物联网虚拟仿真平台在农学专业实验教学中的应用

李强++付志文

摘 要：从农业高校的实验教学存在教学理念、课程设置和师资力量的问题出发，通过考察物联网虚拟仿真平台的功能，指出物联网虚拟仿真平台的应用是缓解以上问题的可行途径。结合广东某高校开展智能农业实验教学、智能花园实验教学、食品溯源实验教学三个案例，分析物联网虚拟仿真平台在实验教学中的具体应用；最后总结物联网虚拟仿真实验在丰富实验资源、减少时间投入和转变学习方式方面的作用。

关键词：物联网；虚拟仿真；实验教学；教育信息化

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）11-0075-03

一、农学专业实验教学中存在的问题

1.重理论轻实践

许多高校长期以来视实验教学为整个教学活动的从属部分，在农业院校也存在这种教学倾向，过于看重理论教学，轻视实验教学，教师在理论教学和绩效考核等重重压力下疲于应付实验教学，学生上实验课仅仅是为了完成学习任务，影响了学生将所学理论应用于实践的能力，不利于培养复合型人才和创新性人才。

2.实验课程分散，缺少思考和创造空间

大多数农业高校设置的实验课依附于理论课，实验项目围绕具体教学内容量身设计，与实验相关联的是分散的、缺乏联系的知识点或知识单元，实验课程结构缺乏连贯性和系统性。验证性的实验多，综合性、设计性、研究性的实验少。[1]学生面对和解决问题的过程就是验证一个个知识点或知识单元的过程，缺少思考、缺乏创造。

3.师资力量不够

一方面是实验指导教师的数量不够，实验教学中大量的操作技巧需要详细的讲解和演示，全方位的观察体会尤为重要，以班级教学制为教学组织形式的普通农业高校难以实现，更不能要求指导教师在逐步进行的实验环节中实时掌握每个学生的情况。另一方面是实验仪器设备的缺乏，有些农业类专业的实验要进行长期不断的观察和研究，仪器设备使用更为频繁。实验室大型仪器、部分精密仪器套数较少，往往要很多学生合用一台仪器做实验，在有限的时间内，部分学生根本上不了手操作。[2]

4.教学方法缺乏灵活性

许多实验教学由指导教师主导开展，整个实验过程按部就班进行，在实验之间的准备环节，指导教师包办了实验仪器的调试。实验开始首先讲解基本原理和操作步骤，再做完整的操作演示，学生按照罗列出来的实验步骤逐步逐项地操作，如此进行的实验过程可以保证顺利完成知识的传授，但缺少了尝试和试验的意义，学生实验前缺少主动探究，实验中缺乏独立的见解，更不会尝试其它的实验步骤、探索更好的实验方法，整个实验是简单的模仿行为。这种实验做得越多，学生思考问题的能力就会越差，思维长久地处于被抑制的状态，更加不愿意查阅资料解决问题，形成恶性循环。

二、物联网虚拟仿真平台与农学类教学实验的契合点

当前，云计算、大数据、物联网、移动计算等新技术逐步广泛应用，教育部《教育信息化“十三五”规划》明确提出：“ 积极利用云计算、大数据等新技术，创新资源平台、管理平台的建设、应用模式……深化信息技术与教育教学的融合发展。”[3]结合多年教学改革的实践经验，我们认为：应充分依托信息技术构建网络教学平台，以解决现行教学体制下学生人数多、教师数量少、学时受限、动手操作不够等实验教学问题。近年来异军突起的物联网虚拟仿真技术，是应用信息技术解决农业高校实验教学存在问题的可行途径。

虚拟仿真技术包括虚拟现实技术和仿真技术，是用一个虚拟系统模仿一个真实系统的技术，是融合了多媒体技术、仿真技术、虚拟现实技术与网络通信技术的综合性信息技术。是利用计算机创建一个可视化实验操作环境，通过操作虚拟实验仪器或设备进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学目的和要求。[4]

物联网是伴随着互联网、传感器等信息技术发展而逐渐成熟的科技产物。其工作原理是通过各种信息传感设备，按照约定的通信协议，将物与物、人与物之间连接起来，接入各种网络或者互联网进行信息交换，从而实现智能化识别、定位、监控和管理的一种信息网络。作为感知、传输和应用信息的技术，在农业类专业的实验课程中有充分的施展空间。物联网虚拟仿真平台，是基于物联网技术的虚拟仿真系统，是在农业生产、运输、销售过程中实现物物相连，按照物联网通信协议交换信息，在整个产供链中实现信息的采集、传输和应用，利用仿真技术和虚拟现实技术创建虚拟的实验仪器和实验环境，学生通过人机交互的界面操作虚拟的仪器设备，充当真实的实验工具，而实验能关联真实的农业场景，用以帮助学生获得身临其境的体验，从而达到与真实实验相一致的目标。

物联网虚拟仿真教学与传统的实验教学相比，具有鲜明的技术优势。主要包括多媒体技术、人机交互技术、可视化技术、仿真技术、虚拟仿真技术。多媒体技术采用形象、直观、生动的操作界面，对图形、图像、文字、音频、视频等媒体对象进行处理，可以通过动画剖析难以说明的原理，有助于原理演示和辅助操作训练。人机交互技术提供設置场景、操作仪器设备的接口，帮助教师和学生完成操作过程。可视化技术可将大量的数据或者场景以图形、图表或者动画的方式展示出来，比如揭示农田场景中各环境变量间的关系。仿真技术采用了虚拟的外壳和虚拟的环境，易于在多个计算机终端上进行教学。[5]物联网技术弥补了虚拟仿真技术的不足，使学生在观察、操作、总结等实验过程中感受真实存在的农业场景，获得亲身经历的经验，避免理想实验条件下所导致的实验结果差异，又能支持实验的在线批改、智能指导，实现线上学习。

三、农业院校开展物联网虚拟仿真实验教学的实践案例分析

1.智能农业实验教学

该实验主要结合农田场景、温室大棚场景、仓库场景，借助于智能传感器，对各种场景进行相关数据的采集、传输、查询和控制。传感器所采集的信息主要有四类。农业传感信息，如温度、湿度、压力、气体浓度、生命体特征等；农业物品属性信息，如物品名称、型号、价格等；农业工作状态信息，如仪器、设备的工作参数等；农业地理位置信息，如作物、物品所处的地理位置等。学生在该仿真系统需要设置三维场景，主要根据系统提供的接口，通过上位机程序的编制来控制智能农业的各个设备，调节场景中的环境参数，为农作物的生长发育调整最优化的环境。学生通过对智能农业的认识和对作物成长规律的熟悉，结合现实中对智能农业产供链的理解，能更好地掌握系统的核心原理，也培养了学生的实际应用和创新能力。当操作结束离开实验室，可以通过发送手机短信到相应场景的服务器，请求返回相应监控场景的信息，也可以通过浏览器访问服务器，从而远程实时查看各个监控点的相关信息。

2.智能花园实验教学

该实验是物联网技术、传感器技术、无线传感器技术、嵌入式系统设计等相关课程的综合实验，仿真平台的智能传感器采集到的数据通过ZigBee技术组建的局域网传输到服务器端，设计出智能花园实时监测系统。该实验与温室大棚花卉养种植场景相结合，采用互联网技术、移动互联网技术、云计算技术和物联网技术，由实时监测单元、智能管理单元和信息网络单元构成，学生在试验中可以完成对花园的实时监测和智能控制，监测传感器采集的温度、湿度、光照强度、土壤水分和PH值等信息，当学生离开实验室环境后，还可以远程登录服务器网站查看花园的实时监测数据，并能进行远程控制。

3.食品溯源实验教学

近些年食品安全问题受到了广泛的社会关注，食品溯源的重要性日益突出。食品生产过程环节众多，各个环节的实践地点相距很远，难以组织学生全程参与到企业及相关研究机构的食品溯源中。食品安全溯源实验针对这种情形而设计，实验模拟农产品在生产、运输、销售过程中的信息采集、传送、读取和查询，综合应用了传感器技术、嵌入式开发技术、智能终端技术、二维码技术、射频识别技术、数据库技术等。仿真平台模拟了两条企业网——生猪溯源模拟系统和蔬菜溯源模拟系统。生猪溯源模拟以猪耳标作为生猪的身份标识，模拟仿真生猪从生产、养殖、运输到销售的整个过程，学生实验后能掌握生猪溯源过程和信息采集读取的关键技术。蔬菜溯源系统模拟企业生产管理和蔬菜种植加工的流程，该仿真平台系统分为企业服务器信息模拟、蔬菜种植过程信息采集、蔬菜运输过程信息采集和蔬菜分装销售过程信息采集四个模块。实验将农产品身份编码与生产信息关联起来，在整个产供链中实现各环节的可视化表达，学生即可从农产品养种植加工、运输到零售终端信息进行正向跟踪，也可实现从食品零售终端到食品养种植相关信息的逆向溯源。实验中学生只有动手操作才能模拟食品信息采集与查询，直观掌握食品安全溯源系统的整个流程与工作原理。

四、基于物联网的虚拟仿真在实验教学中的作用分析

1.丰富实验资源

传统的实验教学耗费资源与设备，存在实验经费的制约。虚拟仿真技术的运用，使实验仪器和设备投入使用后不产生实际的实验损耗，边际成本趋近于零，是降低实验室建设和管理成本的重要途径。虚拟仿真平台是现代信息化技术与教学内容深度融合的产物，[6]物联网虚拟仿真平台介入模拟仪器设备的功能和作用，丰富了实验教学资源，实验中学生能够感受实际工作，有相当多的动手操作机会。另一方面，传统的实验教学要控制实验变量和仪器参数的复杂程度，以保证整体实验项目能够开展，而仿真系统则允许学生以较为自由的尺度改变系统参数，再通过交互式和可视化的显示，评估这些改变对系统的影响，有助于反思自己的实验过程，形成元认知。

2.节约时间投入

农业类课程的实验与教学实践基地密不可分，实践教学基地一般为涉农业企业，大多情况下分布在离城市较远的地区，学校、教师和学生常常要面对安全、经费、时间等一系列问题。一些实验需要长期不断地观察监测作物的生长和发育，奔波在学校和实践基地之间的师生疲惫不堪而效果甚微。物联网虚拟仿真平台的介入，使相关实验的实施变得更加可行，以智能农业虚拟实验为例，教师引导学生完成实验环境的创设，采取实地布置和操控传感器节点、设置实验数据回送的方式，之后采集数据、观察监测就不需要前往田间地头测量记录，而是从系统获取实时的检测结果。由此来看，物联网虚拟仿真平台一方面节省了实验经费，长期观测的实验数据更全面，研究更充分；另一方面节省教师和学生野外采集数据的时间，降低活动的危险性，也有助于解决校外研究性学习和校内课堂教学的矛盾。

3.促进学习方式转变

仿真实验能打破时间和地域的限制，无论在校内还是校外，实验支持学生通过手机、平板等移动设备访问全面开放的虚拟实验室，充分利用有限的教學资源，适应了移动互联网环境下“碎片化”的移动学习。移动学习更强调学生的自主学习行为以及学习地点的可移动性，因此自主学习和移动学习状态在该类学习中体现得更为突出一些。[7]通过移动学习进行探索和研究，学生锻炼了解决问题的能力，提升了创新能力，个性得到发展。学生在课堂教学中理解相关理论知识后，先在虚拟实验教学中认识元器件，练习仿真仪器设备的使用和操作，再进入真实的实验室环境，实验操作就更加明白自如，花费的时间更少。用虚拟的实验仪器，学生不必谨小慎微地担心实验安全和设备损耗等问题，可以大胆尝试自拟、自选实验题目，自行组织实验，系统支持自动批改，智能指导、实验报告的在线批改等，也可方便地进行实验的过程管理和实验统计，将教师的灌输转变为自主学习与课堂学习相结合的混合式学习。

五、结束语

物联网虚拟仿真实验不会取代真实的实验室实验，而是作为理论授课和真实实验之间增加的教学环节，使理论和实践教学环节更加紧密。实验教学的开展应当注意教学方式的混合，将仿真实验和真实实验两者的优点结合起来，结合具体实验合理分配课时，也要求教育者协调线上学习和线下学习关系。物联网技术和虚拟仿真技术传播和应用越来越广泛，在教育中的关注程度也将不断提升，物联网虚拟仿真平台的应用，将给实验教学带来新的面貌，为培养新型人才铺就道路。

参考文献：

[1]王红云，翟卫东.高校实验教学改革与大学生素质教育[J].运城学院学报，2006（2）：100-101.

[2]刘丽娜，刘向举.浅析高校实验室建设与实验教学存在的问题及对策[J].科技信息，2011（35）：81.

[3]中华人民共和国教育部.教育信息化“十三五”规划[DB/OL]： http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367.html.2016/12/22.

[4]潘荣斌，陈乔，刘升长，候吉华.虚拟仿真平台在中医类院校基础医学实验教学中的优势探析[J].亚太传统医药，2015（24）：150-151.

[5]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015（5）：214-219.

[6]黄坪，李红松，潘克俭，张晓.基于MOOC的医学虚拟仿真实验室建设探讨[J].实验技术与管理，2014（12）：104-106，109.

[7]梁瑞仪，李康.若干学习相关概念的解读与思考[J].中国远程教育，2009（1）：31-35.

（编辑：王天鹏）