高校智慧實(shí)驗(yàn)教室平臺(tái)建設(shè)初探

江 勇，白 皓，王志秀，常國(guó)斌，陳國(guó)宏

（揚(yáng)州大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

我國(guó)是畜牧業(yè)大國(guó)，畜產(chǎn)品產(chǎn)量居于世界首位。我國(guó)畜牧業(yè)從業(yè)人員數(shù)量龐大，這其中包括高校培養(yǎng)的高學(xué)歷專業(yè)技術(shù)人員，他們是推動(dòng)我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展及養(yǎng)殖技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵人才。各高校十分重視對(duì)畜牧專業(yè)學(xué)生理論與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。然而，受新冠肺炎疫情的影響，各高校雖然開展了線上教學(xué)［1］，如期完成了教學(xué)計(jì)劃，但教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)卻未能如期完成。同時(shí)，我國(guó)“非洲豬瘟”疫情頻發(fā)，促使各個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)加強(qiáng)了防疫管理，嚴(yán)格把控外來人員，因此使畜牧專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)無法正常開展。事實(shí)上，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)作為學(xué)生學(xué)習(xí)生產(chǎn)實(shí)踐知識(shí)的重要途徑，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，這對(duì)提高畜牧專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能具有重要的意義。因此，如何解決畜牧專業(yè)學(xué)生對(duì)專業(yè)技能的需求與實(shí)際操作間產(chǎn)生的矛盾，是相關(guān)高校需要思考的問題。而發(fā)展遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)技術(shù)，可以為解決這一難題提供有效的手段。

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是信息技術(shù)和5G技術(shù)的發(fā)展，為遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。5G技術(shù)發(fā)展至今，移動(dòng)寬帶增強(qiáng)、超低時(shí)延通信、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，都為遠(yuǎn)程高清畫面的實(shí)時(shí)傳輸提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，在目前“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，智慧教室的應(yīng)用不斷普及，在中小學(xué)、高職等教育中起到了非常重要的作用，也得到了學(xué)生的認(rèn)可［2-4］。揚(yáng)州大學(xué)已經(jīng)建設(shè)了智慧教室，并在教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，效果良好。因此，動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在學(xué)校的支持下，建設(shè)用于畜牧專業(yè)學(xué)生教學(xué)實(shí)踐的智慧實(shí)驗(yàn)教室，以期達(dá)到完成教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的目標(biāo)。

一、智慧實(shí)驗(yàn)教室構(gòu)建的目標(biāo)及功能

智慧實(shí)驗(yàn)教室在先前智慧教室的基礎(chǔ)上，采用5G傳輸技術(shù)將養(yǎng)殖端的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)傳回教室端，任課教師根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)教學(xué)，學(xué)生分組討論。因此，智慧實(shí)驗(yàn)教室除了具有智慧教室的功能外，還應(yīng)具有養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄的功能。智慧實(shí)驗(yàn)教室具備以下功能。

（一）智慧教室的功能

我院的智慧教室安裝了智慧黑板、8個(gè)分屏顯示器及擴(kuò)音設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)智慧教室的所有功能，包括課前管理、課上管理、課后管理等。

1.課前管理。系統(tǒng)支持教師在任何移動(dòng)設(shè)備上通過網(wǎng)頁或微信上傳課件、分享課程資源（材料），以及布置任務(wù)、作業(yè)。系統(tǒng)支持個(gè)人任務(wù)和小組任務(wù)派發(fā)，學(xué)生針對(duì)任務(wù)進(jìn)行線下或線上討論，形成的報(bào)告可以以附件的形式從移動(dòng)設(shè)備上傳到系統(tǒng)，教師可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的任務(wù)完成進(jìn)度，并加以指導(dǎo)，學(xué)生也可以在線上向教師咨詢問題。此外，系統(tǒng)支持隨機(jī)分組、指定分組及隨機(jī)分組后微調(diào)，讓分組更為可控和科學(xué)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生的出勤情況，并生成報(bào)表，供教師參考。院校領(lǐng)導(dǎo)可以實(shí)時(shí)查看每一個(gè)課程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在線上向教師提出課程的整改意見。

2.課上管理。智慧教室安裝了高性能麥克風(fēng)，允許教師在教室的任何地方講課，更利于與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。課堂提問可以讓系統(tǒng)隨機(jī)選組或選人，且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄被提問人，最后生成報(bào)表供教師參考，以此提高學(xué)生的課堂參與度，讓課堂更有實(shí)效。智慧黑板會(huì)自動(dòng)以文本的形式記錄教師的板書內(nèi)容，課后分享給學(xué)生。學(xué)生通過移動(dòng)設(shè)備（如電腦、平板、手機(jī)）連接到屏幕上，并通過多屏互動(dòng)的功能顯示所有小組的屏幕。小組討論時(shí)，可以使用討論墻將各個(gè)小組的討論內(nèi)容顯示在屏幕上，便于教師實(shí)時(shí)了解學(xué)生的討論內(nèi)容，使教師在課堂上有針對(duì)性地組織討論，提高討論的效果。

3.課后管理。在課后管理方面，系統(tǒng)可以通過自動(dòng)記錄的學(xué)生上課表現(xiàn)（如上課出勤、課堂互動(dòng)、討論參與度、作業(yè)完成情況等），生成報(bào)表，幫助管理者了解應(yīng)用開展的落地情況及效果，促進(jìn)應(yīng)用更好地落地。多維度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，助力教學(xué)與管理建設(shè)。此外，系統(tǒng)通過攝像頭記錄教師的上課情況，保存于系統(tǒng)中，學(xué)生可以在課后通過移動(dòng)設(shè)備點(diǎn)擊播放，進(jìn)行回顧和復(fù)習(xí)。

（二）對(duì)智慧養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)管功能

1.實(shí)時(shí)監(jiān)控。在現(xiàn)代化的智慧養(yǎng)殖場(chǎng)安裝高清攝像頭和環(huán)境監(jiān)測(cè)探頭（溫濕度傳感器、負(fù)壓傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器等），實(shí)時(shí)檢測(cè)畜禽舍中的環(huán)境因子含量。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G傳輸技術(shù)，將畜禽養(yǎng)殖棚舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、棚舍內(nèi)外的風(fēng)力、負(fù)壓等）及養(yǎng)殖畫面?zhèn)鬏數(shù)皆贫?，學(xué)生可以在智慧教室通過智慧黑板遠(yuǎn)程查看畜禽舍的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，掌握棚舍養(yǎng)殖的生產(chǎn)環(huán)境變化情況等。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行討論，形成研究性成果。該功能不僅可以實(shí)現(xiàn)研究性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科研的興趣，還可以讓學(xué)生了解畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境變化情況及控制技術(shù)。

2.互聯(lián)互通。通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和5G傳輸技術(shù)將養(yǎng)殖場(chǎng)與教室端高度結(jié)合，使人與物、物與物互聯(lián)，形成信息化和智能化的網(wǎng)絡(luò)。通過信息技術(shù)，將養(yǎng)殖場(chǎng)管理軟件嵌入智慧教室管控一體化平臺(tái)系統(tǒng)中。根據(jù)教學(xué)需要，將養(yǎng)殖場(chǎng)的畫面調(diào)入教室端的智慧屏幕，供學(xué)生討論學(xué)習(xí)。實(shí)行“雙師制”，一位指導(dǎo)教師在養(yǎng)殖場(chǎng)端，通過AR眼鏡觀察畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)，通過5G傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇淌叶?，學(xué)生在教室以第一視角觀察養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)；另一位指導(dǎo)教師和學(xué)生一起在教室端，與養(yǎng)殖場(chǎng)端的教師溝通，共同解答學(xué)生的問題。當(dāng)發(fā)現(xiàn)特殊情況時(shí)，用AR固定畫面，展開討論，找到解決問題的方法。通過AR技術(shù)讓學(xué)生在教室以第一視角觀察畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)，并與現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)教師討論問題，達(dá)到實(shí)踐教育的效果。

二、教學(xué)實(shí)踐的仿真模擬

仿真模擬即外形仿真、操作仿真、視覺感受仿真，利用VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)），通過實(shí)際操作，使參與者身臨其境地體會(huì)這項(xiàng)技術(shù)。目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如模擬駕駛等。此外，仿真模擬也被廣泛應(yīng)用于眾多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如化學(xué)［5］、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)［6］、工科實(shí)驗(yàn)［7］、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［8］、醫(yī)學(xué)［9］、機(jī)械［10］、工程［11］、細(xì)胞生理［12］等。智慧實(shí)驗(yàn)教室通過仿真模擬現(xiàn)代化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的真實(shí)情況，模擬畜禽舍的光照、通風(fēng)、溫濕度、二氧化碳等環(huán)境因子的變化，讓學(xué)生根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境因子的變化情況，在虛擬仿真中模擬畜禽飼養(yǎng)管理；讓學(xué)生在虛擬仿真畜禽舍中，學(xué)習(xí)現(xiàn)代化智能畜禽養(yǎng)殖管理技術(shù)，以達(dá)到教學(xué)實(shí)踐的目的。通過仿真模擬教學(xué)實(shí)踐，可在虛擬仿真中實(shí)踐課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。在畜牧專業(yè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，仿真模擬與畜牧專業(yè)教學(xué)實(shí)踐的結(jié)合是一次重大的創(chuàng)新改革，形成了基于仿真虛擬的進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)模式。仿真模擬教學(xué)實(shí)踐具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（一）避免了實(shí)習(xí)場(chǎng)所的空間限制

傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐必須讓學(xué)生進(jìn)入養(yǎng)殖場(chǎng)，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，近幾年受新冠肺炎疫情和動(dòng)物疫情的影響，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)更是困難重重，已經(jīng)嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。而虛擬仿真實(shí)踐的建設(shè)完全可以突破這種限制，讓學(xué)生不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制參與實(shí)踐。虛擬仿真畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)為學(xué)生提供了一個(gè)開放式的教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程進(jìn)行智能化畜禽飼養(yǎng)模擬管理，打破了時(shí)空的局限性，提高了學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力［13］。

（二）虛擬仿真系統(tǒng)具有良好的交互模式

利用計(jì)算機(jī)3D技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)三維虛擬畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)仿真的體驗(yàn)和通暢的人機(jī)交互，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。通過人機(jī)交互設(shè)備將畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)景直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)相關(guān)知識(shí)的理解。通過三維成像技術(shù)建立畜禽養(yǎng)殖過程，學(xué)生通過仿真模擬動(dòng)手反復(fù)操作，可以快速掌握畜禽養(yǎng)殖環(huán)節(jié)及其管理要點(diǎn)。在實(shí)踐過程中，仿真系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生的操作過程，給出客觀的評(píng)分，并及時(shí)反饋學(xué)生在操作過程中的失誤，給出針對(duì)性的訓(xùn)練，幫助學(xué)生提高實(shí)踐技能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)踐和考核的量化和標(biāo)準(zhǔn)化［14］。

（三）安全性

傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，都是安排學(xué)生去畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，學(xué)生的人身安全難以得到保障，而三維仿真模擬技術(shù)可將畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，在教室端即可實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)習(xí)的目的。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于畜牧專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)中，可以避免傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)習(xí)中的諸多不安全因素，如在畜禽場(chǎng)中極易發(fā)生牛（特別是種公牛）攻擊人的狀況、人畜共患病（如布氏桿菌、高致病性禽流感和鼠疫）的感染等。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，可多次反復(fù)操作而不會(huì)給學(xué)生造成任何傷害，無須擔(dān)心在實(shí)踐過程中出現(xiàn)安全事故。

（四）改變教學(xué)手段

傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐必須將畜牧專業(yè)學(xué)生安排到養(yǎng)殖場(chǎng)才能進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，而虛擬仿真模擬系統(tǒng)通過5G技術(shù)將養(yǎng)殖場(chǎng)搬到教室，讓學(xué)生在教室中即可實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)踐，并通過虛擬仿真技術(shù)模擬養(yǎng)殖場(chǎng)的飼養(yǎng)管理，這種人機(jī)互動(dòng)的形式可以實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，從而提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

結(jié)語

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使得智慧教室在各個(gè)教學(xué)階段得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。5G技術(shù)的發(fā)展使高清畫面的實(shí)時(shí)傳播成為可能，是智慧實(shí)驗(yàn)教室建設(shè)的基礎(chǔ)。開展虛擬仿真實(shí)踐可以較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力［8］。在智慧實(shí)踐課堂上，教師在智慧教室中講授養(yǎng)殖端的智能化養(yǎng)殖設(shè)備、飼養(yǎng)管理方式及各種環(huán)境因子等，學(xué)生在智慧教室中觀察、討論、研究智慧系統(tǒng)記錄的養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，并總結(jié)規(guī)律，再運(yùn)用這些規(guī)律在仿真模擬系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的仿真管理。通過智慧教室將畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的畫面生動(dòng)、形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生更加容易地理解理論知識(shí)，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)實(shí)踐的效果。在新冠肺炎疫情反復(fù)的形勢(shì)下，智慧實(shí)驗(yàn)教室平臺(tái)的建設(shè)完全可以滿足畜牧專業(yè)教學(xué)實(shí)踐的需要，實(shí)現(xiàn)和養(yǎng)殖場(chǎng)教學(xué)實(shí)踐相同的教學(xué)目標(biāo)。