張立立，鄧慶緒，鮑玉斌，周 綱

（東北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，沈陽 110819）

0 引言

為響應(yīng)黨中央“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略［1］，助推產(chǎn)業(yè)繁榮和社會(huì)繁榮，發(fā)展壯大鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)，拓寬農(nóng)民增收渠道，推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用［2］，培養(yǎng)具有綜合科學(xué)素養(yǎng)、深厚的鄉(xiāng)村情懷、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)職業(yè)技能和團(tuán)隊(duì)合作精神的新型計(jì)算機(jī)類人才，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，是壯大鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)、拓寬農(nóng)民增收渠道的重要方面，能夠?yàn)橐恍┵Y源枯竭型城市發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)提供解決方案［3］，對(duì)于保持農(nóng)村社會(huì)和諧穩(wěn)定、不斷提高廣大農(nóng)民的獲得感具有重要意義。

在實(shí)際場(chǎng)地安排智慧農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行多場(chǎng)景實(shí)地考察，造成課程時(shí)間周期長(zhǎng)，學(xué)生人身安全問題不能得到保障，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)效果不明顯，并且沒辦法重復(fù)練習(xí)和體驗(yàn)。智慧農(nóng)業(yè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)地多在郊區(qū)農(nóng)田中，實(shí)際場(chǎng)景也不會(huì)允許大量學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，因此通過虛擬環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)，可以讓所有學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生的分析和解決實(shí)際問題的能力。因此利用虛擬實(shí)驗(yàn)可以解決實(shí)驗(yàn)環(huán)境匱乏的弊端、實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特殊性問題和跨學(xué)科資源共享的難題。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，突破智慧農(nóng)業(yè)的一般應(yīng)用場(chǎng)景，采用“不澆水的花盆，不換水的魚缸”室內(nèi)版的小型智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)典型應(yīng)用—魚菜共生情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)生了解基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程。魚菜共生情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，考慮到實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特殊性，為了保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，不能讓學(xué)生反復(fù)進(jìn)行加熱、補(bǔ)光、抽水等實(shí)驗(yàn)操作及各種故障模擬，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將完全模擬實(shí)物系統(tǒng)［4］，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中理解概念、原理和技術(shù)，體會(huì)到學(xué)有所用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性與參與度，增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

助力東北工業(yè)基地經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型城市發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)［5］。一些資源枯竭型城市農(nóng)作物種植方式粗獷，使農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)同類農(nóng)產(chǎn)品。因此為引導(dǎo)幫助當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在有限資源的情況下，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，增加收益，對(duì)復(fù)合型人才培養(yǎng)提出了更高的要求［6］。本項(xiàng)目總體實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）響應(yīng)國家戰(zhàn)略，注重理論結(jié)合實(shí)際，把素質(zhì)教育貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)獨(dú)立思考和開拓創(chuàng)新的意識(shí)。

智慧農(nóng)業(yè)是發(fā)展壯大鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)的重要方面，項(xiàng)目采用智慧農(nóng)業(yè)的具體應(yīng)用案例—魚菜共生情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、魚菜共生系統(tǒng)搭建、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［7］構(gòu)建、嵌入式系統(tǒng)［8］編程和智慧系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)過程的引導(dǎo)讓學(xué)生充分掌握51 單片機(jī)C語言教程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Python 基礎(chǔ)教程、信息技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)等課程基礎(chǔ)知識(shí)，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，學(xué)以致用提升學(xué)習(xí)興趣，全面提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)獨(dú)立思考和開拓創(chuàng)新的意識(shí)，保障素質(zhì)教育的順利實(shí)施。

（2）開發(fā)多種編程語言版本，注重“教法改革”和“學(xué)法指導(dǎo)”，滿足不同課程教學(xué)需求，應(yīng)用不同語言解決實(shí)際場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)采集和處理能力。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容軟硬件相結(jié)合，并采用C 和python兩種編程語言實(shí)現(xiàn)［9］，分別針對(duì)大一計(jì)算機(jī)類（包括計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)工程兩個(gè)專業(yè)）、電子信息類（包括通信工程和電子信息工程兩個(gè)專業(yè)）和人工智能專業(yè)的信息技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)和大三物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一個(gè)平臺(tái)服務(wù)于多門課程、多個(gè)專業(yè)，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用與共享。滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)編程應(yīng)用、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等多學(xué)科知識(shí)融合的教學(xué)需求［10］。

（3）拋磚引玉，注重能力培養(yǎng)和個(gè)性化發(fā)展相結(jié)合，使學(xué)生了解基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程，激發(fā)學(xué)生求知熱情和創(chuàng)新興趣。

通過魚菜共生情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)生了解基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拋磚引玉，引發(fā)學(xué)生對(duì)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)知識(shí)的探索與創(chuàng)新。以此虛擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展與實(shí)踐，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，推動(dòng)更多年輕人有熱情返鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)，不斷壯大鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)農(nóng)民致富，全面打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)［11］。

項(xiàng)目具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

（1）理解智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)涵和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

（2）掌握魚菜共生系統(tǒng)運(yùn)行原理及系統(tǒng)組成。

（3）學(xué)會(huì)針對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，查閱資料解決實(shí)際問題。

（4）了解無線通信技術(shù)的基本知識(shí)，掌握ZigBee技術(shù)［12］的硬件設(shè)計(jì)及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（5）掌握溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的編程技術(shù)［13］。

（6）基于魚菜共生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮想象，能夠設(shè)計(jì)一項(xiàng)智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［14］。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與能力培養(yǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與能力培養(yǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及思政元素設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照完成一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目流程設(shè)置，分為：基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、搭建魚菜共生系統(tǒng)、構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)編程、智慧系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試5 部分內(nèi)容，形成循序漸進(jìn)、虛實(shí)結(jié)合的完整智慧系統(tǒng)，要求學(xué)生在4 學(xué)時(shí)內(nèi)，掌握線上虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作流程，各類傳感器設(shè)備的編程應(yīng)用及調(diào)試，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作流程如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)總體操作流程圖

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)

打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，輸入姓名學(xué)號(hào)后點(diǎn)擊【登錄】，查看操作說明，了解實(shí)驗(yàn)界面基本交互操作，查看基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)，進(jìn)入基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)界面，如圖3 右側(cè)所示。分別學(xué)習(xí)魚菜共生系統(tǒng)、傳感器原理、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)原理、電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，最后完成知識(shí)點(diǎn)考核。

圖3 實(shí)驗(yàn)登錄及基礎(chǔ)知識(shí)界面

2.1.2 搭建魚菜共生系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理及工作流程，將界面（見圖4）右側(cè)9 種設(shè)備拖拽到左側(cè)系統(tǒng)高亮位置，左鍵點(diǎn)擊選中設(shè)備，在正確高亮位置再點(diǎn)擊左鍵放置設(shè)備，右鍵取消設(shè)備選擇。設(shè)備放置完成后，點(diǎn)擊完成組裝。

圖4 魚菜共生系統(tǒng)組裝界面

2.1.3 構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZigBee 組網(wǎng)原理［15］，搭建硬件平臺(tái)，將6 種設(shè)備放置到實(shí)驗(yàn)底板上。進(jìn)入系統(tǒng)上電環(huán)節(jié)，分別點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)設(shè)備的開關(guān)，即按順序完成系統(tǒng)上電，上電后設(shè)備有紅色指示燈閃爍。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展環(huán)節(jié)，如有兩個(gè)魚菜共生系統(tǒng)時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)原理搭建硬件平臺(tái)，分別設(shè)置網(wǎng)關(guān)1 和網(wǎng)關(guān)2，在彈出的對(duì)話框中選擇PANID，然后分別給4 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)選擇合適的PAN_ID，全部完成后，點(diǎn)擊完成實(shí)驗(yàn)，如圖5 所示。

圖5 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)調(diào)試界面

2.1.4 嵌入式系統(tǒng)編程

按界面右側(cè)提示，需要分別對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器和水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

分別打開光照傳感器、溫濕度傳感器、水泵電動(dòng)機(jī)，在彈出的對(duì)話框中，選擇編程（C 語言），進(jìn)入C 語言編程界面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析程序并填空，如有困難，可點(diǎn)擊右側(cè)“幫助”按鈕，選擇其中正確答案，編程填空完成后，點(diǎn)擊提交代碼，可查看填寫錯(cuò)誤的位置，并重新填寫，系統(tǒng)只允許運(yùn)行1次，第2 次再點(diǎn)擊直接提交代碼，即完成C 語言的編程。實(shí)驗(yàn)中只選擇一種語言編程即可，如選擇Python 語言，實(shí)驗(yàn)步驟同C 語言的編程，如兩種語言都完成，系統(tǒng)自動(dòng)取提交代碼后最高的一次成績(jī)。實(shí)驗(yàn)界面如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)編程界面

2.1.5 智慧系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

進(jìn)入魚菜共生系統(tǒng)種植配置環(huán)節(jié)，請(qǐng)將界面右側(cè)的魚和花放置到左側(cè)系統(tǒng)中，左鍵選中花，然后在系統(tǒng)高亮位置點(diǎn)擊左鍵放置，右鍵取消選擇，同樣，左鍵點(diǎn)擊魚，在魚缸位置點(diǎn)擊左鍵放置魚，右鍵取消（動(dòng)植物共生問題，涉及生物學(xué)相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)分析構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境是否合理，請(qǐng)寫到實(shí)驗(yàn)最后的總結(jié)中），系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)出現(xiàn)的問題，智能的控制傳感器工作。為了檢測(cè)學(xué)生對(duì)智慧系統(tǒng)的理解，根據(jù)界面右側(cè)提示的系統(tǒng)錯(cuò)誤，分別點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行修復(fù)，使系統(tǒng)能正常運(yùn)行。打開系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)，可根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)界面，將運(yùn)行數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)形象化的顯示（見圖7）；模擬運(yùn)行進(jìn)度執(zhí)行到100%后，即完成所有實(shí)驗(yàn)過程，完成實(shí)驗(yàn)總結(jié)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖7 系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

2.2 思政元素教學(xué)方法

（1）播放電視推廣。課程前給學(xué)生播放“中央17套致富經(jīng)”節(jié)目推廣的魚菜共生應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)例，如圖8 所示。視頻介紹了大學(xué)生回鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)建設(shè)魚菜共生項(xiàng)目致富的故事，讓學(xué)生體會(huì)所學(xué)知識(shí)如何為經(jīng)濟(jì)發(fā)展助力。

圖8 電視推廣視頻

（2）宣傳國家戰(zhàn)略。課程教學(xué)中，介紹“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略［16］，讓學(xué)生了解到我國是農(nóng)業(yè)大國但并不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，很重要的一點(diǎn)是農(nóng)業(yè)人才的缺乏，要改變農(nóng)村窮、機(jī)會(huì)少的普遍固有概念，就是要讓鄉(xiāng)村相關(guān)產(chǎn)業(yè)壯大。因此，通過課程的熏陶，要培養(yǎng)出具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)、深厚的鄉(xiāng)村情懷、極大的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情的專業(yè)人才能夠反哺農(nóng)村，建設(shè)家鄉(xiāng)。

3 評(píng)價(jià)考核體系

實(shí)驗(yàn)考核體系建設(shè)線上線下結(jié)合、主觀+客觀成績(jī)綜合的合理評(píng)價(jià)機(jī)制。

虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部完成后，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)客觀成績(jī)，考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程的了解程度、設(shè)備編程應(yīng)用的熟練程度及系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試的掌握程度。

線下擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生興趣點(diǎn)自主選擇系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容完成一項(xiàng)擴(kuò)展內(nèi)容，可包括：相關(guān)電路設(shè)計(jì)、魚菜共生生物學(xué)內(nèi)容、增加相關(guān)傳感器嵌入式設(shè)備編程，以及對(duì)系統(tǒng)的修改和內(nèi)容擴(kuò)展的意見和建議等方面。具體考核標(biāo)準(zhǔn)如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容

根據(jù)以上考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行量化打分，通過得分情況，能夠客觀地反映學(xué)生掌握知識(shí)的程度和分析解決實(shí)際問題的能力。

得分在90～100分，說明學(xué)生已經(jīng)充分掌握了知識(shí)內(nèi)容，并熟練運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并能夠在完成基本實(shí)驗(yàn)要求的情況下，有豐富想象力完善了系統(tǒng)，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力。

80～89分，說明學(xué)生基本掌握了知識(shí)點(diǎn)，完成了項(xiàng)目?jī)?nèi)容要求的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，表現(xiàn)出了學(xué)生較好的學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)運(yùn)用在實(shí)際項(xiàng)目中解決問題。

70～79分，說明學(xué)生基本了解了知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，完成了部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，表現(xiàn)出學(xué)生具有一定的學(xué)習(xí)能力，建議在以后的學(xué)習(xí)中仍需加強(qiáng)鍛煉自己的學(xué)習(xí)能力。

低于70分，說明學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容沒有完全理解，不能根據(jù)原理知識(shí)點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建議要反復(fù)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，提升自身的整體能力。

4 結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)涉及知識(shí)范圍廣、運(yùn)用的專業(yè)技術(shù)多，很難通過幾個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展示。為了能夠讓學(xué)生了解什么是智慧農(nóng)業(yè)，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目采用室內(nèi)版的小型智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)典型應(yīng)用—魚菜共生情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)生了解基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程。通過小故事講述智慧農(nóng)業(yè)大科學(xué)。以后系統(tǒng)將在理論知識(shí)、系統(tǒng)搭建、生態(tài)學(xué)以及擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方面對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行深度與廣度的延伸與拓展。