农业物联网课程教学改革与探索

2020-06-24杨森冯全高晓阳王关平

物联网技术 2020年6期

杨森冯全高晓阳王关平

摘要：农业物联网具有很强的应用性，在当前物联网人才急需的形势下，需要对课程的教学模式进行改革和探索。在抽象的理论技术教学环节中融入案例式教学方法，着眼于提高学生解决实际问题和工程应用能力;在整个教学过程的部分内容采用慕课和翻转课堂2种新的教学模式，构建出一种以学生为中心的教学模式;在成绩考核中采用期末考试和过程性考核结合的多元化考核方式，侧重于激发学生平时学习的积极性。

关键词：农业物联网;案例式教学;慕课;翻转课堂;过程性考核;教学改革

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-0-03

0 引言

在党中央与国务院发布的《国家创新驱动发展战略纲要》中，明确将物联网相关技术以及智能设备的研究、物联网产业的集成创新性发展作为国家创新战略的主要任务之一，该技术的发展也为我国的经济转型升级提供理论基础[1-2]。我国是农业大国，智能农业的发展是推动我国经济快速发展的重要途径，而农业是物联网技术的重要应用领域之一，也是物联网技术应用最迫切、难度最大、集成性特征最明显的领域。农业物联网技术是传感器技术、通信技术、计算机技术以及电子科学技術高度发展与融合的产物，需对大田种植、设施农业、水产养殖和农产品加工等领域实现农业资源、环境信息、病害信息以及植物生长状态要素数字化设计、智能化控制，并通过借助云计算平台对感知信息动态分析和科学调控，以达到对农业各要素的全面感知、可靠处理以及智慧处理，进而达到信息世界与物理世界的高度融合[3]。随着信息技术的发展，传统农业正逐渐向智慧农业过渡，高校应注重培养物联网技术与农业领域专业知识高度融合的复合型人才，而课程教学改革是提高学生理论知识和应用能力的一条重要途径。物联网技术所涉及的专业领域覆盖面广，农业院校的学生对于专业知识的掌握相对比较薄弱，因此在教学实践中渗透物联网基本结构，感知层和网络层涉及的关键技术，最终达到学生依据应用农业场景选择感知技术来设计物联网应用系统的能力。目前高校对该课程的教学模式仍然以教师讲授为主导，重点对物联网基本原理及技术的讲解，而物联网应侧重于实际工程的应用，仅依靠理论教学难以满足教学需求。此外，农业院校的电气类学生物联网工程相关基础课开设较少，在教学模式、教学方法上应区别于计算机专业或物联网专业的教学。结合农业院校的专业特色，提出一种融合农业工程领域的教学改革方案。

1 农业物联网在教学中存在的问题

1.1 农业物联网课程特点

农业物联网是农业院校电子信息与电气类专业所设置的核心课程，旨在解决智能农业问题，课程具有典型交叉学科的特点，综合性较强，要求学习者具备大量计算机和通信技术专业知识。教学内容可分为感知层技术、网络层技术以及应用层技术3层主体结构。对于感知层主要涉及信息的智能感知和控制，重点学习RFID自动识别技术、条形码技术、物理和化学传感器以及无线传感器网络技术;网络层将感知设备与执行设备接入物联网，并将感知数据传输到应用层，主要有互联网中的广域网及ZigBee技术、蓝牙技术、无线局域网及移动通信网等无线通信技术;应用层在云计算平台的支持下完成对海量数据的存储与智能化处理，主要应用到深度学习、数据挖掘和智能决策技术[4]。课程中涉及的网络协议、数据结构等理论知识都是抽象概念，知识间特征不同，学生容易混淆所学内容。利用物联网解决实际问题的过程中，提供设计者选择的关键技术类型不唯一，各类的技术基本原理和适用范围不同，选择合理的技术方案对初学者相对比较困难。此外，农业环境是一个巨型的复杂系统，农业试验存在周期长、随机性强和数据多维的特点，学生无法在教学期间完成精确农业集成系统的开发。目前在教学方面，该课程仍然以传统的课堂教学为主线，教师侧重讲解的是关键技术的原理性知识，授课方式单一。在教学的学时分配上，限于教学课时，实验教学学时占总学时的25%，并且缺少课程设计环节，存在教学与实践的脱离，无法真正实现学生创新思维和应用能力的培养。

1.2 教学手段单一，难以激发学生学习兴趣

目前课程教学主要以理论讲授为主，同学们在上课阶段接受的是抽象的理论知识，对于课程中设计的基本概念大多是死记硬背，缺乏利用物联网技术灵活解决实际问题的能力。该课程部分概念和相关技术理论比较抽象，课堂气氛不活跃，学生上课积极性不高，且参与度较低，难以保证高效率的课堂教学质量。此外，依据2017—2019学年为期3年的学生期末考试成绩来看，学生对基本概念掌握较好，但对于综合设计题绝大数同学完成效果较差，表征学生利用物联网技术解决农业领域实际问题和分析问题能力较弱，培养的物联网人才无法与工程认证接轨，无法促进学生创新能力的提高。为提高教学效果，在课程中融入信息化技术，探索出多元化教学组织形式，形成以学生为中心的教学模式。

1.3 考核方式单一

课程主要采用平时成绩、实验成绩和期末考试的考核方式，期末占60%，实验成绩占20%，平时成绩占20%。目前，平时成绩主要通过考勤和课后作业评判，存在学生只是进入课堂，而无法真正融入课堂教学的现象，成绩的区分度较小;实验环节的成绩主要通过实验报告撰写进行评定，无法体现学生的动手能力和团队协作能力;期末考试成绩比重较大，检验的多为书本中的内容，学生大多数考前临时突击都能顺利通过考试。这种单一的考核方法无法调动学生学习的积极性，无论是线上还是线下学生参与度都不高，对所学的知识停留在概念及理论层面的认知，难以对知识实现综合应用。

2 理论教学的改革

2.1 案例教学法在教学中的应用

农业物联网中典型技术在实际工程领域具有较强的应用性，RFID自动识别技术、无线传感器网络技术、位置感知技术和计算机网络技术，在3D试衣镜、自动泊车系统、高速ETC都有广泛应用，利用案例分析对应的技术问题能够激发学生学习兴趣，培养学生解决实际工程问题的能力。设计的应用案例需要贯穿整个理论教学过程，加强学生对知识点的链接，选取案例应该贴近实际工程和生活，且与课堂教学理论内容完全匹配，实现工程任务与理论技术的高度融合。该课程涉及的理论技术较多，课堂中针对单一知识点的讲授无法提高学生的综合设计能力。在讲授关键技术中应用案例—任务驱动教学模式，教师和学生在教与学的互动过程中共同完成物联网实际应用示例的设计，通过案例的实现引领学生了解物联网的技术原理、基本结构和设计思路[5]。在感知技术RFID中，通过门禁系统、货物跟踪和身份识别，让学生理解该技术的基本原理、编码标准和使用范围。对于无线传感器网络，以智能尘埃项目和防火预警系统为切入点，让学生掌握网络数据采集过程和动态拓扑结构。网络层到应用层采用的通信技术种类繁多，标准化程度高、产业化能力强，农业学校电气类学生通信知识比较薄弱，这一部分知识的学习对初学者相对困难，通过引入智能物流系统和叫车管理系统整合网络理论知识，明确不同通信技术的应用对象。在教学过程最后阶段给出一道综合设计题，学生结合理论技术、生活认知与体验，独立设计一个蔬菜大棚滴管智能控制应用系统，重点考察学生思考问题的深度。

2.2 慕课和翻转课堂在教学中的应用

慕课系统教学[6]是一种精细化的教学模式，在通信学、计算机科学、电子学等领域有广泛应用。利用慕课系统发展农业物联网工程教学，对于提高农业物联网工程教学水平，加快农业物联网工程人才培养具有重要意义。目前，课程理论教学学时普遍为24学时，教师授课过程可能会占用多数时间对难点或重点知识进行讲解，注重课程知识的整体性。偶尔会加快教学进度，基础差的学生无法随堂消化教学内容。课程结合课堂教学内容建立对应的MOOC课程，把教学大纲内容按照10 min视频细化，内容讲解更加详细和全面。学生根据自己对所学知识的掌握程度，快进或回放教学视频，加快或放缓学习进度，对不能理解的内容可多次观看，以加深理解。此外，高等院校课堂教学班人数分布约50人，属于大班教学，开展课堂讨论、互动和课堂测试等环节受到时间限制，教师不能全面兼顾所有学生的学习效果。慕课教学是一种不随时间和空间限制的互联网教学平台，学生通过平台对课堂知識加以巩固，并利用平台提供的综合讨论区、老师答疑区和课堂交流区，教师对学生提出的疑难问题进行重点讲解，学生也可以对课堂内容相互交流，实现老师与学生对课程知识的共享。教师在慕课系统的每一节教学内容中设计随堂测验题，根据学生测试的反馈，及时掌握学生对前期课程内容的掌握情况，优化后期课堂教学内容。农业物联网是一门实践性要求较强的课程，教学实践环境和实验设备尚未完善，尤其农业院校实验设备相对薄弱，培养的学生缺乏动手能力。利用慕课系统结合仿真软件进行教学，展示智能家居、ZigBee无线传感网拓扑结构等场景，可以为学生适当提供模拟实践的平台，弥补实验环境比较薄弱的问题。翻转课堂[7]被其创始人伯格曼和萨姆斯重新命名为翻转学习，这种模式主张把直接教学（讲授基本事实、知识和技能）从群体学习空间转移到个人学习空间，以学生为中心。教师结合自己的专业背景和科研实践，对部分理论性不强且容易实践的内容采用翻转课堂教学形式，组织学生结合实际生活进行实践，让学生独立承担教学任务，从而将导论课程的学习变成一个启发式、自主探索的过程，让学生之间相互学习，教师与学生资源共享。

3 考核方式的改革

现有绝大多数高校对课程的考核方式主要采用闭卷考试形式，学生对课程的学习主要以老师考试内容为主导，部分学生存在考试前连续突击应付考试的现象，不能反映学生真实学习情况[8]。另外，通过期末考试评判成绩，很难激发学生学习的积极性和学习热情。因此，本课程注重过程性考核，尤其加强对学生学习过程的考核。过程性考核将贯穿整个学习过程，全方位考察学生的学习水平，对学生的学习态度、专业技能、团队协作精神和解决问题的能力等进行考核，更强调学生平时主动学习的重要性和有效性;同时授课教师通过过程性考核能够精确地分析不同学生群体对知识的掌握程度，促进教师不断改进教学方法[9]。课程的综合成绩改革为过程性成绩占70%，期末考试成绩占30%，重点通过学习过程来判断学生的学习水平。表1所列为平时成绩多元化的考核形式，主要由综合性作业、分组讨论、调研报告、团队作业和在线测试构成。设置的考核指标具有开放性、综合性和实践性，表明学生掌握的知识不仅仅局限于教师所传授的理论知识，更侧重学生独立学习的创新意识和科研实践探索能力的培养。期末考试题型也要改革，传统试卷重点考察基本概念、基本原理以及教师教学中讲授的核心知识，题目主要以选择、填空、判断和简答为主，大多知识点为记忆性的，无法考核学生对专业知识的综合应用和创新能力。为加强考察学生对物联网技术的实践应用能力，期末试题以综合分析、设计等主观题为主，有助于学生思维空间的全面发展，做到学以致用。

4 结语

针对传统教学模式与农业物联网工程实践需求之间存在的偏差，对物联网课程的培养目标、教学模式和考核方法进行改革。在理论教学中融合案例式教学以及利用慕课和翻转课堂开展新的教学研究，寻找提高学生学习热情和提高教学效率的新方法，重在培养专业知识与具体专业领域知识相结合，且具有独立思考问题和勇于创新的人才。

注：本文通讯作者为冯全。

参考文献

[1]闻继伟.“物联网技术概论”课程教改的几点探索[J].中国电力教育，2012（34）：80-81.

[2]吴功宜，吴英.物联网技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2018.

[3]于娜，郭鹏，李乃祥.农业物联网人才培养模式研究与实践：以天津农学院为例[J].河北农业大学学报（农林教育版），2014，16（3）：37-39.

[4]王志良，石志国.物联网工程导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[5]杜宁，车楠，杨慧晶.案例导向的物联网实践教学方法探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2015（4）：48-49.

[6]郭鹏，李乃祥，刘同海，等.慕课给农业物联网工程专业本科教学带来的启示[J]. 天津农学院学报，2015，22（4）：54-56.

[7]黄涛.“项目教学+翻转课堂”在网页制作课程中的应用[J].信息与电脑（理论版），2018（3）：235-237.

[8]吴春祥，曹文梁.基于工作过程系统化的物联网课程教学改革[J].计算机教育，2015（10）：40-42.