基于物联网技术的水产养殖网箱水质监控实验教学平台建设

付秀伟，付 莉，赵广磊，范浩宇，刘杰文

（1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.燕山大学 自动化学院，河北 秦皇岛 066004；3.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012）

0 引 言

水产养殖学专业需培养学生具备水产动、植物养殖科学等方面的基本理论、基本知识和基本技能，能在水产养殖生产、教育、科研和管理等部门从事科学研究、教学、水产养殖开发、管理等工作的高级科学技术人才。市场对水产养殖学专业技术人才有大量需求，其中生产技术、管理、市场技术服务对人才的需求尤为突出，并且水产苗种繁育等技术人才需求也在增多。由于部分学生对水产专业认知程度不够深入，存在技术理论知识不扎实、专业实践能力不足等问题，因此应增强学生的实践能力，把专业实验和传统理论教学紧密结合，增加学生有效的实验操作次数。本文提出了基于物联网技术的网箱水质监控实验平台建设，利用物联网优秀的网络资源，学生可通过网络方式进行专业实验，充分了解水库水体的溶氧、温度、pH值、硫化物、亚硝酸盐氮、氨氮等因素对水质的影响，合理有效地提高实验室设备的利用率。学生利用业余时间进行更多的实验操作，将课堂理论与课后实践相结合，激发学生的学习热情，增强学生的实践和思考能力。

1 传统实验室的现状及存在的问题

1.1 传统实验教学的短板

传统的水质实验教学多数按照教师准备好的实验流程进行。教师先将实验所使用的药品和水样调整完毕，随后对实验原理以及操作步骤进行讲解和演示。学生则依照教师操作演示或者说明书上的操作步骤进行实验。这种验证式的教学模式虽然能够让实验顺利完成，但是学生只是单纯的模仿实验操作，不清楚实验目的，对于实验课程草草了事，没有对于实验的思考，缺少对实验过程的探究，在实验中缺乏独立的见解，实验结束时学生实际获得的知识甚少。久而久之，学生逐渐缺乏主动学习的兴趣，不愿意多加思考，丧失了独立思考的能力，形成了思维惰性。这种实验教学方式难以激发学生的学习和创新热情。

1.2 学生实验机会匮乏

由于多数院校重理论轻实践，开设的实验教学课程学时较短，学生无法对实验进行有效的创新和实践，无法达到培养水产养殖专业核心能力的目的。并且学校的实验设备较少，难以满足单独实验的需求，往往采取学生两两分组的方式进行实验，在有限时间的实验教学中，无法让全部学生进行完整的实验操作。而在其他时间内，除进入实验室的学生可以有更多的机会进行实验操作外，其他同学则很少有机会上手操作，实验设备利用率低，造成了实验资源的浪费。

2 基于物联网技术的水产养殖学专业中网箱水质监控实验平台的设计

物联网技术是构建网箱水质监控实验平台的关键，物联网技术是在互联网基础上将各种信息传感设备与网络结合的产物。通过约定的通信协议，将各种物品接入互联网，从而实现智能化识别、定位、监控和管理。物联网作为一种传输和感知信息的技术，在网箱水质监控实验平台的设计中发挥了极大的作用，实现了实验平台与学生操作端的远程连接，学生通过屏幕对实验设备进行控制，获得实验平台的反馈数据，从而达到学生远程监控并控制实验平台的目标。网箱水质监控实验平台架构模型如图1所示。

图1 网箱水质监控实验平台构架模型

网箱水质监控实验平台构架可以分成5大系统，即学生操作系统、设备管理系统、实验过程监控系统、实验评分系统、后台管理端。

2.1 学生操作系统

学生登录操作系统后，通过鼠标和键盘对界面进行控制，观看录制好的操作讲解视频，便于学生详细了解实验操作步骤以及实验中的相关知识，对网箱中的pH值、溶氧含量、水温、氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度以及硫化物浓度等传感器进行认知学习，了解网箱中水质指标对于水体和鱼类的影响。学习实验知识后，学生可以以第一人称的视角对网箱水质进行观察，同时查看网箱中各种传感器传回的水质数据，通过上位机对网箱实验设备进行远程控制，从而对水质指标指数进行调节。将网箱水质环境调节到合适的范围，对影响网箱水质的因素进行分析，通过创新型的自主实验，加强对知识点的理解。

2.2 实验室设备管理系统

水产养殖学专业课程包括鱼类增养殖学、甲壳动物增养殖学、水产动物育种学、水产动物营养与饲料和水环境化学等，每门课程都要求有一定学时的实验，实验课程较多，难以高效利用实验设备。因此对实验水箱的设备进行统一编号，利用无线网络对设备进行跟踪，了解设备使用情况，更加合理地分配给实验学生。对实验过程中出现的问题，如传感器损坏、检测失灵、设备增减、设备调用等及时处理，使设备始终处于正常状态。

2.3 实验室监控系统

实验室通过物联网方式供学生使用，将大幅提高实验设备的使用率，而开放式实验室实验设备的使用时间不固定，设备使用时长增多导致设备老化，设备数据采集精度不高等问题都会对实验测量结果产生一定影响，处理不及时将影响学生的实验学习。通过视频监控摄像头全程监控学生的实验过程，实时观察实验室的环境状况并及时查看实验设备是否存在异常等，确保实验设备安全使用，避免出现事故。

2.4 实验过程评分系统

系统将学生的实验数据和数据库进行比对，根据学生的实验操作以及完成程度进行评分，同时保存操作录像。在部分内容无法客观评价时，由教师根据录像查看其操作效果，给予分值调整，并在实验后给出意见和建议。

2.5 后台管理端

后台管理端主要负责水箱设备增减和数据更新、网上预约，实验内容的修改和发布，以及使用人员的增减与删除。为保证实验平台有效利用，管理端设置有实验开放时间通知、预约管理等功能，同时还设置有“成绩统计”功能，可有效辅助教师进行教学评价，提升教学效果。

3 结 语

文章基于物联网技术设计了网箱水质监控实验平台构架模型，借助物联网技术改变了传统实验的操作模式，提高了实验室设备的利用效率，加强了学生在实验中的自主创新能力与实践能力，为培养更多创新型人才夯实基础。