物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺在農(nóng)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李強++付志文

摘 要：從農(nóng)業(yè)高校的實驗教學(xué)存在教學(xué)理念、課程設(shè)置和師資力量的問題出發(fā)，通過考察物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺的功能，指出物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺的應(yīng)用是緩解以上問題的可行途徑。結(jié)合廣東某高校開展智能農(nóng)業(yè)實驗教學(xué)、智能花園實驗教學(xué)、食品溯源實驗教學(xué)三個案例，分析物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺在實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用；最后總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗在豐富實驗資源、減少時間投入和轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式方面的作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；虛擬仿真；實驗教學(xué)；教育信息化

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）11-0075-03

一、農(nóng)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中存在的問題

1.重理論輕實踐

許多高校長期以來視實驗教學(xué)為整個教學(xué)活動的從屬部分，在農(nóng)業(yè)院校也存在這種教學(xué)傾向，過于看重理論教學(xué)，輕視實驗教學(xué)，教師在理論教學(xué)和績效考核等重重壓力下疲于應(yīng)付實驗教學(xué)，學(xué)生上實驗課僅僅是為了完成學(xué)習(xí)任務(wù)，影響了學(xué)生將所學(xué)理論應(yīng)用于實踐的能力，不利于培養(yǎng)復(fù)合型人才和創(chuàng)新性人才。

2.實驗課程分散，缺少思考和創(chuàng)造空間

大多數(shù)農(nóng)業(yè)高校設(shè)置的實驗課依附于理論課，實驗項目圍繞具體教學(xué)內(nèi)容量身設(shè)計，與實驗相關(guān)聯(lián)的是分散的、缺乏聯(lián)系的知識點或知識單元，實驗課程結(jié)構(gòu)缺乏連貫性和系統(tǒng)性。驗證性的實驗多，綜合性、設(shè)計性、研究性的實驗少。[1]學(xué)生面對和解決問題的過程就是驗證一個個知識點或知識單元的過程，缺少思考、缺乏創(chuàng)造。

3.師資力量不夠

一方面是實驗指導(dǎo)教師的數(shù)量不夠，實驗教學(xué)中大量的操作技巧需要詳細(xì)的講解和演示，全方位的觀察體會尤為重要，以班級教學(xué)制為教學(xué)組織形式的普通農(nóng)業(yè)高校難以實現(xiàn)，更不能要求指導(dǎo)教師在逐步進行的實驗環(huán)節(jié)中實時掌握每個學(xué)生的情況。另一方面是實驗儀器設(shè)備的缺乏，有些農(nóng)業(yè)類專業(yè)的實驗要進行長期不斷的觀察和研究，儀器設(shè)備使用更為頻繁。實驗室大型儀器、部分精密儀器套數(shù)較少，往往要很多學(xué)生合用一臺儀器做實驗，在有限的時間內(nèi)，部分學(xué)生根本上不了手操作。[2]

4.教學(xué)方法缺乏靈活性

許多實驗教學(xué)由指導(dǎo)教師主導(dǎo)開展，整個實驗過程按部就班進行，在實驗之間的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師包辦了實驗儀器的調(diào)試。實驗開始首先講解基本原理和操作步驟，再做完整的操作演示，學(xué)生按照羅列出來的實驗步驟逐步逐項地操作，如此進行的實驗過程可以保證順利完成知識的傳授，但缺少了嘗試和試驗的意義，學(xué)生實驗前缺少主動探究，實驗中缺乏獨立的見解，更不會嘗試其它的實驗步驟、探索更好的實驗方法，整個實驗是簡單的模仿行為。這種實驗做得越多，學(xué)生思考問題的能力就會越差，思維長久地處于被抑制的狀態(tài)，更加不愿意查閱資料解決問題，形成惡性循環(huán)。

二、物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺與農(nóng)學(xué)類教學(xué)實驗的契合點

當(dāng)前，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動計算等新技術(shù)逐步廣泛應(yīng)用，教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確提出：“ 積極利用云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，創(chuàng)新資源平臺、管理平臺的建設(shè)、應(yīng)用模式……深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合發(fā)展?！盵3]結(jié)合多年教學(xué)改革的實踐經(jīng)驗，我們認(rèn)為：應(yīng)充分依托信息技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，以解決現(xiàn)行教學(xué)體制下學(xué)生人數(shù)多、教師數(shù)量少、學(xué)時受限、動手操作不夠等實驗教學(xué)問題。近年來異軍突起的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)，是應(yīng)用信息技術(shù)解決農(nóng)業(yè)高校實驗教學(xué)存在問題的可行途徑。

虛擬仿真技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)，是用一個虛擬系統(tǒng)模仿一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，是融合了多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的綜合性信息技術(shù)。是利用計算機創(chuàng)建一個可視化實驗操作環(huán)境，通過操作虛擬實驗儀器或設(shè)備進行各種實驗，達到與真實實驗相一致的教學(xué)目的和要求。[4]

物聯(lián)網(wǎng)是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等信息技術(shù)發(fā)展而逐漸成熟的科技產(chǎn)物。其工作原理是通過各種信息傳感設(shè)備，按照約定的通信協(xié)議，將物與物、人與物之間連接起來，接入各種網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換，從而實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)。作為感知、傳輸和應(yīng)用信息的技術(shù)，在農(nóng)業(yè)類專業(yè)的實驗課程中有充分的施展空間。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺，是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)，是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、運輸、銷售過程中實現(xiàn)物物相連，按照物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議交換信息，在整個產(chǎn)供鏈中實現(xiàn)信息的采集、傳輸和應(yīng)用，利用仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬的實驗儀器和實驗環(huán)境，學(xué)生通過人機交互的界面操作虛擬的儀器設(shè)備，充當(dāng)真實的實驗工具，而實驗?zāi)荜P(guān)聯(lián)真實的農(nóng)業(yè)場景，用以幫助學(xué)生獲得身臨其境的體驗，從而達到與真實實驗相一致的目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比，具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢。主要包括多媒體技術(shù)、人機交互技術(shù)、可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)。多媒體技術(shù)采用形象、直觀、生動的操作界面，對圖形、圖像、文字、音頻、視頻等媒體對象進行處理，可以通過動畫剖析難以說明的原理，有助于原理演示和輔助操作訓(xùn)練。人機交互技術(shù)提供設(shè)置場景、操作儀器設(shè)備的接口，幫助教師和學(xué)生完成操作過程?？梢暬夹g(shù)可將大量的數(shù)據(jù)或者場景以圖形、圖表或者動畫的方式展示出來，比如揭示農(nóng)田場景中各環(huán)境變量間的關(guān)系。仿真技術(shù)采用了虛擬的外殼和虛擬的環(huán)境，易于在多個計算機終端上進行教學(xué)。[5]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)彌補了虛擬仿真技術(shù)的不足，使學(xué)生在觀察、操作、總結(jié)等實驗過程中感受真實存在的農(nóng)業(yè)場景，獲得親身經(jīng)歷的經(jīng)驗，避免理想實驗條件下所導(dǎo)致的實驗結(jié)果差異，又能支持實驗的在線批改、智能指導(dǎo)，實現(xiàn)線上學(xué)習(xí)。

三、農(nóng)業(yè)院校開展物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐案例分析

1.智能農(nóng)業(yè)實驗教學(xué)

該實驗主要結(jié)合農(nóng)田場景、溫室大棚場景、倉庫場景，借助于智能傳感器，對各種場景進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、查詢和控制。傳感器所采集的信息主要有四類。農(nóng)業(yè)傳感信息，如溫度、濕度、壓力、氣體濃度、生命體特征等；農(nóng)業(yè)物品屬性信息，如物品名稱、型號、價格等；農(nóng)業(yè)工作狀態(tài)信息，如儀器、設(shè)備的工作參數(shù)等；農(nóng)業(yè)地理位置信息，如作物、物品所處的地理位置等。學(xué)生在該仿真系統(tǒng)需要設(shè)置三維場景，主要根據(jù)系統(tǒng)提供的接口，通過上位機程序的編制來控制智能農(nóng)業(yè)的各個設(shè)備，調(diào)節(jié)場景中的環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)作物的生長發(fā)育調(diào)整最優(yōu)化的環(huán)境。學(xué)生通過對智能農(nóng)業(yè)的認(rèn)識和對作物成長規(guī)律的熟悉，結(jié)合現(xiàn)實中對智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)供鏈的理解，能更好地掌握系統(tǒng)的核心原理，也培養(yǎng)了學(xué)生的實際應(yīng)用和創(chuàng)新能力。當(dāng)操作結(jié)束離開實驗室，可以通過發(fā)送手機短信到相應(yīng)場景的服務(wù)器，請求返回相應(yīng)監(jiān)控場景的信息，也可以通過瀏覽器訪問服務(wù)器，從而遠(yuǎn)程實時查看各個監(jiān)控點的相關(guān)信息。

2.智能花園實驗教學(xué)

該實驗是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)課程的綜合實驗，仿真平臺的智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)組建的局域網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器端，設(shè)計出智能花園實時監(jiān)測系統(tǒng)。該實驗與溫室大棚花卉養(yǎng)種植場景相結(jié)合，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由實時監(jiān)測單元、智能管理單元和信息網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，學(xué)生在試驗中可以完成對花園的實時監(jiān)測和智能控制，監(jiān)測傳感器采集的溫度、濕度、光照強度、土壤水分和PH值等信息，當(dāng)學(xué)生離開實驗室環(huán)境后，還可以遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器網(wǎng)站查看花園的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能進行遠(yuǎn)程控制。

3.食品溯源實驗教學(xué)

近些年食品安全問題受到了廣泛的社會關(guān)注，食品溯源的重要性日益突出。食品生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)眾多，各個環(huán)節(jié)的實踐地點相距很遠(yuǎn)，難以組織學(xué)生全程參與到企業(yè)及相關(guān)研究機構(gòu)的食品溯源中。食品安全溯源實驗針對這種情形而設(shè)計，實驗?zāi)M農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸、銷售過程中的信息采集、傳送、讀取和查詢，綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)、智能終端技術(shù)、二維碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。仿真平臺模擬了兩條企業(yè)網(wǎng)——生豬溯源模擬系統(tǒng)和蔬菜溯源模擬系統(tǒng)。生豬溯源模擬以豬耳標(biāo)作為生豬的身份標(biāo)識，模擬仿真生豬從生產(chǎn)、養(yǎng)殖、運輸?shù)戒N售的整個過程，學(xué)生實驗后能掌握生豬溯源過程和信息采集讀取的關(guān)鍵技術(shù)。蔬菜溯源系統(tǒng)模擬企業(yè)生產(chǎn)管理和蔬菜種植加工的流程，該仿真平臺系統(tǒng)分為企業(yè)服務(wù)器信息模擬、蔬菜種植過程信息采集、蔬菜運輸過程信息采集和蔬菜分裝銷售過程信息采集四個模塊。實驗將農(nóng)產(chǎn)品身份編碼與生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)起來，在整個產(chǎn)供鏈中實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的可視化表達，學(xué)生即可從農(nóng)產(chǎn)品養(yǎng)種植加工、運輸?shù)搅闶劢K端信息進行正向跟蹤，也可實現(xiàn)從食品零售終端到食品養(yǎng)種植相關(guān)信息的逆向溯源。實驗中學(xué)生只有動手操作才能模擬食品信息采集與查詢，直觀掌握食品安全溯源系統(tǒng)的整個流程與工作原理。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真在實驗教學(xué)中的作用分析

1.豐富實驗資源

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)耗費資源與設(shè)備，存在實驗經(jīng)費的制約。虛擬仿真技術(shù)的運用，使實驗儀器和設(shè)備投入使用后不產(chǎn)生實際的實驗損耗，邊際成本趨近于零，是降低實驗室建設(shè)和管理成本的重要途徑。虛擬仿真平臺是現(xiàn)代信息化技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容深度融合的產(chǎn)物，[6]物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺介入模擬儀器設(shè)備的功能和作用，豐富了實驗教學(xué)資源，實驗中學(xué)生能夠感受實際工作，有相當(dāng)多的動手操作機會。另一方面，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)要控制實驗變量和儀器參數(shù)的復(fù)雜程度，以保證整體實驗項目能夠開展，而仿真系統(tǒng)則允許學(xué)生以較為自由的尺度改變系統(tǒng)參數(shù)，再通過交互式和可視化的顯示，評估這些改變對系統(tǒng)的影響，有助于反思自己的實驗過程，形成元認(rèn)知。

2.節(jié)約時間投入

農(nóng)業(yè)類課程的實驗與教學(xué)實踐基地密不可分，實踐教學(xué)基地一般為涉農(nóng)業(yè)企業(yè)，大多情況下分布在離城市較遠(yuǎn)的地區(qū)，學(xué)校、教師和學(xué)生常常要面對安全、經(jīng)費、時間等一系列問題。一些實驗需要長期不斷地觀察監(jiān)測作物的生長和發(fā)育，奔波在學(xué)校和實踐基地之間的師生疲憊不堪而效果甚微。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺的介入，使相關(guān)實驗的實施變得更加可行，以智能農(nóng)業(yè)虛擬實驗為例，教師引導(dǎo)學(xué)生完成實驗環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，采取實地布置和操控傳感器節(jié)點、設(shè)置實驗數(shù)據(jù)回送的方式，之后采集數(shù)據(jù)、觀察監(jiān)測就不需要前往田間地頭測量記錄，而是從系統(tǒng)獲取實時的檢測結(jié)果。由此來看，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺一方面節(jié)省了實驗經(jīng)費，長期觀測的實驗數(shù)據(jù)更全面，研究更充分；另一方面節(jié)省教師和學(xué)生野外采集數(shù)據(jù)的時間，降低活動的危險性，也有助于解決校外研究性學(xué)習(xí)和校內(nèi)課堂教學(xué)的矛盾。

3.促進學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變

仿真實驗?zāi)艽蚱茣r間和地域的限制，無論在校內(nèi)還是校外，實驗支持學(xué)生通過手機、平板等移動設(shè)備訪問全面開放的虛擬實驗室，充分利用有限的教學(xué)資源，適應(yīng)了移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下“碎片化”的移動學(xué)習(xí)。移動學(xué)習(xí)更強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)行為以及學(xué)習(xí)地點的可移動性，因此自主學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)狀態(tài)在該類學(xué)習(xí)中體現(xiàn)得更為突出一些。[7]通過移動學(xué)習(xí)進行探索和研究，學(xué)生鍛煉了解決問題的能力，提升了創(chuàng)新能力，個性得到發(fā)展。學(xué)生在課堂教學(xué)中理解相關(guān)理論知識后，先在虛擬實驗教學(xué)中認(rèn)識元器件，練習(xí)仿真儀器設(shè)備的使用和操作，再進入真實的實驗室環(huán)境，實驗操作就更加明白自如，花費的時間更少。用虛擬的實驗儀器，學(xué)生不必謹(jǐn)小慎微地?fù)?dān)心實驗安全和設(shè)備損耗等問題，可以大膽嘗試自擬、自選實驗題目，自行組織實驗，系統(tǒng)支持自動批改，智能指導(dǎo)、實驗報告的在線批改等，也可方便地進行實驗的過程管理和實驗統(tǒng)計，將教師的灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)。

五、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗不會取代真實的實驗室實驗，而是作為理論授課和真實實驗之間增加的教學(xué)環(huán)節(jié)，使理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊密。實驗教學(xué)的開展應(yīng)當(dāng)注意教學(xué)方式的混合，將仿真實驗和真實實驗兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，結(jié)合具體實驗合理分配課時，也要求教育者協(xié)調(diào)線上學(xué)習(xí)和線下學(xué)習(xí)關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)傳播和應(yīng)用越來越廣泛，在教育中的關(guān)注程度也將不斷提升，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺的應(yīng)用，將給實驗教學(xué)帶來新的面貌，為培養(yǎng)新型人才鋪就道路。

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（編輯：王天鵬）