農業物聯網課程教學改革與探索

楊森 馮全 高曉陽 王關平

摘 要：農業物聯網具有很強的應用性，在當前物聯網人才急需的形勢下，需要對課程的教學模式進行改革和探索。在抽象的理論技術教學環節中融入案例式教學方法，著眼于提高學生解決實際問題和工程應用能力;在整個教學過程的部分內容采用慕課和翻轉課堂2種新的教學模式，構建出一種以學生為中心的教學模式;在成績考核中采用期末考試和過程性考核結合的多元化考核方式，側重于激發學生平時學習的積極性。

關鍵詞：農業物聯網;案例式教學;慕課;翻轉課堂;過程性考核;教學改革

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-0-03

0 引 言

在黨中央與國務院發布的《國家創新驅動發展戰略綱要》中，明確將物聯網相關技術以及智能設備的研究、物聯網產業的集成創新性發展作為國家創新戰略的主要任務之一，該技術的發展也為我國的經濟轉型升級提供理論基礎[1-2]。我國是農業大國，智能農業的發展是推動我國經濟快速發展的重要途徑，而農業是物聯網技術的重要應用領域之一，也是物聯網技術應用最迫切、難度最大、集成性特征最明顯的領域。農業物聯網技術是傳感器技術、通信技術、計算機技術以及電子科學技術高度發展與融合的產物，需對大田種植、設施農業、水產養殖和農產品加工等領域實現農業資源、環境信息、病害信息以及植物生長狀態要素數字化設計、智能化控制，并通過借助云計算平臺對感知信息動態分析和科學調控，以達到對農業各要素的全面感知、可靠處理以及智慧處理，進而達到信息世界與物理世界的高度融合[3]。隨著信息技術的發展，傳統農業正逐漸向智慧農業過渡，高校應注重培養物聯網技術與農業領域專業知識高度融合的復合型人才，而課程教學改革是提高學生理論知識和應用能力的一條重要途徑。物聯網技術所涉及的專業領域覆蓋面廣，農業院校的學生對于專業知識的掌握相對比較薄弱，因此在教學實踐中滲透物聯網基本結構，感知層和網絡層涉及的關鍵技術，最終達到學生依據應用農業場景選擇感知技術來設計物聯網應用系統的能力。目前高校對該課程的教學模式仍然以教師講授為主導，重點對物聯網基本原理及技術的講解，而物聯網應側重于實際工程的應用，僅依靠理論教學難以滿足教學需求。此外，農業院校的電氣類學生物聯網工程相關基礎課開設較少，在教學模式、教學方法上應區別于計算機專業或物聯網專業的教學。結合農業院校的專業特色，提出一種融合農業工程領域的教學改革方案。

1 農業物聯網在教學中存在的問題

1.1 農業物聯網課程特點

農業物聯網是農業院校電子信息與電氣類專業所設置的核心課程，旨在解決智能農業問題，課程具有典型交叉學科的特點，綜合性較強，要求學習者具備大量計算機和通信技術專業知識。教學內容可分為感知層技術、網絡層技術以及應用層技術3層主體結構。對于感知層主要涉及信息的智能感知和控制，重點學習RFID自動識別技術、條形碼技術、物理和化學傳感器以及無線傳感器網絡技術;網絡層將感知設備與執行設備接入物聯網，并將感知數據傳輸到應用層，主要有互聯網中的廣域網及ZigBee技術、藍牙技術、無線局域網及移動通信網等無線通信技術;應用層在云計算平臺的支持下完成對海量數據的存儲與智能化處理，主要應用到深度學習、數據挖掘和智能決策技術[4]。課程中涉及的網絡協議、數據結構等理論知識都是抽象概念，知識間特征不同，學生容易混淆所學內容。利用物聯網解決實際問題的過程中，提供設計者選擇的關鍵技術類型不唯一，各類的技術基本原理和適用范圍不同，選擇合理的技術方案對初學者相對比較困難。此外，農業環境是一個巨型的復雜系統，農業試驗存在周期長、隨機性強和數據多維的特點，學生無法在教學期間完成精確農業集成系統的開發。目前在教學方面，該課程仍然以傳統的課堂教學為主線，教師側重講解的是關鍵技術的原理性知識，授課方式單一。在教學的學時分配上，限于教學課時，實驗教學學時占總學時的25%，并且缺少課程設計環節，存在教學與實踐的脫離，無法真正實現學生創新思維和應用能力的培養。

1.2 教學手段單一，難以激發學生學習興趣

目前課程教學主要以理論講授為主，同學們在上課階段接受的是抽象的理論知識，對于課程中設計的基本概念大多是死記硬背，缺乏利用物聯網技術靈活解決實際問題的能力。該課程部分概念和相關技術理論比較抽象，課堂氣氛不活躍，學生上課積極性不高，且參與度較低，難以保證高效率的課堂教學質量。此外，依據2017—2019學年為期3年的學生期末考試成績來看，學生對基本概念掌握較好，但對于綜合設計題絕大數同學完成效果較差，表征學生利用物聯網技術解決農業領域實際問題和分析問題能力較弱，培養的物聯網人才無法與工程認證接軌，無法促進學生創新能力的提高。為提高教學效果，在課程中融入信息化技術，探索出多元化教學組織形式，形成以學生為中心的教學模式。

1.3 考核方式單一

課程主要采用平時成績、實驗成績和期末考試的考核方式，期末占60%，實驗成績占20%，平時成績占20%。目前，平時成績主要通過考勤和課后作業評判，存在學生只是進入課堂，而無法真正融入課堂教學的現象，成績的區分度較小;實驗環節的成績主要通過實驗報告撰寫進行評定，無法體現學生的動手能力和團隊協作能力;期末考試成績比重較大，檢驗的多為書本中的內容，學生大多數考前臨時突擊都能順利通過考試。這種單一的考核方法無法調動學生學習的積極性，無論是線上還是線下學生參與度都不高，對所學的知識停留在概念及理論層面的認知，難以對知識實現綜合應用。

2 理論教學的改革

2.1 案例教學法在教學中的應用

農業物聯網中典型技術在實際工程領域具有較強的應用性，RFID自動識別技術、無線傳感器網絡技術、位置感知技術和計算機網絡技術，在3D試衣鏡、自動泊車系統、高速ETC都有廣泛應用，利用案例分析對應的技術問題能夠激發學生學習興趣，培養學生解決實際工程問題的能力。設計的應用案例需要貫穿整個理論教學過程，加強學生對知識點的鏈接，選取案例應該貼近實際工程和生活，且與課堂教學理論內容完全匹配，實現工程任務與理論技術的高度融合。該課程涉及的理論技術較多，課堂中針對單一知識點的講授無法提高學生的綜合設計能力。在講授關鍵技術中應用案例—任務驅動教學模式，教師和學生在教與學的互動過程中共同完成物聯網實際應用示例的設計，通過案例的實現引領學生了解物聯網的技術原理、基本結構和設計思路[5]。在感知技術RFID中，通過門禁系統、貨物跟蹤和身份識別，讓學生理解該技術的基本原理、編碼標準和使用范圍。對于無線傳感器網絡，以智能塵埃項目和防火預警系統為切入點，讓學生掌握網絡數據采集過程和動態拓撲結構。網絡層到應用層采用的通信技術種類繁多，標準化程度高、產業化能力強，農業學校電氣類學生通信知識比較薄弱，這一部分知識的學習對初學者相對困難，通過引入智能物流系統和叫車管理系統整合網絡理論知識，明確不同通信技術的應用對象。在教學過程最后階段給出一道綜合設計題，學生結合理論技術、生活認知與體驗，獨立設計一個蔬菜大棚滴管智能控制應用系統，重點考察學生思考問題的深度。

2.2 慕課和翻轉課堂在教學中的應用

慕課系統教學[6]是一種精細化的教學模式，在通信學、計算機科學、電子學等領域有廣泛應用。利用慕課系統發展農業物聯網工程教學，對于提高農業物聯網工程教學水平，加快農業物聯網工程人才培養具有重要意義。目前，課程理論教學學時普遍為24學時，教師授課過程可能會占用多數時間對難點或重點知識進行講解，注重課程知識的整體性。偶爾會加快教學進度，基礎差的學生無法隨堂消化教學內容。課程結合課堂教學內容建立對應的MOOC課程，把教學大綱內容按照10 min視頻細化，內容講解更加詳細和全面。學生根據自己對所學知識的掌握程度，快進或回放教學視頻，加快或放緩學習進度，對不能理解的內容可多次觀看，以加深理解。此外，高等院校課堂教學班人數分布約50人，屬于大班教學，開展課堂討論、互動和課堂測試等環節受到時間限制，教師不能全面兼顧所有學生的學習效果。慕課教學是一種不隨時間和空間限制的互聯網教學平臺，學生通過平臺對課堂知識加以鞏固，并利用平臺提供的綜合討論區、老師答疑區和課堂交流區，教師對學生提出的疑難問題進行重點講解，學生也可以對課堂內容相互交流，實現老師與學生對課程知識的共享。教師在慕課系統的每一節教學內容中設計隨堂測驗題，根據學生測試的反饋，及時掌握學生對前期課程內容的掌握情況，優化后期課堂教學內容。農業物聯網是一門實踐性要求較強的課程，教學實踐環境和實驗設備尚未完善，尤其農業院校實驗設備相對薄弱，培養的學生缺乏動手能力。利用慕課系統結合仿真軟件進行教學，展示智能家居、ZigBee無線傳感網拓撲結構等場景，可以為學生適當提供模擬實踐的平臺，彌補實驗環境比較薄弱的問題。翻轉課堂[7]被其創始人伯格曼和薩姆斯重新命名為翻轉學習，這種模式主張把直接教學（講授基本事實、知識和技能）從群體學習空間轉移到個人學習空間，以學生為中心。教師結合自己的專業背景和科研實踐，對部分理論性不強且容易實踐的內容采用翻轉課堂教學形式，組織學生結合實際生活進行實踐，讓學生獨立承擔教學任務，從而將導論課程的學習變成一個啟發式、自主探索的過程，讓學生之間相互學習，教師與學生資源共享。

3 考核方式的改革

現有絕大多數高校對課程的考核方式主要采用閉卷考試形式，學生對課程的學習主要以老師考試內容為主導，部分學生存在考試前連續突擊應付考試的現象，不能反映學生真實學習情況[8]。另外，通過期末考試評判成績，很難激發學生學習的積極性和學習熱情。因此，本課程注重過程性考核，尤其加強對學生學習過程的考核。過程性考核將貫穿整個學習過程，全方位考察學生的學習水平，對學生的學習態度、專業技能、團隊協作精神和解決問題的能力等進行考核，更強調學生平時主動學習的重要性和有效性;同時授課教師通過過程性考核能夠精確地分析不同學生群體對知識的掌握程度，促進教師不斷改進教學方法[9]。課程的綜合成績改革為過程性成績占70%，期末考試成績占30%，重點通過學習過程來判斷學生的學習水平。表1所列為平時成績多元化的考核形式，主要由綜合性作業、分組討論、調研報告、團隊作業和在線測試構成。設置的考核指標具有開放性、綜合性和實踐性，表明學生掌握的知識不僅僅局限于教師所傳授的理論知識，更側重學生獨立學習的創新意識和科研實踐探索能力的培養。期末考試題型也要改革，傳統試卷重點考察基本概念、基本原理以及教師教學中講授的核心知識，題目主要以選擇、填空、判斷和簡答為主，大多知識點為記憶性的，無法考核學生對專業知識的綜合應用和創新能力。為加強考察學生對物聯網技術的實踐應用能力，期末試題以綜合分析、設計等主觀題為主，有助于學生思維空間的全面發展，做到學以致用。

4 結 語

針對傳統教學模式與農業物聯網工程實踐需求之間存在的偏差，對物聯網課程的培養目標、教學模式和考核方法進行改革。在理論教學中融合案例式教學以及利用慕課和翻轉課堂開展新的教學研究，尋找提高學生學習熱情和提高教學效率的新方法，重在培養專業知識與具體專業領域知識相結合，且具有獨立思考問題和勇于創新的人才。

注：本文通訊作者為馮全。

參考文獻

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