基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗教學(xué)平臺建設(shè)

付秀偉，付 莉，趙廣磊，范浩宇，劉杰文

（1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.燕山大學(xué) 自動化學(xué)院，河北 秦皇島 066004；3.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)需培養(yǎng)學(xué)生具備水產(chǎn)動、植物養(yǎng)殖科學(xué)等方面的基本理論、基本知識和基本技能，能在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)、教育、科研和管理等部門從事科學(xué)研究、教學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)、管理等工作的高級科學(xué)技術(shù)人才。市場對水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)技術(shù)人才有大量需求，其中生產(chǎn)技術(shù)、管理、市場技術(shù)服務(wù)對人才的需求尤為突出，并且水產(chǎn)苗種繁育等技術(shù)人才需求也在增多。由于部分學(xué)生對水產(chǎn)專業(yè)認(rèn)知程度不夠深入，存在技術(shù)理論知識不扎實(shí)、專業(yè)實(shí)踐能力不足等問題，因此應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，把專業(yè)實(shí)驗和傳統(tǒng)理論教學(xué)緊密結(jié)合，增加學(xué)生有效的實(shí)驗操作次數(shù)。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺建設(shè)，利用物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗，充分了解水庫水體的溶氧、溫度、pH值、硫化物、亞硝酸鹽氮、氨氮等因素對水質(zhì)的影響，合理有效地提高實(shí)驗室設(shè)備的利用率。學(xué)生利用業(yè)余時間進(jìn)行更多的實(shí)驗操作，將課堂理論與課后實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐和思考能力。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗室的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的短板

傳統(tǒng)的水質(zhì)實(shí)驗教學(xué)多數(shù)按照教師準(zhǔn)備好的實(shí)驗流程進(jìn)行。教師先將實(shí)驗所使用的藥品和水樣調(diào)整完畢，隨后對實(shí)驗原理以及操作步驟進(jìn)行講解和演示。學(xué)生則依照教師操作演示或者說明書上的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗。這種驗證式的教學(xué)模式雖然能夠讓實(shí)驗順利完成，但是學(xué)生只是單純的模仿實(shí)驗操作，不清楚實(shí)驗?zāi)康模瑢τ趯?shí)驗課程草草了事，沒有對于實(shí)驗的思考，缺少對實(shí)驗過程的探究，在實(shí)驗中缺乏獨(dú)立的見解，實(shí)驗結(jié)束時學(xué)生實(shí)際獲得的知識甚少。久而久之，學(xué)生逐漸缺乏主動學(xué)習(xí)的興趣，不愿意多加思考，喪失了獨(dú)立思考的能力，形成了思維惰性。這種實(shí)驗教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新熱情。

1.2 學(xué)生實(shí)驗機(jī)會匱乏

由于多數(shù)院校重理論輕實(shí)踐，開設(shè)的實(shí)驗教學(xué)課程學(xué)時較短，學(xué)生無法對實(shí)驗進(jìn)行有效的創(chuàng)新和實(shí)踐，無法達(dá)到培養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)核心能力的目的。并且學(xué)校的實(shí)驗設(shè)備較少，難以滿足單獨(dú)實(shí)驗的需求，往往采取學(xué)生兩兩分組的方式進(jìn)行實(shí)驗，在有限時間的實(shí)驗教學(xué)中，無法讓全部學(xué)生進(jìn)行完整的實(shí)驗操作。而在其他時間內(nèi)，除進(jìn)入實(shí)驗室的學(xué)生可以有更多的機(jī)會進(jìn)行實(shí)驗操作外，其他同學(xué)則很少有機(jī)會上手操作，實(shí)驗設(shè)備利用率低，造成了實(shí)驗資源的浪費(fèi)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)中網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)建網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺的關(guān)鍵，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上將各種信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物。通過約定的通信協(xié)議，將各種物品接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)作為一種傳輸和感知信息的技術(shù)，在網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺的設(shè)計中發(fā)揮了極大的作用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗平臺與學(xué)生操作端的遠(yuǎn)程連接，學(xué)生通過屏幕對實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行控制，獲得實(shí)驗平臺的反饋數(shù)據(jù)，從而達(dá)到學(xué)生遠(yuǎn)程監(jiān)控并控制實(shí)驗平臺的目標(biāo)。網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺架構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺構(gòu)架模型

網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺構(gòu)架可以分成5大系統(tǒng)，即學(xué)生操作系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、實(shí)驗過程監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)驗評分系統(tǒng)、后臺管理端。

2.1 學(xué)生操作系統(tǒng)

學(xué)生登錄操作系統(tǒng)后，通過鼠標(biāo)和鍵盤對界面進(jìn)行控制，觀看錄制好的操作講解視頻，便于學(xué)生詳細(xì)了解實(shí)驗操作步驟以及實(shí)驗中的相關(guān)知識，對網(wǎng)箱中的pH值、溶氧含量、水溫、氨氮濃度、亞硝酸鹽氮濃度以及硫化物濃度等傳感器進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，了解網(wǎng)箱中水質(zhì)指標(biāo)對于水體和魚類的影響。學(xué)習(xí)實(shí)驗知識后，學(xué)生可以以第一人稱的視角對網(wǎng)箱水質(zhì)進(jìn)行觀察，同時查看網(wǎng)箱中各種傳感器傳回的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)對網(wǎng)箱實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而對水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。將網(wǎng)箱水質(zhì)環(huán)境調(diào)節(jié)到合適的范圍，對影響網(wǎng)箱水質(zhì)的因素進(jìn)行分析，通過創(chuàng)新型的自主實(shí)驗，加強(qiáng)對知識點(diǎn)的理解。

2.2 實(shí)驗室設(shè)備管理系統(tǒng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)課程包括魚類增養(yǎng)殖學(xué)、甲殼動物增養(yǎng)殖學(xué)、水產(chǎn)動物育種學(xué)、水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料和水環(huán)境化學(xué)等，每門課程都要求有一定學(xué)時的實(shí)驗，實(shí)驗課程較多，難以高效利用實(shí)驗設(shè)備。因此對實(shí)驗水箱的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編號，利用無線網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行跟蹤，了解設(shè)備使用情況，更加合理地分配給實(shí)驗學(xué)生。對實(shí)驗過程中出現(xiàn)的問題，如傳感器損壞、檢測失靈、設(shè)備增減、設(shè)備調(diào)用等及時處理，使設(shè)備始終處于正常狀態(tài)。

2.3 實(shí)驗室監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)驗室通過物聯(lián)網(wǎng)方式供學(xué)生使用，將大幅提高實(shí)驗設(shè)備的使用率，而開放式實(shí)驗室實(shí)驗設(shè)備的使用時間不固定，設(shè)備使用時長增多導(dǎo)致設(shè)備老化，設(shè)備數(shù)據(jù)采集精度不高等問題都會對實(shí)驗測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，處理不及時將影響學(xué)生的實(shí)驗學(xué)習(xí)。通過視頻監(jiān)控攝像頭全程監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗過程，實(shí)時觀察實(shí)驗室的環(huán)境狀況并及時查看實(shí)驗設(shè)備是否存在異常等，確保實(shí)驗設(shè)備安全使用，避免出現(xiàn)事故。

2.4 實(shí)驗過程評分系統(tǒng)

系統(tǒng)將學(xué)生的實(shí)驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗操作以及完成程度進(jìn)行評分，同時保存操作錄像。在部分內(nèi)容無法客觀評價時，由教師根據(jù)錄像查看其操作效果，給予分值調(diào)整，并在實(shí)驗后給出意見和建議。

2.5 后臺管理端

后臺管理端主要負(fù)責(zé)水箱設(shè)備增減和數(shù)據(jù)更新、網(wǎng)上預(yù)約，實(shí)驗內(nèi)容的修改和發(fā)布，以及使用人員的增減與刪除。為保證實(shí)驗平臺有效利用，管理端設(shè)置有實(shí)驗開放時間通知、預(yù)約管理等功能，同時還設(shè)置有“成績統(tǒng)計”功能，可有效輔助教師進(jìn)行教學(xué)評價，提升教學(xué)效果。

3 結(jié) 語

文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了網(wǎng)箱水質(zhì)監(jiān)控實(shí)驗平臺構(gòu)架模型，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了傳統(tǒng)實(shí)驗的操作模式，提高了實(shí)驗室設(shè)備的利用效率，加強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)驗中的自主創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，為培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才夯實(shí)基礎(chǔ)。