循環水養殖系統構建虛擬仿真實驗設計與開展

羅國芝 劉文暢 譚洪新

（[1]上海海洋大學上海水產養殖工程技術研究中心 上海 201306；[2]上海市水產動物良種創制與綠色養殖協同創新中心 上海 201306；[3]上海海洋大學水產科學國家級實驗教學示范中心 上海 201306）

循環水養殖為養殖對象創造最適宜的環境條件，實現高密度生產，工程化水平最高，集約化程度最強，對水環境綜合的影響最小，被認為是代表21世紀水產養殖發展方向的主導產業形式之一。[1]上海海洋大學的水產學科入選國家雙一流學科，循環水養殖系統構建虛擬仿真實驗課程獲得2020年國家一流虛擬仿真課程。本文詳細分析和闡述了課程設計思路，希望能為相關課程的建設提供參考。

1 建設目的

彌補線下教學過程中學生無法參與的短板。循環水養殖系統投資成本高，常用于生產三文魚、鰻鱺等名貴水產品。正在運行的系統中水處理功能單元基本處于“黑箱”狀態，學生很難對水處理功能單元的運行和系統的集成有直觀的感受和體驗。借助虛擬仿真技術，使學生如親臨其境般地體驗，能夠有機會看到自己設計的系統在實際生產中的可能狀態，可以低成本、便捷的為學生提供實踐的機會。

高效融合相關知識體系。循環水養殖模式建立在生物學、環境科學、機電工程、信息科學、建筑科學等多學科發展的基礎上發展起來的一種高度集約化的水產養殖模式，借助虛擬仿真技術，可以為學生立體地呈現完整的知識體系，使學生能夠進行相關知識點的體驗式和具象化學習。

實現上海海洋大學水產養殖一流學科的資源整合和共享。上海海洋大學1997年成立了國內第一個設施漁業研究所，完成的“循環水淡水魚類養殖系統關鍵技術研究與開發”獲2006年獲上海市科技一等獎，先后承擔和參與國家自然基金等多項國家級、省部級重點項目，已發表相關科研論文近150篇，授權發明專利20項，形成了一支科研、教學經驗豐富的教師隊伍，本課程利用虛擬仿真技術實現教學與學科優勢的整合，為相關高校提供共享的學習資源。

提高學生服務三農的認知和技能。“新農科”建設是目前我國高等農林教育發展的戰略決策，培養目標中要體現出立德樹人和責任擔當。本課程緊扣水產經濟發展趨勢，借助虛擬仿真手段，引導學生從全新的角度充分認識所學專業的重要性，堅定“獻身水產、服務三農”的信心和決心。

對傳統教學的延伸與拓展。本課程借助于虛擬仿真技術，引導和鼓勵學生自主學習，發揮學生創造性。課程中英文web版本不限制時間、地點使用PC進行操作實踐，是對傳統教學的高效延伸與拓展。

2 課程設計思路

養殖水體中氨氮的不同轉化途徑及相應的調控技術是決定循環水養殖系統水處理單元配置的基礎。對水處理功能單元的充分理解是進行科學的循環水養殖系統構建的必要條件。根據不同地區的地域特征、不同的養殖品種和不同的養殖負荷，進行養殖水處理功能單元的合理配置，進而構建出科學的循環水養殖系統。

3 核心內容

生物過濾技術。生物過濾技術為自養硝化細菌提供附著載體或者基質。分為兩種類型：一種是生物膜載體處于移動狀態，主動與水流接觸，比如移動床；一種是生物膜載體處于靜止狀態，比如滴濾式濾器，也可根據載體在水體中的位置進行分類，流化床和移動床的載體完全浸沒在水體里，可以被歸為浸沒式。[2]

水培植物（蔬菜）。利用水培蔬菜凈化養殖用水，既可以達到污染零排放，也能獲得額外的經濟效益，是非常生態的一種水處理方式。水培植物通常需要較大的占地面積和更多的水頭損失，如果需要加溫，就會需要消耗更多的能耗。在處理含鹽水體時，需要選擇相應的能夠耐鹽的植物。

生物絮團技術原理和應用。在適宜的C/N條件下水體中的氨氮被異養細菌同化成細菌蛋白中的氮，在一定的混合條件下細菌互相附著形成生物絮團。生物絮團可被濾食性養殖對象食用；絮團上附著的細菌可以直接同化氨氮，起到生物過濾器的作用。

固液分離技術和裝備。常用的去除養殖水體中懸浮顆粒物的方法包括重力沉降、介質過濾、氣浮。介質過濾包括篩網和顆粒介質。氣浮方法機理可參考泡沫分離原理。重力沉降基于顆粒物沉降速率的平衡原理。固體顆粒物在水體中停留的時間越長就會碎裂成更小顆粒，并降解產生氨氮等溶解性物質，這樣就更加難以從系統中去除，所以固液分離裝置應放于水泵前，以避免被水泵打碎。

充氧技術和裝備。溶解氧濃度是循環水養殖系統的最重要的水質指標，直接決定著養殖密度和產量。使用羅茨鼓風機等直接曝氣可滿足40 kg/m3以下的養殖密度的需求。當養殖密度高于40 kg/m3、或者大規格苗種培育時，需要使用純氧以保證水體中有足夠的溶解氧。常用高壓氧氣錐或低水頭制氧機提高純氧與水的混合效率，水體中的溶解氧飽和度可以達到200-300%。

二氧化碳去除技術和應用。直接向水體中充分曝氣可以有效驅除養殖水體中的二氧化碳等氣體，無須再設置剝離裝置。使用羅茨鼓風機供氧的養殖系統，通常不需要設置單獨的二氧化碳去除裝置。

泡沫分離技術原理和應用。泡沫分離是指利用氣泡在封閉接觸容器中上浮過程中吸附和去除水體中溶解和機物和顆粒有機物的一種方法。在去除溶解有機物的同時還能去除微小固體懸浮顆粒物質，尤其適用于污染物濃度較低的情況。

臭氧和紫外消毒原理和應用。臭氧具有較強的氧化能力，被廣泛用作消毒劑和水質改良劑。臭氧必須現做，產生的臭氧可在氧氣錐中與水進行充分混合。即使低劑量的臭氧也可能殺死養殖動物，應注意剩余臭氧的處理。紫外線消毒管理簡單，殺菌速度快，無任何毒副作用；缺點是經過消毒的水無持續殺菌能力，紫外輻射穿透力差。有密閉式和開放式兩種紫外消毒裝置，密閉式常用于封閉的管路系統，檢修比較麻煩，通常不使用。開放式紫外消毒裝置常用于開放的通道系統。

循環水養殖系統尾排水的資源化和減量化技術。固液分離裝置和生物過濾裝置（反沖洗）會排放高濃度固體廢棄物、硝酸鹽或磷酸鹽的尾排水。[3]可以利用重力沉降過程在外置的沉淀池中完成污泥濃縮，也可添加明礬、氯化鐵等絮凝劑進行絮凝沉淀濃縮。

系統設計主要決定因素。基本的循環水養殖生產系統含主路和旁路兩種水流工藝，主路包括固液分離、生物過濾、充氧等環節，旁路包括純氧和消毒等環節。根據具體生產計劃進行相應的水處理單元的增減，主要決定因素為養殖負荷和養殖種類。

基于密度。養殖負荷的高低直接決定了系統的日投餌量，從而決定了每天需要處理的氨氮、殘餌和糞便的數量，最終決定了養殖水處理單元的配置。30 kg/m3的羅非魚養殖系統和80 kg/m3的養殖系統在供氧方式的選擇方面有明顯不同，前者可選擇羅茨鼓風機空氣供氧，后者則必須使用純氧。

基于養殖種類。相同的養殖負荷、不同的養殖對象，系統配置也可能不同。比如30 kg/m3的羅非魚不需要泡沫分離，因羅非魚能夠忍受水體中較高濃度的懸浮顆粒物，但30 kg/m3的大西洋鮭就可能需要泡沫分離裝置。

4 教學方法

場景再現。力求生動再現循環水養殖系統中的生產場景，用實物和實景構成課程的各個單元和環節，使學生在虛擬的教學環境中體驗到真實的現場實境，身臨其境，強化學生的參與感。

虛實結合。按照“能實不虛，以虛補實”的要求對循環水養殖系統的主要技術環節和典型養殖模式過程，通過虛實結合的形式，給學生創造身臨其境的感覺，增強學生的學習積極性和好奇心。

探究式操作為主。關鍵知識點和重要步驟通過彈窗形式進行提示，學生可根據自己的實際情況選擇相應的工藝，如果學生選擇錯誤，則自動給出正確答案和相應的解釋。學生可反復探究，零成本糾錯，直到完全掌握知識點。

實時反饋。對探究式操作的每項選擇及每個測試題，均及時進行反饋，使學生能實時了解選擇的對錯，自我評估知識掌握情況；教師根據學生學習效果、實習報告完成情況等對學生進行考核評價。設置彈幕功能使學生可留言。

5 實驗主要模塊和過程

管理模塊。此模塊主要管理實驗教學過程，包含添加實驗資料、考核習題、布置實驗、查看報告、批改報告、成績導出等功能。

預習模塊。預習模塊涵蓋養殖水體氨氮控制等重要知識點，在正式實驗開始前，學生可先進行預習，掌握了水產養殖與水環境之間的基本關系，經過一個簡單的測試，可以進入正式的實驗模塊。學生也可以選擇不預習直接進行學習前的測試，過關則可以直接進入正式的實驗模塊。

操作模塊。學生按照系統提示和知識掌握情況完成系統各單元的設計。此模塊是本實驗課程的重點，配有文字、圖片和動態展示等對各環節、實驗步驟講解相關軟件操作方式及注意事項。

測試模塊。測試模塊分布在各個環節之后，便于學生了解自己的學習情況，教師了解學生的測試情況后可及時給出指導。

考核模塊。所有操作環節完成后，學生可選擇設計一套循環水養殖系統，若有遺忘可以使用求助按鈕繼續操作。

6 實驗效果

明顯提高了實驗教學目標達成度。學生可多次操作，每次操作結果都能即時立體呈現，極大程度地提高了學習主動性、分析問題與解決問題的能力，提高了線下教學目標達成度。

有效解決了教學過程中的難題。本課程可具象化、場景化地給學生提供直觀的感受和體驗，且能多次利用，即時更新，有效解決了傳統實驗教學過程中的滯后、間接、與實際情況疏離等難題。

顯著降低了實驗教學成本。本課程中實驗耗材幾乎零成本，即使是錯誤的選擇，也不會增加任何成本，實現零成本試錯，極大地培養了學生的創新積極性。

優化了教學管理體系。虛擬實驗平臺讓師生的學術交流可以隨時隨地的進行，增強互動性，實現實驗教學管理體系更好地為師生服務。

極大促進了科教融合。傳統實驗向虛擬實驗的改革過程中，實驗教師的業務水平得到了很大的提高，促進教學質量的提高，同時利用虛擬實驗平臺為自己的科研項目提供良好的試驗條件，提升了科研能力。

7 總結和展望

隨著我國對養殖污水排放限制的加強，環境倒逼行業發展，循環水養殖正成為我國水產養殖產業的增長點。本課程是國內外第一個專注于培養循環水養殖方面的專業人才的課程，利用我校水產學一流學科的建設機遇，持續地將前沿成果反哺教學，實現科教融合。后續將不斷完善面向社會的開放度，為我國水產養殖提質增效、轉型升級提供支撐。