项目背景
南京信息工程大学是国家“双一流”建设高校，是江苏高水平大学建设重 点支持高校。大气科学在教育部一级学科评估中蝉联全国第一、获评 A+等级。 气象学为国家重点学科，地球科学、环境科学与生态学、工程学、计算机科学 4 个学科跻身 ESI 学科排名全球前 1%。2013 年“大气科学与环境气象实验教 学中心”和“大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心”获批为国家级示范 中心；2016 年“地球科学虚拟仿真实验教学共享平台”获批为江苏省唯一的地学类省级共享平台。多年来，学校在“虚实融合”的实践教学理念指导下， 坚持对实验教学平台、课程体系等方面积极进行教学改革和探索，并取得了丰 硕成果，为此 2017 年本教学团队荣获“江苏省教学成果奖（高等教育类）”二 等奖。
本实验主要内容为土壤水分入渗，是农学、土壤学、生态气象学、水文学 中非常重要的基本概念，定量描述水分（降雨或灌溉）进入土壤过程是水循环 及水利用的重要基础内容，对研究水土保持机理、增加土壤入渗、提高作物水 分利用效率具有重要的理论意义，同时对于干旱半干旱地区生态环境建设具有 关键的实践价值。
干旱半干旱地区因为特殊的地理位置和气候类型，水资源量自然分布量 少，其中主要的水资源以土壤水的形式存在，植被覆盖率低，生态环境极其脆 弱。土壤水分作为大气水、地表水、地下水联系的纽带,对植被的生长有显著 影响，一直是制约区域生态环境建设的关键因子，而大部分干旱区缺少浅层地 下水，使得干旱半干旱地区稀少的降雨成为土壤水重要的补给来源。由此可见，土壤入渗实验作为《土壤学》实验教学的主要内容，还涉及到植物学、生态气 象学、水文气象学、大气物理学和人工影响天气等多门专业课程。本实验项目 以学生自主解决实际问题为出发点，在“虚实融合”的实践教学理念指导下， 围绕降水-植被-入渗过程，设计了 2 课时实体实验和 4 课时虚拟仿真实验。其 中虚仿实验让学生通过自主探究完成半干旱区降水入渗过程学习，加深了其对 干旱半干旱区水资源形成、转换、消耗、循环过程的理性认识，极大提高学生 设计创新能力和生态环境保护意识。
实验目的
随着退耕还林还草措施的大力实施，干旱半干旱地区植被减水减沙效益和 改善土壤侵蚀环境效应的研究一直是目前生态环境保护等学科领域共同关注 的热点问题。半干旱区自然和人工降雨对土壤入渗影响的虚拟仿真实验以黄土 高原半干旱区作为研究区域，以实际观测和数值模拟数据为基础，学生通过虚 拟实验操作，完成坡面径流试验区设计、人工催化降水作业和土壤入渗结果对 比 3 个模块内容，使学生从基础认知、理论应用到综合分析能力得到全面提升， 以达到以下教学目的：
（1）加深学生对半干旱区降水入渗机制的深入理解。包括掌握土壤水分 入渗原理和监测方法，以及影响土壤入渗的因子；掌握人工影响天气的科学基 础和探测手段；
（2）培养学生解决实际问题的能力。通过对比分析、参数控制等实验方法探究如何选择适宜的植被覆盖度以增加降水入渗，减少径流的方法和措施， 提高学生自主学习效率和设计创新能力；
（3）加强学生生态文明教育，提高生态保护意识。通过归纳分析加深学 生对半干旱区不同降水过程（自然降水和人工催化降水）对不同被覆坡面土壤 入渗过程影响的定量认识，让学生从生态环境理论角度提升生态保护意识。
在干旱半干旱地区，水资源短缺，植被生长与恢复受到水分条件制约，使得水土保持效果很难达到理想状态。如何选择适宜的植被（类型和覆盖度）以增加降水入渗，减少径流，即降低水分的无效损耗，是合理有效利用土壤水分的关键。为此，本虚拟仿真实验围绕黄土高原半干旱区降水入渗过程，设计了3个主要虚拟仿真实验模块：包括：坡面径流试验区设计，人工催化降水作业和土壤入渗结果对比，其中包含12个关键步骤和8个关键知识点，实验原理及整体结构图见图1。
图1.实验原理及整体结构图
实验依托教材：
1.《土壤学》，中国农业出版社，黄昌勇、徐建明主编，2011，第三版
2.《自然地理学》(第四版)，高等教育出版社，伍光和,2008
3.《土壤学》（上、下册），农业出版社,朱祖祥主编,1983
4.《农业气象学》，高等教育出版社，崔学明，2006.
5.《生态气象学导论》,气象出版社, 王连喜,2010.
6.《大气物理学》,北京大学出版社, 盛裴轩,2013.
三个模块的实验原理如下：
（一）坡面径流试验区设计，在半干旱生态环境中，通过课前认知和地理环境信息分析、包括地形地貌，土壤类型、物理性状、植被类型、植被盖度等，选择具有区域代表性的坡面构建径流试验标准区，主要任务掌握坡面土壤水分测量方法和垂直变化特征。
关键知识点：土壤入渗原理、坡面径流试验方法、土壤水分监测方法。
（二）人工催化降水作业，以分档雨滴数值模式为基础，模拟自然降水和不同催化方案的人工降水，通过人工降水和自然降水的统计效果检验，获得不同上升气流环境中的最优人工催化方案，并完成降水期间，坡面径流数据采集和处理。
关键知识点：人工催化降水的科学基础、人工催化作业探测仪器原理。
（三）土壤入渗结果对比，在模块1坡面径流试验区的基础上，构建多个植被盖度不同的坡面径流试验标准区，对比分析自然降水和人工降水（不同雨强）对不同被覆坡面土壤入渗过程的影响，以测试植被作用下坡面产流产沙的降雨临界效应，为半干旱区植被恢复建设提供理论参考。
关键知识点：土壤入渗影响因子、土壤入渗研究方法、土壤入渗模型。
知识点：8个
1.土壤入渗原理
2.土壤入渗模型
3.土壤入渗研究方法
4.土壤入渗影响因子
5.土壤水分监测方法
6.坡面径流试验方法
7.人工催化降水的科学基础
8.人工催化降水探测仪器原理