1、实验方案设计思路

1）建设牧场智能化虚拟仿真实验的必要性

第一，实验环境匮乏。畜牧业是农业生产的一大支柱。随着现代通信技术在畜牧行业深入应用，以数据采集电子化和设备管理自动化、智能化为特征的智能化牧场已经成为改善农民收入水平和畜牧产品消费者健康水平的有效途径。牧场智能化是一种计算机技术和物联网技术综合应用的典型场景，对工程师的理论水平、实践能力和综合素质均要求较高，对信息技术专业应用型人才培养具有重要的意义。然而，智能牧场对场地大小、资金成本和人员素质及管理水平等都有非常高的要求，由于受历史原因和经济发展规模等各方面的限制，我国智能牧场目前尚处于起始阶段，导致智能牧场数量较少且自动化、智能化程度非常低，无法满足大批量学生进入真实工作现场实习、见习的需求，也难以给学生提供专业的指导。本项目借助虚拟仿真技术，通过3D虚拟场景将牧场智能化的工作过程案例化、虚拟化，可以切实有效解地决因实验环境匮乏所带来的困难。

第二，实验具有对象特殊，实验模拟成本高，生产工况异常具有危险性。首先，智能化牧场的肉牛（奶牛）分栏器设计是否合理和RFID的频率选择、部署位置、数量等直接相关，而且肉牛（奶牛）通过姿态和行为也影响到检测结果，这些导致不仅导致实验空间要足够大，而且每次实验成本高。其次，从社会伦理及农场企业家的角度，都不允许学生以真实的牧场和牧场肉牛（奶牛）作为实验对象进行反复实验操作与练习。另外，一方面，在牧场智能化工作过程中，如果传感器部署不合理、不均匀，会导致二氧化硫超标、温湿度指标不合格，进而可能会造成牲畜生病甚至死亡，属于危险性操作；另一方面，在牧场智能化维护过程遇到各类型异常，如网络传输或组网异常、传感器工作故障、分栏器电路故障等，属于随机偶发性事件。该项目能有效解决因实验被试对象和耗材特殊而造成的实验实施和数据收集的困难。

2）牧场智能化虚拟仿真实验的先进性

首先，理念先进。本项目依托洛阳市农牧智能传感网络系统重点实验室，以面向工作过程导向教学理论为指导，以牧场智能化工作过程为主线，对实验的知识和技能进行重构和整合，通过工程案例仿真开展实训、实验。这样可使得课程内容与职业活动相联系，使学生能够直接获得单片机硬件及程序设计、传感器设计、网络技术等综合知识应用的实战经验。在牧场智能化规范与流程设计上，参考了国家种牛场建设标准（NY/T 2967-2016）和奶牛场建设标准(DB37/T308-2002)等，接轨了英国、荷兰等发达国家智能牛场饲喂、挤奶等自动化、智能化理念，确保了牧场工作智能化流程设计的前瞻性和可操作性。

其次，技术先进。本项目借助3D建模技术、模拟动画、虚拟场景生成等虚拟仿真技术，高度还原了RFID感知、物联网设备选型、单片机应用设计及调试等牧场智能化工作过程。本实验主要使用了四种虚拟仿真实验手段：第一，通过3D建模技术逼真地展示常用电子信息设备；第二，通过模拟动画生动地演示传感器数据网络传输抽象的过程；第三，通过流程引导清晰地演示牧场智能化实施过程中的硬件选型、参数配置、故障测试等复杂的步骤；第四，通过虚拟场景建模技术构建了因传感器部署不合理、不均匀，导致二氧化硫超标、温湿度指标不合格，造成牲畜生病甚至死亡的真实故障场景。

我校拥有“牧场智能化仿真实验教学管理软件”、“智能牧场网络通信仿真软件”和“智能牧场传感器部署仿真软件”等三项软件的自主知识产权。

3）牧场智能化虚拟仿真实验系统的设计思路

牧场智能化仿真实验教学项目依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台，实现数据接口无缝对接和实验全过程的记录与追踪。开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发。如图1所示，牧场智能化仿真实验系统集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是一个具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。

2、教学方法创新

1） 采用了面向工作过程的教学理论。本项目以面向工作过程导向教学理论为指导，以培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新应用型信息化人才为目标，采用“厚基础，重应用，强能力，启创新”教学理念，让学生在沉浸式漫游、问题式辨析、交互式练习、自主式设计、支架式引导、反思式评价的实验过程中，掌握嵌入式微控制器电路设计、硬件选型和程序设计、传感器工作机制及部署规程等牧场工作智能化工作过程，具备根据传感器（包括二氧化硫、温度、湿度）的信息波动和网络质量等信息进行牧场传感器及其网络拓扑缺陷判断的能力，具有解决牧场智能化工作过程中一些传感器、网络传输、单片机通信等异常情况的综合素质。采用这种以面向工作过程的教学方法，将牧场智能化仿真实验变成了“以与牧场智能化情景相关的工作过程知识和能力培养为主，以陈述性知识为辅”的实战过程，使得学生可以在上述“六式引导”的学习中获得单片机硬件及程序设计、传感器设计、网络技术等综合知识应用的实战经验，达到提高教学效果的目标。

2）教学效果明显。系统对学生操作的记录反馈和就业单位对毕业生的满意度调查，都显示了该教学方式方法激发了学生的学习兴趣，显著提高了学生的学习效率，提升了学生对习得能力进行迁移的水平，加深了他们对现代信息技术应用的理解。

3、评价体系创新

1）纠错与反馈。在项目的规范练习环节，操作错误时系统会自动提示和纠错；自主设计实验，系统全程自动记录实验过程与操作步骤，学生能够追溯回看自己的操作记录，促使学生养成规范练习和主动思考的学习习惯。

2）评价与反思。在考核环节，系统对操作次数、操作时间、交互操作要点等进行多维度考核，并同步 “作业与习题”对学生理论知识进行考核，形成理论与实验相结合、过程性和终结性评价相融合的综合评价体系。

4、对传统教学的延伸与拓展

1）延伸了实验内容的深度、广度与实验空间。该项目为学生提供了高度仿真的虚拟实验环境，解决了牧场智能化实验具有一定危险性、实验环境缺乏、实验场地受限、成本高等问题，有效解地节省了实验教学成本；将传统的实验室、固定的上课时间延伸为泛在化的网络虚拟实验室和24小时在线的“空中课堂”。

2）拓展了以虚补实的“六式导引”实验教学方法。采用“六式导引”实验教学方法，通过实战操作，学生与虚拟51单片机、虚拟分栏场景、虚拟肉（奶）牛饲养、虚拟传感器互动。学生在牧场智能化虚拟实验操作和过程可通过教学系统自动采集并上传至网络数据库，及时做出纠错和反馈，线下线上师生互动，实现了以虚补实、虚实结合的实验原则。

3）拓展了仿真实验共享范式。本项目不仅供洛阳理工学院通信工程、物联网工程、计算机科学与技术等专业学生使用，还与河南城建学院、黄河水利职业技术学院、郑州信息科技职业技术学院和郑州铁路职业技术学院等4所高校共享，为整体提升学前教育专业人才培养提供了丰富的资源。面向社会开放运行，为包括洛阳莱普生信息科技有限公司等在内的从事牧场智能化信息技术服务的企业和事业单位提供了产品展示和仿真平台，为我国牧场智能化行业做出了重要贡献。