農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與探索

楊森 馮全 高曉陽(yáng) 王關(guān)平

摘 要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)人才急需的形勢(shì)下，需要對(duì)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革和探索。在抽象的理論技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)中融入案例式教學(xué)方法，著眼于提高學(xué)生解決實(shí)際問題和工程應(yīng)用能力;在整個(gè)教學(xué)過程的部分內(nèi)容采用慕課和翻轉(zhuǎn)課堂2種新的教學(xué)模式，構(gòu)建出一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式;在成績(jī)考核中采用期末考試和過程性考核結(jié)合的多元化考核方式，側(cè)重于激發(fā)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);案例式教學(xué);慕課;翻轉(zhuǎn)課堂;過程性考核;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-0-03

0 引 言

在黨中央與國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中，明確將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以及智能設(shè)備的研究、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的集成創(chuàng)新性發(fā)展作為國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略的主要任務(wù)之一，該技術(shù)的發(fā)展也為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供理論基礎(chǔ)[1-2]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要途徑，而農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用最迫切、難度最大、集成性特征最明顯的領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電子科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展與融合的產(chǎn)物，需對(duì)大田種植、設(shè)施農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境信息、病害信息以及植物生長(zhǎng)狀態(tài)要素?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)、智能化控制，并通過借助云計(jì)算平臺(tái)對(duì)感知信息動(dòng)態(tài)分析和科學(xué)調(diào)控，以達(dá)到對(duì)農(nóng)業(yè)各要素的全面感知、可靠處理以及智慧處理，進(jìn)而達(dá)到信息世界與物理世界的高度融合[3]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正逐漸向智慧農(nóng)業(yè)過渡，高校應(yīng)注重培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)高度融合的復(fù)合型人才，而課程教學(xué)改革是提高學(xué)生理論知識(shí)和應(yīng)用能力的一條重要途徑。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所涉及的專業(yè)領(lǐng)域覆蓋面廣，農(nóng)業(yè)院校的學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的掌握相對(duì)比較薄弱，因此在教學(xué)實(shí)踐中滲透物聯(lián)網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，感知層和網(wǎng)絡(luò)層涉及的關(guān)鍵技術(shù)，最終達(dá)到學(xué)生依據(jù)應(yīng)用農(nóng)業(yè)場(chǎng)景選擇感知技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。目前高校對(duì)該課程的教學(xué)模式仍然以教師講授為主導(dǎo)，重點(diǎn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)基本原理及技術(shù)的講解，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)側(cè)重于實(shí)際工程的應(yīng)用，僅依靠理論教學(xué)難以滿足教學(xué)需求。此外，農(nóng)業(yè)院校的電氣類學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)基礎(chǔ)課開設(shè)較少，在教學(xué)模式、教學(xué)方法上應(yīng)區(qū)別于計(jì)算機(jī)專業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)。結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的專業(yè)特色，提出一種融合農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的教學(xué)改革方案。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中存在的問題

1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)業(yè)院校電子信息與電氣類專業(yè)所設(shè)置的核心課程，旨在解決智能農(nóng)業(yè)問題，課程具有典型交叉學(xué)科的特點(diǎn)，綜合性較強(qiáng)，要求學(xué)習(xí)者具備大量計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)專業(yè)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容可分為感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)以及應(yīng)用層技術(shù)3層主體結(jié)構(gòu)。對(duì)于感知層主要涉及信息的智能感知和控制，重點(diǎn)學(xué)習(xí)RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、條形碼技術(shù)、物理和化學(xué)傳感器以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù);網(wǎng)絡(luò)層將感知設(shè)備與執(zhí)行設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，并將感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，主要有互聯(lián)網(wǎng)中的廣域網(wǎng)及ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)及移動(dòng)通信網(wǎng)等無(wú)線通信技術(shù);應(yīng)用層在云計(jì)算平臺(tái)的支持下完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與智能化處理，主要應(yīng)用到深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和智能決策技術(shù)[4]。課程中涉及的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等理論知識(shí)都是抽象概念，知識(shí)間特征不同，學(xué)生容易混淆所學(xué)內(nèi)容。利用物聯(lián)網(wǎng)解決實(shí)際問題的過程中，提供設(shè)計(jì)者選擇的關(guān)鍵技術(shù)類型不唯一，各類的技術(shù)基本原理和適用范圍不同，選擇合理的技術(shù)方案對(duì)初學(xué)者相對(duì)比較困難。此外，農(nóng)業(yè)環(huán)境是一個(gè)巨型的復(fù)雜系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、隨機(jī)性強(qiáng)和數(shù)據(jù)多維的特點(diǎn)，學(xué)生無(wú)法在教學(xué)期間完成精確農(nóng)業(yè)集成系統(tǒng)的開發(fā)。目前在教學(xué)方面，該課程仍然以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)為主線，教師側(cè)重講解的是關(guān)鍵技術(shù)的原理性知識(shí)，授課方式單一。在教學(xué)的學(xué)時(shí)分配上，限于教學(xué)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)占總學(xué)時(shí)的25%，并且缺少課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，存在教學(xué)與實(shí)踐的脫離，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新思維和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)手段單一，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

目前課程教學(xué)主要以理論講授為主，同學(xué)們?cè)谏险n階段接受的是抽象的理論知識(shí)，對(duì)于課程中設(shè)計(jì)的基本概念大多是死記硬背，缺乏利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)靈活解決實(shí)際問題的能力。該課程部分概念和相關(guān)技術(shù)理論比較抽象，課堂氣氛不活躍，學(xué)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(xué)質(zhì)量。此外，依據(jù)2017—2019學(xué)年為期3年的學(xué)生期末考試成績(jī)來(lái)看，學(xué)生對(duì)基本概念掌握較好，但對(duì)于綜合設(shè)計(jì)題絕大數(shù)同學(xué)完成效果較差，表征學(xué)生利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題和分析問題能力較弱，培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)人才無(wú)法與工程認(rèn)證接軌，無(wú)法促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。為提高教學(xué)效果，在課程中融入信息化技術(shù)，探索出多元化教學(xué)組織形式，形成以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。

1.3 考核方式單一

課程主要采用平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末考試的考核方式，期末占60%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占20%，平時(shí)成績(jī)占20%。目前，平時(shí)成績(jī)主要通過考勤和課后作業(yè)評(píng)判，存在學(xué)生只是進(jìn)入課堂，而無(wú)法真正融入課堂教學(xué)的現(xiàn)象，成績(jī)的區(qū)分度較小;實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的成績(jī)主要通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫進(jìn)行評(píng)定，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力;期末考試成績(jī)比重較大，檢驗(yàn)的多為書本中的內(nèi)容，學(xué)生大多數(shù)考前臨時(shí)突擊都能順利通過考試。這種單一的考核方法無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，無(wú)論是線上還是線下學(xué)生參與度都不高，對(duì)所學(xué)的知識(shí)停留在概念及理論層面的認(rèn)知，難以對(duì)知識(shí)實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用。

2 理論教學(xué)的改革

2.1 案例教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中典型技術(shù)在實(shí)際工程領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、位置感知技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在3D試衣鏡、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、高速ETC都有廣泛應(yīng)用，利用案例分析對(duì)應(yīng)的技術(shù)問題能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例需要貫穿整個(gè)理論教學(xué)過程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鏈接，選取案例應(yīng)該貼近實(shí)際工程和生活，且與課堂教學(xué)理論內(nèi)容完全匹配，實(shí)現(xiàn)工程任務(wù)與理論技術(shù)的高度融合。該課程涉及的理論技術(shù)較多，課堂中針對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的講授無(wú)法提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。在講授關(guān)鍵技術(shù)中應(yīng)用案例—任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，教師和學(xué)生在教與學(xué)的互動(dòng)過程中共同完成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用示例的設(shè)計(jì)，通過案例的實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)原理、基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路[5]。在感知技術(shù)RFID中，通過門禁系統(tǒng)、貨物跟蹤和身份識(shí)別，讓學(xué)生理解該技術(shù)的基本原理、編碼標(biāo)準(zhǔn)和使用范圍。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以智能塵埃項(xiàng)目和防火預(yù)警系統(tǒng)為切入點(diǎn)，讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程和動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層采用的通信技術(shù)種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)化程度高、產(chǎn)業(yè)化能力強(qiáng)，農(nóng)業(yè)學(xué)校電氣類學(xué)生通信知識(shí)比較薄弱，這一部分知識(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)初學(xué)者相對(duì)困難，通過引入智能物流系統(tǒng)和叫車管理系統(tǒng)整合網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)，明確不同通信技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象。在教學(xué)過程最后階段給出一道綜合設(shè)計(jì)題，學(xué)生結(jié)合理論技術(shù)、生活認(rèn)知與體驗(yàn)，獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)蔬菜大棚滴管智能控制應(yīng)用系統(tǒng)，重點(diǎn)考察學(xué)生思考問題的深度。

2.2 慕課和翻轉(zhuǎn)課堂在教學(xué)中的應(yīng)用

慕課系統(tǒng)教學(xué)[6]是一種精細(xì)化的教學(xué)模式，在通信學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。利用慕課系統(tǒng)發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)水平，加快農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程人才培養(yǎng)具有重要意義。目前，課程理論教學(xué)學(xué)時(shí)普遍為24學(xué)時(shí)，教師授課過程可能會(huì)占用多數(shù)時(shí)間對(duì)難點(diǎn)或重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行講解，注重課程知識(shí)的整體性。偶爾會(huì)加快教學(xué)進(jìn)度，基礎(chǔ)差的學(xué)生無(wú)法隨堂消化教學(xué)內(nèi)容。課程結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容建立對(duì)應(yīng)的MOOC課程，把教學(xué)大綱內(nèi)容按照10 min視頻細(xì)化，內(nèi)容講解更加詳細(xì)和全面。學(xué)生根據(jù)自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，快進(jìn)或回放教學(xué)視頻，加快或放緩學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)不能理解的內(nèi)容可多次觀看，以加深理解。此外，高等院校課堂教學(xué)班人數(shù)分布約50人，屬于大班教學(xué)，開展課堂討論、互動(dòng)和課堂測(cè)試等環(huán)節(jié)受到時(shí)間限制，教師不能全面兼顧所有學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。慕課教學(xué)是一種不隨時(shí)間和空間限制的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生通過平臺(tái)對(duì)課堂知識(shí)加以鞏固，并利用平臺(tái)提供的綜合討論區(qū)、老師答疑區(qū)和課堂交流區(qū)，教師對(duì)學(xué)生提出的疑難問題進(jìn)行重點(diǎn)講解，學(xué)生也可以對(duì)課堂內(nèi)容相互交流，實(shí)現(xiàn)老師與學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的共享。教師在慕課系統(tǒng)的每一節(jié)教學(xué)內(nèi)容中設(shè)計(jì)隨堂測(cè)驗(yàn)題，根據(jù)學(xué)生測(cè)試的反饋，及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)前期課程內(nèi)容的掌握情況，優(yōu)化后期課堂教學(xué)內(nèi)容。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一門實(shí)踐性要求較強(qiáng)的課程，教學(xué)實(shí)踐環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備尚未完善，尤其農(nóng)業(yè)院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)薄弱，培養(yǎng)的學(xué)生缺乏動(dòng)手能力。利用慕課系統(tǒng)結(jié)合仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，展示智能家居、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等場(chǎng)景，可以為學(xué)生適當(dāng)提供模擬實(shí)踐的平臺(tái)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較薄弱的問題。翻轉(zhuǎn)課堂[7]被其創(chuàng)始人伯格曼和薩姆斯重新命名為翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)，這種模式主張把直接教學(xué)（講授基本事實(shí)、知識(shí)和技能）從群體學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)移到個(gè)人學(xué)習(xí)空間，以學(xué)生為中心。教師結(jié)合自己的專業(yè)背景和科研實(shí)踐，對(duì)部分理論性不強(qiáng)且容易實(shí)踐的內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式，組織學(xué)生結(jié)合實(shí)際生活進(jìn)行實(shí)踐，讓學(xué)生獨(dú)立承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，從而將導(dǎo)論課程的學(xué)習(xí)變成一個(gè)啟發(fā)式、自主探索的過程，讓學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)，教師與學(xué)生資源共享。

3 考核方式的改革

現(xiàn)有絕大多數(shù)高校對(duì)課程的考核方式主要采用閉卷考試形式，學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)主要以老師考試內(nèi)容為主導(dǎo)，部分學(xué)生存在考試前連續(xù)突擊應(yīng)付考試的現(xiàn)象，不能反映學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)情況[8]。另外，通過期末考試評(píng)判成績(jī)，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)熱情。因此，本課程注重過程性考核，尤其加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核。過程性考核將貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過程，全方位考察學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、專業(yè)技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和解決問題的能力等進(jìn)行考核，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生平時(shí)主動(dòng)學(xué)習(xí)的重要性和有效性;同時(shí)授課教師通過過程性考核能夠精確地分析不同學(xué)生群體對(duì)知識(shí)的掌握程度，促進(jìn)教師不斷改進(jìn)教學(xué)方法[9]。課程的綜合成績(jī)改革為過程性成績(jī)占70%，期末考試成績(jī)占30%，重點(diǎn)通過學(xué)習(xí)過程來(lái)判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。表1所列為平時(shí)成績(jī)多元化的考核形式，主要由綜合性作業(yè)、分組討論、調(diào)研報(bào)告、團(tuán)隊(duì)作業(yè)和在線測(cè)試構(gòu)成。設(shè)置的考核指標(biāo)具有開放性、綜合性和實(shí)踐性，表明學(xué)生掌握的知識(shí)不僅僅局限于教師所傳授的理論知識(shí)，更側(cè)重學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的創(chuàng)新意識(shí)和科研實(shí)踐探索能力的培養(yǎng)。期末考試題型也要改革，傳統(tǒng)試卷重點(diǎn)考察基本概念、基本原理以及教師教學(xué)中講授的核心知識(shí)，題目主要以選擇、填空、判斷和簡(jiǎn)答為主，大多知識(shí)點(diǎn)為記憶性的，無(wú)法考核學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。為加強(qiáng)考察學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用能力，期末試題以綜合分析、設(shè)計(jì)等主觀題為主，有助于學(xué)生思維空間的全面發(fā)展，做到學(xué)以致用。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐需求之間存在的偏差，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)模式和考核方法進(jìn)行改革。在理論教學(xué)中融合案例式教學(xué)以及利用慕課和翻轉(zhuǎn)課堂開展新的教學(xué)研究，尋找提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和提高教學(xué)效率的新方法，重在培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)與具體專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)相結(jié)合，且具有獨(dú)立思考問題和勇于創(chuàng)新的人才。

注：本文通訊作者為馮全。

參考文獻(xiàn)

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