高校智慧实验教室平台建设初探

江 勇，白 皓，王志秀，常国斌，陈国宏

（扬州大学 动物科学与技术学院，江苏 扬州 225009）

我国是畜牧业大国，畜产品产量居于世界首位。我国畜牧业从业人员数量庞大，这其中包括高校培养的高学历专业技术人员，他们是推动我国畜牧业发展及养殖技术进步的关键人才。各高校十分重视对畜牧专业学生理论与实践能力的培养。然而，受新冠肺炎疫情的影响，各高校虽然开展了线上教学［1］，如期完成了教学计划，但教学实践环节却未能如期完成。同时，我国“非洲猪瘟”疫情频发，促使各个养殖场加强了防疫管理，严格把控外来人员，因此使畜牧专业学生的教学实践环节无法正常开展。事实上，教学实践环节作为学生学习生产实践知识的重要途径，能够将理论知识应用于实践，这对提高畜牧专业学生的专业技能具有重要的意义。因此，如何解决畜牧专业学生对专业技能的需求与实际操作间产生的矛盾，是相关高校需要思考的问题。而发展远程实践教学技术，可以为解决这一难题提供有效的手段。

随着我国科学技术的发展，特别是信息技术和5G技术的发展，为远程实践教学的实现提供了可能。5G技术发展至今，移动宽带增强、超低时延通信、大规模物联网的应用，都为远程高清画面的实时传输提供了技术支撑。同时，在目前“互联网+”的背景下，智慧教室的应用不断普及，在中小学、高职等教育中起到了非常重要的作用，也得到了学生的认可［2-4］。扬州大学已经建设了智慧教室，并在教学中得到广泛应用，效果良好。因此，动物科学与技术学院在学校的支持下，建设用于畜牧专业学生教学实践的智慧实验教室，以期达到完成教学实践环节的目标。

一、智慧实验教室构建的目标及功能

智慧实验教室在先前智慧教室的基础上，采用5G传输技术将养殖端的现场实时传回教室端，任课教师根据养殖现场的情况进行实时教学，学生分组讨论。因此，智慧实验教室除了具有智慧教室的功能外，还应具有养殖场实时监控和记录的功能。智慧实验教室具备以下功能。

（一）智慧教室的功能

我院的智慧教室安装了智慧黑板、8个分屏显示器及扩音设备，可以实现智慧教室的所有功能，包括课前管理、课上管理、课后管理等。

1.课前管理。系统支持教师在任何移动设备上通过网页或微信上传课件、分享课程资源（材料），以及布置任务、作业。系统支持个人任务和小组任务派发，学生针对任务进行线下或线上讨论，形成的报告可以以附件的形式从移动设备上传到系统，教师可以实时查看学生的任务完成进度，并加以指导，学生也可以在线上向教师咨询问题。此外，系统支持随机分组、指定分组及随机分组后微调，让分组更为可控和科学。系统会自动记录学生的出勤情况，并生成报表，供教师参考。院校领导可以实时查看每一个课程的统计数据，在线上向教师提出课程的整改意见。

2.课上管理。智慧教室安装了高性能麦克风，允许教师在教室的任何地方讲课，更利于与学生进行互动。课堂提问可以让系统随机选组或选人，且系统会自动记录被提问人，最后生成报表供教师参考，以此提高学生的课堂参与度，让课堂更有实效。智慧黑板会自动以文本的形式记录教师的板书内容，课后分享给学生。学生通过移动设备（如电脑、平板、手机）连接到屏幕上，并通过多屏互动的功能显示所有小组的屏幕。小组讨论时，可以使用讨论墙将各个小组的讨论内容显示在屏幕上，便于教师实时了解学生的讨论内容，使教师在课堂上有针对性地组织讨论，提高讨论的效果。

3.课后管理。在课后管理方面，系统可以通过自动记录的学生上课表现（如上课出勤、课堂互动、讨论参与度、作业完成情况等），生成报表，帮助管理者了解应用开展的落地情况及效果，促进应用更好地落地。多维度进行数据采集，助力教学与管理建设。此外，系统通过摄像头记录教师的上课情况，保存于系统中，学生可以在课后通过移动设备点击播放，进行回顾和复习。

（二）对智慧养殖场的监管功能

1.实时监控。在现代化的智慧养殖场安装高清摄像头和环境监测探头（温湿度传感器、负压传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器等），实时检测畜禽舍中的环境因子含量。基于物联网技术和5G传输技术，将畜禽养殖棚舍内的环境参数（如温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度、棚舍内外的风力、负压等）及养殖画面传输到云端，学生可以在智慧教室通过智慧黑板远程查看畜禽舍的实时环境数据，掌握棚舍养殖的生产环境变化情况等。在教师的指导下，学生对这些环境参数进行讨论，形成研究性成果。该功能不仅可以实现研究性教学，培养学生对科研的兴趣，还可以让学生了解畜禽养殖场的环境变化情况及控制技术。

2.互联互通。通过互联网、物联网和5G传输技术将养殖场与教室端高度结合，使人与物、物与物互联，形成信息化和智能化的网络。通过信息技术，将养殖场管理软件嵌入智慧教室管控一体化平台系统中。根据教学需要，将养殖场的画面调入教室端的智慧屏幕，供学生讨论学习。实行“双师制”，一位指导教师在养殖场端，通过AR眼镜观察畜禽养殖现场，通过5G传输技术实时传输到教室端，学生在教室以第一视角观察养殖现场；另一位指导教师和学生一起在教室端，与养殖场端的教师沟通，共同解答学生的问题。当发现特殊情况时，用AR固定画面，展开讨论，找到解决问题的方法。通过AR技术让学生在教室以第一视角观察畜禽养殖现场，并与现场指导教师讨论问题，达到实践教育的效果。

二、教学实践的仿真模拟

仿真模拟即外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，利用VR技术（虚拟现实技术），通过实际操作，使参与者身临其境地体会这项技术。目前该技术已经成功应用于多个领域，如模拟驾驶等。此外，仿真模拟也被广泛应用于众多专业的实验教学中，如化学［5］、运动生理学［6］、工科实验［7］、大学物理实验［8］、医学［9］、机械［10］、工程［11］、细胞生理［12］等。智慧实验教室通过仿真模拟现代化畜禽养殖场的真实情况，模拟畜禽舍的光照、通风、温湿度、二氧化碳等环境因子的变化，让学生根据检测到的环境因子的变化情况，在虚拟仿真中模拟畜禽饲养管理；让学生在虚拟仿真畜禽舍中，学习现代化智能畜禽养殖管理技术，以达到教学实践的目的。通过仿真模拟教学实践，可在虚拟仿真中实践课堂上学到的理论知识，真正做到理论与实践相结合。在畜牧专业教学实践环节，仿真模拟与畜牧专业教学实践的结合是一次重大的创新改革，形成了基于仿真虚拟的进阶式实践教学模式。仿真模拟教学实践具有以下优点。

（一）避免了实习场所的空间限制

传统的教学实践必须让学生进入养殖场，存在很大的安全风险。同时，近几年受新冠肺炎疫情和动物疫情的影响，教学实践环节更是困难重重，已经严重影响了教学质量。而虚拟仿真实践的建设完全可以突破这种限制，让学生不受时间、地点的限制参与实践。虚拟仿真畜禽养殖场为学生提供了一个开放式的教学平台，学生可以在任何时间、任何地点远程进行智能化畜禽饲养模拟管理，打破了时空的局限性，提高了学生的独立思考能力和创新能力［13］。

（二）虚拟仿真系统具有良好的交互模式

利用计算机3D技术创建一个三维虚拟畜禽养殖场景，实现仿真的体验和通畅的人机交互，从而调动学生的学习积极性和主动性。通过人机交互设备将畜禽养殖场景直观地呈现给学生，加深学生对专业相关知识的理解。通过三维成像技术建立畜禽养殖过程，学生通过仿真模拟动手反复操作，可以快速掌握畜禽养殖环节及其管理要点。在实践过程中，仿真系统会自动记录学生的操作过程，给出客观的评分，并及时反馈学生在操作过程中的失误，给出针对性的训练，帮助学生提高实践技能，实现教学、实践和考核的量化和标准化［14］。

（三）安全性

传统的教学实践环节，都是安排学生去畜禽养殖场，学生的人身安全难以得到保障，而三维仿真模拟技术可将畜禽养殖场呈现在学生面前，在教室端即可实现教学实习的目的。虚拟仿真技术应用于畜牧专业教学实习中，可以避免传统教学实习中的诸多不安全因素，如在畜禽场中极易发生牛（特别是种公牛）攻击人的状况、人畜共患病（如布氏杆菌、高致病性禽流感和鼠疫）的感染等。在虚拟仿真实验室中，可多次反复操作而不会给学生造成任何伤害，无须担心在实践过程中出现安全事故。

（四）改变教学手段

传统的教学实践必须将畜牧专业学生安排到养殖场才能进行教学实践，而虚拟仿真模拟系统通过5G技术将养殖场搬到教室，让学生在教室中即可实现教学实践，并通过虚拟仿真技术模拟养殖场的饲养管理，这种人机互动的形式可以实现启发式的实验教学，提高学生的积极性和主动性，从而提高实践教学的效果。

结语

现代信息技术的发展使得智慧教室在各个教学阶段得到广泛应用，并取得了较好的效果。5G技术的发展使高清画面的实时传播成为可能，是智慧实验教室建设的基础。开展虚拟仿真实践可以较好地激发学生的学习兴趣，提高学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力，培养了学生的创新能力［8］。在智慧实践课堂上，教师在智慧教室中讲授养殖端的智能化养殖设备、饲养管理方式及各种环境因子等，学生在智慧教室中观察、讨论、研究智慧系统记录的养殖场的环境参数，并总结规律，再运用这些规律在仿真模拟系统中实现对养殖场的仿真管理。通过智慧教室将畜禽养殖场的画面生动、形象地呈现在学生面前，让学生更加容易地理解理论知识，进而达到教学实践的效果。在新冠肺炎疫情反复的形势下，智慧实验教室平台的建设完全可以满足畜牧专业教学实践的需要，实现和养殖场教学实践相同的教学目标。