高校智慧實驗教室平臺建設初探

江 勇，白 皓，王志秀，常國斌，陳國宏

（揚州大學 動物科學與技術學院，江蘇 揚州 225009）

我國是畜牧業大國，畜產品產量居于世界首位。我國畜牧業從業人員數量龐大，這其中包括高校培養的高學歷專業技術人員，他們是推動我國畜牧業發展及養殖技術進步的關鍵人才。各高校十分重視對畜牧專業學生理論與實踐能力的培養。然而，受新冠肺炎疫情的影響，各高校雖然開展了線上教學［1］，如期完成了教學計劃，但教學實踐環節卻未能如期完成。同時，我國“非洲豬瘟”疫情頻發，促使各個養殖場加強了防疫管理，嚴格把控外來人員，因此使畜牧專業學生的教學實踐環節無法正常開展。事實上，教學實踐環節作為學生學習生產實踐知識的重要途徑，能夠將理論知識應用于實踐，這對提高畜牧專業學生的專業技能具有重要的意義。因此，如何解決畜牧專業學生對專業技能的需求與實際操作間產生的矛盾，是相關高校需要思考的問題。而發展遠程實踐教學技術，可以為解決這一難題提供有效的手段。

隨著我國科學技術的發展，特別是信息技術和5G技術的發展，為遠程實踐教學的實現提供了可能。5G技術發展至今，移動寬帶增強、超低時延通信、大規模物聯網的應用，都為遠程高清畫面的實時傳輸提供了技術支撐。同時，在目前“互聯網+”的背景下，智慧教室的應用不斷普及，在中小學、高職等教育中起到了非常重要的作用，也得到了學生的認可［2-4］。揚州大學已經建設了智慧教室，并在教學中得到廣泛應用，效果良好。因此，動物科學與技術學院在學校的支持下，建設用于畜牧專業學生教學實踐的智慧實驗教室，以期達到完成教學實踐環節的目標。

一、智慧實驗教室構建的目標及功能

智慧實驗教室在先前智慧教室的基礎上，采用5G傳輸技術將養殖端的現場實時傳回教室端，任課教師根據養殖現場的情況進行實時教學，學生分組討論。因此，智慧實驗教室除了具有智慧教室的功能外，還應具有養殖場實時監控和記錄的功能。智慧實驗教室具備以下功能。

（一）智慧教室的功能

我院的智慧教室安裝了智慧黑板、8個分屏顯示器及擴音設備，可以實現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。系統支持教師在任何移動設備上通過網頁或微信上傳課件、分享課程資源（材料），以及布置任務、作業。系統支持個人任務和小組任務派發，學生針對任務進行線下或線上討論，形成的報告可以以附件的形式從移動設備上傳到系統，教師可以實時查看學生的任務完成進度，并加以指導，學生也可以在線上向教師咨詢問題。此外，系統支持隨機分組、指定分組及隨機分組后微調，讓分組更為可控和科學。系統會自動記錄學生的出勤情況，并生成報表，供教師參考。院校領導可以實時查看每一個課程的統計數據，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，允許教師在教室的任何地方講課，更利于與學生進行互動。課堂提問可以讓系統隨機選組或選人，且系統會自動記錄被提問人，最后生成報表供教師參考，以此提高學生的課堂參與度，讓課堂更有實效。智慧黑板會自動以文本的形式記錄教師的板書內容，課后分享給學生。學生通過移動設備（如電腦、平板、手機）連接到屏幕上，并通過多屏互動的功能顯示所有小組的屏幕。小組討論時，可以使用討論墻將各個小組的討論內容顯示在屏幕上，便于教師實時了解學生的討論內容，使教師在課堂上有針對性地組織討論，提高討論的效果。

3.課后管理。在課后管理方面，系統可以通過自動記錄的學生上課表現（如上課出勤、課堂互動、討論參與度、作業完成情況等），生成報表，幫助管理者了解應用開展的落地情況及效果，促進應用更好地落地。多維度進行數據采集，助力教學與管理建設。此外，系統通過攝像頭記錄教師的上課情況，保存于系統中，學生可以在課后通過移動設備點擊播放，進行回顧和復習。

（二）對智慧養殖場的監管功能

1.實時監控。在現代化的智慧養殖場安裝高清攝像頭和環境監測探頭（溫濕度傳感器、負壓傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器等），實時檢測畜禽舍中的環境因子含量。基于物聯網技術和5G傳輸技術，將畜禽養殖棚舍內的環境參數（如溫度、濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、棚舍內外的風力、負壓等）及養殖畫面傳輸到云端，學生可以在智慧教室通過智慧黑板遠程查看畜禽舍的實時環境數據，掌握棚舍養殖的生產環境變化情況等。在教師的指導下，學生對這些環境參數進行討論，形成研究性成果。該功能不僅可以實現研究性教學，培養學生對科研的興趣，還可以讓學生了解畜禽養殖場的環境變化情況及控制技術。

2.互聯互通。通過互聯網、物聯網和5G傳輸技術將養殖場與教室端高度結合，使人與物、物與物互聯，形成信息化和智能化的網絡。通過信息技術，將養殖場管理軟件嵌入智慧教室管控一體化平臺系統中。根據教學需要，將養殖場的畫面調入教室端的智慧屏幕，供學生討論學習。實行“雙師制”，一位指導教師在養殖場端，通過AR眼鏡觀察畜禽養殖現場，通過5G傳輸技術實時傳輸到教室端，學生在教室以第一視角觀察養殖現場；另一位指導教師和學生一起在教室端，與養殖場端的教師溝通，共同解答學生的問題。當發現特殊情況時，用AR固定畫面，展開討論，找到解決問題的方法。通過AR技術讓學生在教室以第一視角觀察畜禽養殖現場，并與現場指導教師討論問題，達到實踐教育的效果。

二、教學實踐的仿真模擬

仿真模擬即外形仿真、操作仿真、視覺感受仿真，利用VR技術（虛擬現實技術），通過實際操作，使參與者身臨其境地體會這項技術。目前該技術已經成功應用于多個領域，如模擬駕駛等。此外，仿真模擬也被廣泛應用于眾多專業的實驗教學中，如化學［5］、運動生理學［6］、工科實驗［7］、大學物理實驗［8］、醫學［9］、機械［10］、工程［11］、細胞生理［12］等。智慧實驗教室通過仿真模擬現代化畜禽養殖場的真實情況，模擬畜禽舍的光照、通風、溫濕度、二氧化碳等環境因子的變化，讓學生根據檢測到的環境因子的變化情況，在虛擬仿真中模擬畜禽飼養管理；讓學生在虛擬仿真畜禽舍中，學習現代化智能畜禽養殖管理技術，以達到教學實踐的目的。通過仿真模擬教學實踐，可在虛擬仿真中實踐課堂上學到的理論知識，真正做到理論與實踐相結合。在畜牧專業教學實踐環節，仿真模擬與畜牧專業教學實踐的結合是一次重大的創新改革，形成了基于仿真虛擬的進階式實踐教學模式。仿真模擬教學實踐具有以下優點。

（一）避免了實習場所的空間限制

傳統的教學實踐必須讓學生進入養殖場，存在很大的安全風險。同時，近幾年受新冠肺炎疫情和動物疫情的影響，教學實踐環節更是困難重重，已經嚴重影響了教學質量。而虛擬仿真實踐的建設完全可以突破這種限制，讓學生不受時間、地點的限制參與實踐。虛擬仿真畜禽養殖場為學生提供了一個開放式的教學平臺，學生可以在任何時間、任何地點遠程進行智能化畜禽飼養模擬管理，打破了時空的局限性，提高了學生的獨立思考能力和創新能力［13］。

（二）虛擬仿真系統具有良好的交互模式

利用計算機3D技術創建一個三維虛擬畜禽養殖場景，實現仿真的體驗和通暢的人機交互，從而調動學生的學習積極性和主動性。通過人機交互設備將畜禽養殖場景直觀地呈現給學生，加深學生對專業相關知識的理解。通過三維成像技術建立畜禽養殖過程，學生通過仿真模擬動手反復操作，可以快速掌握畜禽養殖環節及其管理要點。在實踐過程中，仿真系統會自動記錄學生的操作過程，給出客觀的評分，并及時反饋學生在操作過程中的失誤，給出針對性的訓練，幫助學生提高實踐技能，實現教學、實踐和考核的量化和標準化［14］。

（三）安全性

傳統的教學實踐環節，都是安排學生去畜禽養殖場，學生的人身安全難以得到保障，而三維仿真模擬技術可將畜禽養殖場呈現在學生面前，在教室端即可實現教學實習的目的。虛擬仿真技術應用于畜牧專業教學實習中，可以避免傳統教學實習中的諸多不安全因素，如在畜禽場中極易發生牛（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。在虛擬仿真實驗室中，可多次反復操作而不會給學生造成任何傷害，無須擔心在實踐過程中出現安全事故。

（四）改變教學手段

傳統的教學實踐必須將畜牧專業學生安排到養殖場才能進行教學實踐，而虛擬仿真模擬系統通過5G技術將養殖場搬到教室，讓學生在教室中即可實現教學實踐，并通過虛擬仿真技術模擬養殖場的飼養管理，這種人機互動的形式可以實現啟發式的實驗教學，提高學生的積極性和主動性，從而提高實踐教學的效果。

結語

現代信息技術的發展使得智慧教室在各個教學階段得到廣泛應用，并取得了較好的效果。5G技術的發展使高清畫面的實時傳播成為可能，是智慧實驗教室建設的基礎。開展虛擬仿真實踐可以較好地激發學生的學習興趣，提高學生發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養了學生的創新能力［8］。在智慧實踐課堂上，教師在智慧教室中講授養殖端的智能化養殖設備、飼養管理方式及各種環境因子等，學生在智慧教室中觀察、討論、研究智慧系統記錄的養殖場的環境參數，并總結規律，再運用這些規律在仿真模擬系統中實現對養殖場的仿真管理。通過智慧教室將畜禽養殖場的畫面生動、形象地呈現在學生面前，讓學生更加容易地理解理論知識，進而達到教學實踐的效果。在新冠肺炎疫情反復的形勢下，智慧實驗教室平臺的建設完全可以滿足畜牧專業教學實踐的需要，實現和養殖場教學實踐相同的教學目標。