1、实验方案设计思路
①建设基于物联网技术的智能无土栽培虚拟仿真实验的必要性
第一，实验环境匮乏。物联网智能农业是一个新型的农业现代化发展趋势。基于物联网、大数据等信息技术的农业 4.0，能够有效地减少或摆脱自然因素带来的影响，且不再受限于土壤种植，使农业作业更加生态化、智能化、都市化和自由化。人类可以更低的成本、更优化的资源结构、更好的流通环节，从大自然中获取健康、干净、可持续的食物。实践证明，无土栽培具有节水、节能、省工、省肥、减少环境污染、防止连作障碍、产品无污染及高产高效等一系列特点。
智能无土栽培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，真实无土栽培场景往往具有面积大、设备多、操作难记录的情况，无法实施关注和调整所有设备的运行状况，且苗株对环境要求较高，室温、光照等需要精细控制、及时调整，但人的精力有限，无法全程兼顾。本项目借助虚拟仿真技术，通过3D虚拟场景将智能无土栽培的工作过程案例化、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，智能无土栽培数据采集模块设计是否合理、部署位置、数量等直接影响到检测对无土栽培作物的环境监测结果，这些不仅导致实验空间要足够大，而且每次实验成本高。另一方面，在智能无土栽培系统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、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智能无土栽培虚拟仿真实验的先进性
首先，理念先进。本项目以面向工作过程导向教学理论为指导，以智能无土栽培工作过程为主线，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嵌入式硬件及程序设计、传感器设计、网络技术等综合知识应用的实战经验。在智能化规范与流程设计上，接轨了农业4.0种植、培育等自动化、智能化理念，确保了无土栽培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，高度还原了物联网设备选型、嵌入式软硬件应用设计及调试、RFID感知等无土栽培智能化工作过程。本实验主要使用了三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无土栽培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。
我校拥有“基于物联网技术的智能无土栽培系统虚拟仿真实验软件”一项软件的自主知识产权。
智能无土栽培虚拟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5-1所示，智能无土栽培虚拟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采用了面向过程的教学理论。本项目以面向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、交互式个性化设计、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无土栽培智能化工作过程，具备根据传感器的信息进行无土栽培传感器及其网络拓扑缺陷判断的能力，具有解决智能无土栽培工作过程中一些传感器、执行器、网络传输、通信等异常情况的综合素质。采用面向过程的教学方法，将智能无土栽培虚拟仿真实验变成了“以与智能现代农业作业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，使得学生可以在学习中获得嵌入式硬件及程序设计、传感器应用、网络和通信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，提升了学生自主的能力，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反馈。项目的自主个性化设计实验，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。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，并同时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延伸了传统实验教学内容的深度、广度与实验空间。该项目为学生提供了高度仿真的虚拟场景和实验环境，解决了智能无土栽培实验环境缺乏、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拓展了以虚补实的实验教学方法。采用高度仿真的场景教学，通过实战操作，学生与虚拟微控器、虚拟植物栽培、虚拟传感器和执行器、虚拟远程实时监控、虚拟数据通信和传输等互动。学生在智能无土栽培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拓展了设备实验共享范式。本项目仅供许昌学院信息工程学院物联网专业学生使用，还初步与许昌职业技术学院、许昌电气职业学院等2所高校共享，为整体提升专业人才培养提供了丰富的资源。面向社会开放运行，为包括鄢陵花木、禹州大数据等在内的从事作物栽培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，为我国无土栽培智能化行业做出了重要贡献。