循环水养殖系统构建虚拟仿真实验设计与开展

罗国芝 刘文畅 谭洪新

（[1]上海海洋大学上海水产养殖工程技术研究中心 上海 201306；[2]上海市水产动物良种创制与绿色养殖协同创新中心 上海 201306；[3]上海海洋大学水产科学国家级实验教学示范中心 上海 201306）

循环水养殖为养殖对象创造最适宜的环境条件，实现高密度生产，工程化水平最高，集约化程度最强，对水环境综合的影响最小，被认为是代表21世纪水产养殖发展方向的主导产业形式之一。[1]上海海洋大学的水产学科入选国家双一流学科，循环水养殖系统构建虚拟仿真实验课程获得2020年国家一流虚拟仿真课程。本文详细分析和阐述了课程设计思路，希望能为相关课程的建设提供参考。

1 建设目的

弥补线下教学过程中学生无法参与的短板。循环水养殖系统投资成本高，常用于生产三文鱼、鳗鲡等名贵水产品。正在运行的系统中水处理功能单元基本处于“黑箱”状态，学生很难对水处理功能单元的运行和系统的集成有直观的感受和体验。借助虚拟仿真技术，使学生如亲临其境般地体验，能够有机会看到自己设计的系统在实际生产中的可能状态，可以低成本、便捷的为学生提供实践的机会。

高效融合相关知识体系。循环水养殖模式建立在生物学、环境科学、机电工程、信息科学、建筑科学等多学科发展的基础上发展起来的一种高度集约化的水产养殖模式，借助虚拟仿真技术，可以为学生立体地呈现完整的知识体系，使学生能够进行相关知识点的体验式和具象化学习。

实现上海海洋大学水产养殖一流学科的资源整合和共享。上海海洋大学1997年成立了国内第一个设施渔业研究所，完成的“循环水淡水鱼类养殖系统关键技术研究与开发”获2006年获上海市科技一等奖，先后承担和参与国家自然基金等多项国家级、省部级重点项目，已发表相关科研论文近150篇，授权发明专利20项，形成了一支科研、教学经验丰富的教师队伍，本课程利用虚拟仿真技术实现教学与学科优势的整合，为相关高校提供共享的学习资源。

提高学生服务三农的认知和技能。“新农科”建设是目前我国高等农林教育发展的战略决策，培养目标中要体现出立德树人和责任担当。本课程紧扣水产经济发展趋势，借助虚拟仿真手段，引导学生从全新的角度充分认识所学专业的重要性，坚定“献身水产、服务三农”的信心和决心。

对传统教学的延伸与拓展。本课程借助于虚拟仿真技术，引导和鼓励学生自主学习，发挥学生创造性。课程中英文web版本不限制时间、地点使用PC进行操作实践，是对传统教学的高效延伸与拓展。

2 课程设计思路

养殖水体中氨氮的不同转化途径及相应的调控技术是决定循环水养殖系统水处理单元配置的基础。对水处理功能单元的充分理解是进行科学的循环水养殖系统构建的必要条件。根据不同地区的地域特征、不同的养殖品种和不同的养殖负荷，进行养殖水处理功能单元的合理配置，进而构建出科学的循环水养殖系统。

3 核心内容

生物过滤技术。生物过滤技术为自养硝化细菌提供附着载体或者基质。分为两种类型：一种是生物膜载体处于移动状态，主动与水流接触，比如移动床；一种是生物膜载体处于静止状态，比如滴滤式滤器，也可根据载体在水体中的位置进行分类，流化床和移动床的载体完全浸没在水体里，可以被归为浸没式。[2]

水培植物（蔬菜）。利用水培蔬菜净化养殖用水，既可以达到污染零排放，也能获得额外的经济效益，是非常生态的一种水处理方式。水培植物通常需要较大的占地面积和更多的水头损失，如果需要加温，就会需要消耗更多的能耗。在处理含盐水体时，需要选择相应的能够耐盐的植物。

生物絮团技术原理和应用。在适宜的C/N条件下水体中的氨氮被异养细菌同化成细菌蛋白中的氮，在一定的混合条件下细菌互相附着形成生物絮团。生物絮团可被滤食性养殖对象食用；絮团上附着的细菌可以直接同化氨氮，起到生物过滤器的作用。

固液分离技术和装备。常用的去除养殖水体中悬浮颗粒物的方法包括重力沉降、介质过滤、气浮。介质过滤包括筛网和颗粒介质。气浮方法机理可参考泡沫分离原理。重力沉降基于颗粒物沉降速率的平衡原理。固体颗粒物在水体中停留的时间越长就会碎裂成更小颗粒，并降解产生氨氮等溶解性物质，这样就更加难以从系统中去除，所以固液分离装置应放于水泵前，以避免被水泵打碎。

充氧技术和装备。溶解氧浓度是循环水养殖系统的最重要的水质指标，直接决定着养殖密度和产量。使用罗茨鼓风机等直接曝气可满足40 kg/m3以下的养殖密度的需求。当养殖密度高于40 kg/m3、或者大规格苗种培育时，需要使用纯氧以保证水体中有足够的溶解氧。常用高压氧气锥或低水头制氧机提高纯氧与水的混合效率，水体中的溶解氧饱和度可以达到200-300%。

二氧化碳去除技术和应用。直接向水体中充分曝气可以有效驱除养殖水体中的二氧化碳等气体，无须再设置剥离装置。使用罗茨鼓风机供氧的养殖系统，通常不需要设置单独的二氧化碳去除装置。

泡沫分离技术原理和应用。泡沫分离是指利用气泡在封闭接触容器中上浮过程中吸附和去除水体中溶解和机物和颗粒有机物的一种方法。在去除溶解有机物的同时还能去除微小固体悬浮颗粒物质，尤其适用于污染物浓度较低的情况。

臭氧和紫外消毒原理和应用。臭氧具有较强的氧化能力，被广泛用作消毒剂和水质改良剂。臭氧必须现做，产生的臭氧可在氧气锥中与水进行充分混合。即使低剂量的臭氧也可能杀死养殖动物，应注意剩余臭氧的处理。紫外线消毒管理简单，杀菌速度快，无任何毒副作用；缺点是经过消毒的水无持续杀菌能力，紫外辐射穿透力差。有密闭式和开放式两种紫外消毒装置，密闭式常用于封闭的管路系统，检修比较麻烦，通常不使用。开放式紫外消毒装置常用于开放的通道系统。

循环水养殖系统尾排水的资源化和减量化技术。固液分离装置和生物过滤装置（反冲洗）会排放高浓度固体废弃物、硝酸盐或磷酸盐的尾排水。[3]可以利用重力沉降过程在外置的沉淀池中完成污泥浓缩，也可添加明矾、氯化铁等絮凝剂进行絮凝沉淀浓缩。

系统设计主要决定因素。基本的循环水养殖生产系统含主路和旁路两种水流工艺，主路包括固液分离、生物过滤、充氧等环节，旁路包括纯氧和消毒等环节。根据具体生产计划进行相应的水处理单元的增减，主要决定因素为养殖负荷和养殖种类。

基于密度。养殖负荷的高低直接决定了系统的日投饵量，从而决定了每天需要处理的氨氮、残饵和粪便的数量，最终决定了养殖水处理单元的配置。30 kg/m3的罗非鱼养殖系统和80 kg/m3的养殖系统在供氧方式的选择方面有明显不同，前者可选择罗茨鼓风机空气供氧，后者则必须使用纯氧。

基于养殖种类。相同的养殖负荷、不同的养殖对象，系统配置也可能不同。比如30 kg/m3的罗非鱼不需要泡沫分离，因罗非鱼能够忍受水体中较高浓度的悬浮颗粒物，但30 kg/m3的大西洋鲑就可能需要泡沫分离装置。

4 教学方法

场景再现。力求生动再现循环水养殖系统中的生产场景，用实物和实景构成课程的各个单元和环节，使学生在虚拟的教学环境中体验到真实的现场实境，身临其境，强化学生的参与感。

虚实结合。按照“能实不虚，以虚补实”的要求对循环水养殖系统的主要技术环节和典型养殖模式过程，通过虚实结合的形式，给学生创造身临其境的感觉，增强学生的学习积极性和好奇心。

探究式操作为主。关键知识点和重要步骤通过弹窗形式进行提示，学生可根据自己的实际情况选择相应的工艺，如果学生选择错误，则自动给出正确答案和相应的解释。学生可反复探究，零成本纠错，直到完全掌握知识点。

实时反馈。对探究式操作的每项选择及每个测试题，均及时进行反馈，使学生能实时了解选择的对错，自我评估知识掌握情况；教师根据学生学习效果、实习报告完成情况等对学生进行考核评价。设置弹幕功能使学生可留言。

5 实验主要模块和过程

管理模块。此模块主要管理实验教学过程，包含添加实验资料、考核习题、布置实验、查看报告、批改报告、成绩导出等功能。

预习模块。预习模块涵盖养殖水体氨氮控制等重要知识点，在正式实验开始前，学生可先进行预习，掌握了水产养殖与水环境之间的基本关系，经过一个简单的测试，可以进入正式的实验模块。学生也可以选择不预习直接进行学习前的测试，过关则可以直接进入正式的实验模块。

操作模块。学生按照系统提示和知识掌握情况完成系统各单元的设计。此模块是本实验课程的重点，配有文字、图片和动态展示等对各环节、实验步骤讲解相关软件操作方式及注意事项。

测试模块。测试模块分布在各个环节之后，便于学生了解自己的学习情况，教师了解学生的测试情况后可及时给出指导。

考核模块。所有操作环节完成后，学生可选择设计一套循环水养殖系统，若有遗忘可以使用求助按钮继续操作。

6 实验效果

明显提高了实验教学目标达成度。学生可多次操作，每次操作结果都能即时立体呈现，极大程度地提高了学习主动性、分析问题与解决问题的能力，提高了线下教学目标达成度。

有效解决了教学过程中的难题。本课程可具象化、场景化地给学生提供直观的感受和体验，且能多次利用，即时更新，有效解决了传统实验教学过程中的滞后、间接、与实际情况疏离等难题。

显著降低了实验教学成本。本课程中实验耗材几乎零成本，即使是错误的选择，也不会增加任何成本，实现零成本试错，极大地培养了学生的创新积极性。

优化了教学管理体系。虚拟实验平台让师生的学术交流可以随时随地的进行，增强互动性，实现实验教学管理体系更好地为师生服务。

极大促进了科教融合。传统实验向虚拟实验的改革过程中，实验教师的业务水平得到了很大的提高，促进教学质量的提高，同时利用虚拟实验平台为自己的科研项目提供良好的试验条件，提升了科研能力。

7 总结和展望

随着我国对养殖污水排放限制的加强，环境倒逼行业发展，循环水养殖正成为我国水产养殖产业的增长点。本课程是国内外第一个专注于培养循环水养殖方面的专业人才的课程，利用我校水产学一流学科的建设机遇，持续地将前沿成果反哺教学，实现科教融合。后续将不断完善面向社会的开放度，为我国水产养殖提质增效、转型升级提供支撑。