涝作物受灾场景，培养学生工程伦理道德、敬业精神和社会责任感，树立正确的价值观和人生观。

一、实验原理

实验以虚拟仿真平台为载体，融入作物需水、节水灌溉、土壤水量平衡、灌水预报、水肥运移、智能灌水决策等知识，开展综合创新实验。

1、农田智能节水灌溉系统

智能节水灌溉依托现代物联网技术，基于田间实时采集的土壤墒情、气象、作物生长等信息，对作物进行实时节水灌溉。灌溉系统主要包括水源工程、田间输配水工程、气象监测设备、水环境监测系统、水肥一体化设施、智能灌溉控制系统和数据云端等。通过水环境监测系统监测土壤中关键信息，灌溉控制中心做出灌水施肥判断，并自动开启电磁阀，水肥通过输配水工程自动传输至作物进行灌溉。

2、智能节水灌溉原理

作物非充分灌溉制度是来水不充分无法满足作物需水要求时，允许作物有一定的水分亏缺，以较小的灌水获得相对较高的产量确定的一种灌溉制度。水资源不足的条件下，非充分灌溉可以合理有效地分配有限的水量、获得最高的收益，是实现节水高产的最有效途径。

非充分灌溉条件下作物需水量计算：

非充分灌溉条件下作物需水量计算：

智能灌溉作物计划湿润层含水率的逐日递推预测模型：

灌水量计算：

硝态氮浓度计算:

智能节水灌溉计算流程:

3、智能节水灌溉方案设计和比选

学生通过选择不同灌水上下限、不同灌溉方式和不同施肥方式，自主设计灌溉施肥方案，进行多方案作物生长过程模拟，可视化展现水肥与作物生长复杂的响应关系；考虑不同节水灌溉方案，作物经济效益明显差异；不同水肥比例，对环境的影响差别不同，选取作物水分生产率作为衡量指标，对比分析提出适宜灌溉方案，强化节水灌溉相关知识综合应用。

作物水分生产率计算：

二、知识点

1、智能节水灌溉系统组成及各设备的作用

2、灌溉模式和常用的节水灌溉方式

3、作物的生育阶段及各阶段的生长特征

4、节水灌溉条件下作物实时需水量计算

5、田间土壤水分运移过程和含水量递推模型

6、田间作物灌溉制度设计

7、节水灌溉方案设计与方案比选

8、作物实时灌溉预报技术

9、智能节水灌溉系统的工作原理和实时灌溉工作流程

三、部分预设参数

1、实验田块：4m*15m，根据灌溉实验方案自行添加田块；

2、作物种植模式：前期实现大田作物连种模式，后期增加经济作物后，实现多作物套种、连种等种植模式，实现多作物间节水灌溉重要参数比较等功能；

3、作物生育期：冬小麦生育期10月-次年6月，种植行间距为20cm；夏玉米生育期6月-10月，种植行间距为80cm；

4、土壤特性：壤土，密度为1.47g/cm3，田间持水量（FC）为32%（体积含水量），凋萎含水量为10%（体积含水量）。

5、灌溉施肥相关参数：

6、代表性灌溉方案：

选择其中4种代表性灌溉模式、2种节水灌溉方式，2种施肥方式，组合形成13种实验方案。

四、参考书籍

1、精准节水灌溉控制技术 赵燕东、张军、王海兰 电子工业出版社

2、农田水利学 郭元裕 中国水利水电出版社

3、灌溉原理与应用 粟宗嵩 科学普及出版社

4、节水灌溉技术标准选编 水利部农村水利司编 中国水利水电出版社

1、实验教学过程

实验基于真实案例搭建虚拟场景，从认知到实践层层递进设计模块，学生在实验中，依次完成原理学习、场景认知、案例仿真、方案比选等模块。

(1) 原理学习模块中，线下预习与线上实验相结合的教学方法实施。课前，学生通过教材预习完成节水灌溉理论和相关概念、农田灌溉设备、作物生长特征、作物需水和灌水量计算方法等知识点初步学习；通过虚拟仿真实验对智能节水灌溉过程，包括田间水分数据监测、数据网络传输和存储、灌水方案设计、灌水预报与灌水实施等宏观场景，及作物根深变化，水肥运移等微观场景的全面展示，强化学生对节水灌溉条件下作物需水量计算、田间土壤水分平衡计算、田间水肥运移过程模拟等知识点的理解与掌握，并完成相关测验。通过线上线下结合，将复杂问题简单化，抽象问题具体化、可视化，降低了复杂水肥运移系统的学习难度，可辅助解决灌溉系统设计等较为复杂工程问题，提升学生的学习兴趣和学习效果。

(2) 实验认知模块中，实地实验与虚拟仿真实验相结合的教学方法实施。在实验预备阶段，组织开展实地单次灌水实验，完成对实验对象-作物、灌溉系统组成的认知，通过土壤含水率测定、分水量水设备、输水管道开关自动控制、水表读取、灌水量记录等实验操作，完成对节水灌溉实验过程的感性认知。在虚拟仿真实验中，通过全景融入、沉浸式教学等手段，完成智能节水灌溉系统工作过程、土壤水环境自动测定、数据采集和自动传输、灌溉水量自动计算、输配水阀门自动控制等较为复杂、实地实验不便感知的精准节水知识认知，可视化展示智能节水灌溉系统、作物生长过程、灌溉过程、土壤水肥运移等，并体验机械化播种收割、智能化喷药除草管理、智慧化灌溉施肥等现代农田先进技术。通过实地实验与虚拟仿真相结合，完成农田灌溉系统、智能节水灌溉系统架构和工作流程、田间灌溉模式和节水灌溉方式等基础知识点的掌握。

(3) 案例仿真模块中，自主式实验与交互式实验相结合的教学方法实施。仿真实验过程中，学生基于不同灌溉参数自主设计各种灌溉方案，完成灌溉系统组建，进行土地平整、作物播种，根据天气变化、作物生长制定水肥灌溉决策，进行虫害管理、机械化收割等活动；让学生充分体验各种灌溉模式的差异，体验不同设计方案对作物生长的影响，同时，根据系统设置的极端天气情况完成灌溉实验，体验因缺水或淹水情况下作物凋亡情景，感受灌溉的重要性，增强使命感和责任感。通过灌溉模式选取、灌水方式选取、灌水阈值的设定、灌水量的计算、方案比选、优选原因等互动交流，激发学生探究新知识的热情，充分调动学生学习主动性与积极性。

(4) 方案比选模块中，任务式学习与反思式相结合的教学方法实施。根据案例仿真实验结果，记录不同仿真实验方案中灌溉量与作物产量数据，全面了解作物灌溉制度，分析灌水量与作物产量的响应关系，得到作物的水分生产函数，选择出最优方案。通过数据分析，可引导学生归纳总结出，适当的水分胁迫不会大幅降低作物产量，进一步引发思考可得到，节水灌溉可通过降低单位面积作物产量，将节约的水量用于扩大灌溉面积，最终达到增产目的。通过多角度引导，将课堂教学的零散知识点融合，同时加入绿色、智能节水灌溉等前沿科研成果，达到相关理论知识的综合应用目的，培养学生的实践与创新能力，提升解决实际问题的能力和动手能力。

学生完成相关测验考核，提交实验报告，系统根据实验过程记录和结果给定线上实验成绩，结合教师批阅的线下实验报告，最终评定课程成绩。

2、实验方法

实验过程中主要采用观察法、比较法、模型法、自主设计法、控制变量法、总结归纳法等方法，强化学生在实验过程中对重点知识的理解和掌握。

（1）通过模型模拟法、控制变量法等，辅之对微观可视化结果的观察法，加深对智能节水灌溉原理的理解。

通过模型模拟法、控制变量法等，进行参数调整和模拟计算，加深对节水灌溉作物供需水量变化、水分胁迫影响、水分利用率变化等的理解和掌握；对作物地面、地下的水分运移及生长发育过程、氮元素在作物根区的运移微观可视化结果进行观察，加深对绿色、生态、高效智能灌溉系统的理论依据的理解。

（2）通过观察法和比较法等方法完成农田全景的认知学习，加强对不同节水灌溉方式、不同作物阶段的理解。

通过观察法和比较法等方法强化灌溉系统的组成、作物的生长发育过程、灌溉模式、节水灌溉方式、智能节水灌溉系统及各部分功用等知识点的认知。

（3）通过自主设计法、控制变量法、模型模拟法等方法强化节水灌溉原理和系统的理解与案例仿真应用。

互动进行参数选取、选择种植作物及播种日期，选取实验田块、灌溉模式、灌溉方式、施肥方式，设置灌溉下限阈值，完成灌溉施肥方案的自主初设。通过模型模拟计算作物根区土壤含水率，研判是否灌溉，计算灌水量并实施灌溉；通过控制变量法，理解不同因素对灌溉过程及作物生长的影响，加强对实时节水灌溉原理的理解，实现灌溉技术方案的自主设计。

（4）通过比较法和总结归纳法，完成方案的比选和优化设计，实现对节水灌溉原理和智能节水技术综合应用。

计算各初设方案的水分生产率，比较选择最优方案，回放作物全生育期智能灌溉全过程，再次巩固节水灌溉理论和节水技术的应用。

学生进入本实验网站（网址:http://xnfzsy.ncwu.edu.cn/Agri-Irrigate)，点击虚拟仿真实验，输入用户名密码，点击登录，进入仿真实验。公测用户可填写公测账号和密码，登录进入。依次完成各实验步骤。

加载完成后，进入欢迎界面，点击确定进入实验大厅，大厅左上方设置有实验简介，步骤引导、知识提示按钮，用户可随机点击查看，了解实验的基本介绍、实验目标、实验步骤，以及实验需要的基本知识。

（一）实验认知

点击进入实验认知部分，此部分包括实验原理认知和灌溉场景认知两部分。

模块一： 绿色智能节水灌溉原理认知（包括步骤1）

步骤1 深度学习农田节水灌溉原理

点击原理认知，了解实验灌溉简介、目的、实验原理、实验预设参数。

实验原理包括节水灌溉原理和水肥运移原理。

学习节水灌溉原理，掌握非充分灌溉下作物需水量计算过程、土壤水分递推预测模型、作物灌水量计算过程、灌溉效益计算方法等；学生根据既定情景，完成灌水量计算。

学习农田水肥灌溉理论，了解水肥一体化基本原理，及作物根区硝态氮迁移转化过程；调整灌水施肥条件，比较硝态氮浓度变化过程，完成既定情景下硝态氮浓度计算。

查看实验预设参数，了解灌溉实验的必需参数，及取值范围。

模块二：农田灌溉场景认知（包括步骤2-5）

步骤2 进入实景认知，全面了解农田灌溉系统组成

点击智能灌溉系统，以漫游形式全方位浏览实验农田，全面直观了解灌溉系统组成、主要设备设施及工作原理，了解小型气象站、展示屏、控制室、输配水管道、水源井、水肥一体化设施等，点击可弹出相关设备的介绍。

步骤3 展示智能灌溉控制管理系统组成和工作流程

逐一点击查看智能节水灌溉系统各组件，包括数据采集、数据存储传输和灌溉控制中心等，深入了解智能灌溉控制系统功能、组成和工作流程。

浏览结束，弹出提示“是否开启智能灌溉？”点击是，系统自动演示，自动判断灌水量后，电磁阀门自动打开，演示自动灌溉过程。切实让学生们感受科技发展带来的便利，增强学生使命感。

步骤4 比较认知不同的灌溉方式

完成学前调查考核，并依次查看了解滴灌、喷灌、微喷灌、漫灌等不同灌水方式的灌溉过程。

步骤5 查看作物生长过程，系统了解作物各阶段生长特征

选择作物生长过程，依次点击作物各生长阶段，查看作物生长微观变化过程，包括地表茎叶、地下根部的微观变化过程，了解各生育阶段的特征。完成知识点考核测试。

（二）实验操作

模块三：案例仿真（包括步骤6-15）

步骤6 自主完成灌溉方案设计

点击灌溉方案设计，选择田块，确定灌溉模式、施肥方式，设置灌溉上下限阈值，完成农田的灌溉施肥方案设计；同样，完成其他田块方案设计。

步骤7 交互完成土地平整

选择合适农机设备，进行土地平整。

步骤8 交互完成农田智能节水灌溉系统组建

依次完成水源井、农田水肥灌溉设备、土壤墒情监测设备、气象要素观测设备、灌溉输配水设备等灌溉设施的布设，将各种灌溉设备放置在正确的位置。

步骤9 作物播种

选择作物种类，确定合理的播种日期，以及正确的播种机器，完成作物播种，开始作物生长过程模拟仿真。

步骤10 田间信息自动监测与数据传输

田间设有显示屏可了解当日实验田块土壤水分及气象要素等信息；中控室随时可查看田间土壤、气象、作物等实时监测数据；屏幕右侧实时显示土壤水分动态、降水等要素信息。学生浏览中控室和显示屏信息，观察相关要素变化过程，直观感受智能灌溉信息采集和传输过程。

步骤11 实施节水灌溉过程模拟，完成作物灌溉预报

系统开始仿真土壤水分循环、作物生长等过程，系统根据公式（1）模拟作物耗水过程，根据公式（2）、（3）模拟预报时段内作物计划湿润层含水率的变化过程；当田间土壤含水率接近灌水阈值时，系统出现预警提示，学生查看田间情况，并进入中控室根据未来天气情况，自主研判是否灌溉，依据实时监测的土壤含水率，由参考公式（4）、（5）交互完成次灌溉量的计算。

系统设有容错机制，当输入灌水量过多或过少时，系统出现提示，学生可选择重新计算或继续。点击确定，完成信息交换，控制阀门自动启动，开始水肥一体化节水灌溉。

步骤12 查看灌溉后的田间水分养分运移过程，及作物根、茎、叶生长变化过程

点击相机按钮，激活灌水、水分运移、养分运移，可查看灌溉过程及田间水分、养分运移过程；激活植物生长，查看作物根、茎、叶生长变化过程，直观感受灌水量对作物生长的影响，灌水过多或过少将导致作物生长受滞，甚至凋萎死亡。系统自动保存计算时段内水量输配、作物生长、土壤水分、灌溉水量等相关信息，并传输至控制中心。学生进入控制中心查看农田相关信息。完成中间测试考核。

步骤13 实施作物除草和杀虫

根据系统提醒，学生进行田间除草和杀虫等管理工作，可选择人工除草喷药或无人机除草喷药。

步骤14 作物收割称重

生育期结束，提示作物已经成熟，是否收割，点击确定，选择正确农机设备，完成作物收割，系统进行作物自动化打粒、烘干、称重等，并提示作物重量。

步骤15 记录各方案作物产量、灌水量及全生育期灌溉制度

学生进入中控室，查看并读取各灌溉方案对应的作物产量、灌水总量、次灌水量和灌水时间，查看各田块全生育期的土壤水分变化、作物耗水过程、水肥运移过程，控制平台可提供表格、图示等不同方式展示结果。

模块四：方案比选（包括步骤16-18）

针对学有余力的同学可以选择多种灌溉方案，完成方案设计和灌溉模拟，培养创新性思维。

步骤16 完成各灌溉方案的灌溉效益分析和方案比选

由公式（7）计算出各灌溉方案的水分生产率，分析各方案灌溉效益。

步骤17 对比各灌溉方案，选择最优方案，分析并给出合理原因

根据灌溉效益，确定各种方案优先排序，选择出最优方案，并分析其原因。

步骤18 极端降水情景实验仿真

学生可选择极端气候情景下，模拟灌溉过程、作物生长过程，直观感受破坏性实验。

步骤19 完成并提交实验测试题

步骤20 完成实验评价，提出建设性意见

回答考核主观性问题，并对虚仿实验进行评价，提出建设性建议。

步骤21 实验结束，完成并提交实验报告

学生点击确定按钮，实验结束，实验数据自动传输储存到后台，供授课教师查阅。学生可返回网页查阅系统自动生成的实验报告，以及步骤得分。

1、专业与年级要求

水文与水资源工程、农业水利工程等相关专业高年级本科生及研究生，以及水利管理、水利技术及水利基层人员等社会人员

2、基本知识和能力要求

（1）高年级本科生和研究生：需要具有水文水资源、计算机应用等相关基础知识，掌握节水灌溉、农田水利学、工程水文学等专业理论知识，修读《节水理论与技术》、《工程水文学》、《计算机与信息技术》等相关课程，具有一定的独立分析和解决复杂问题的能力。

对于高年级本科生和研究生，已开展了节水灌溉理论与技术相关专业课程，仿真实验的目的主要是提升学生对理论知识的理解和掌握，学生通过改变灌溉参数设计节水灌溉方案，直观感受不同灌溉模式和灌水技术对作物生长的影响，进一步扎实掌握相关理论知识，提升知识应用能力和创新能力。

（2）水利管理、水利技术及水利基层人员等社会人员：需具备水利灌溉的基本常识。

仿真实验可推广至水利管理、水利技术及水利基层人员的培训，推广至“绿水青山”、“乡村振兴”建设等社会科普宣传，扩大社会服务层次和受众度。