基于数字化教学的云畜牧创新平台构建与应用

王步钰，齐景伟，安晓萍

（1.内蒙古农业大学 计算机与信息工程学院，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古农业大学 a.动物科学学院；b.智慧畜牧自治区高等学校重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018）

引言

习近平总书记多次强调“中国现代化离不开农业农村现代化，农业农村现代化关键在科技、在人才”［1］，现代信息技术加速了高等教育的变革［2-3］，特别是农林院校“一懂两爱”人才的培养［4］，数字化教学建设迫在眉睫。然而，农林院校的实践教学环节薄弱、教学内容陈旧、培养模式单一、学生创新能力较弱、毕业生竞争力相对较差，实践基地远且受生物安全影响，难以随时随地参与实习实践，科研与生产结合不紧密，对学生的培养缺乏有效手段和方式，学生学习积极性不高，造成农林人才短缺，教研、教管及教评手段单一，评价结果不够准确。

内蒙古农业大学作为以草原畜牧业为重点办学特色的地方农林院校，充分发挥草原畜牧业区位优势，深入推进信息技术与高等农林教育交叉融合，解决当下地方农林院校畜牧人才培养存在的诸多瓶颈问题［5-6］。内蒙古农业大学利用物联网、云计算、大数据及人工智能等先进信息技术，研发了云畜牧创新平台，形成了四维教学模式，助力农林院校教学及管理变革。云畜牧创新平台支持教学场景全景互联，开展沉浸式、直播互动教学，以及虚拟仿真实验教学和虚拟实习实操等教学，支持智慧开放课堂教学及多师协同教学（云畜牧创新平台框架见图1）。利用虚拟教研室开展云端听评课及沉浸式全景巡课，实现了“教研、教管、教评”的精准化管理，为畜牧领域开展“开放、多样、协同、公平及持续”的教育提供了解决方案，已在内蒙古农业大学推广应用，取得良好效果。

图1 云畜牧创新平台框架

一、构建云畜牧创新平台

云畜牧创新平台架构采用两翼多层次模型。两翼是标准规范体系与安全防护体系，多层模型层由基础平台层、数据资源层、业务支撑层、应用系统层及用户层构成。基础平台层是支持系统运行的必要的系统硬件、软件平台；数据资源层包含了本系统的所有基础数据库；业务支撑层是支持系统运行的必要的支撑中间件；应用系统层实现四维教学业务功能，覆盖教学、教研、教管及评价等业务应用层，面向本校师生、跨校师生、企业导师、外聘导师提供服务。

云畜牧平台，包括数据中心平台、资源共享平台、教学培训平台、业务云服务平台。数据中心平台由云管系统、实景采集系统、实景融合系统及实景资产管理系统构成，提供软硬件基础支撑。资源共享平台由数据资产、大数据开发套件及实验载体共享系统构成，提供数据、系统软件及载体资源的共享支撑。教学培训平台由四维课程创作系统、虚拟仿真体验系统及教学资源管理系统构成，提供软硬件、平台及四维教学方面的支撑。业务云服务平台由智慧养殖、养殖智能决策系统、云识别系统、云协作系统及云诊疗系统构成，提供软、硬件及云服务平台支撑。

二、开发新型教学资源

云畜牧创新平台开发了丰富的新型教学资源，包括四维实景数据资源、虚拟仿真资源、智慧养殖技术及畜牧类四维课程资源等。

1.数据资源。开发了覆盖马、牛、羊、猪、鸡的全生产周期实景全景数据，包括场景实景/全景34路，采集数据308 TB。其中马周期90天、牛周期300天、种猪周期270天、公猪周期90天、育肥猪周期175天、鸡周期150天。

2.教学资源。具备12门四维畜牧课程教学资源，33套虚拟仿真教学资源，5套猪、马、牛、羊及生物安全虚实结合智慧养殖技术教学资源，另外，还有智慧教室、现代化饲料厂及胚胎移植等异地协同教学资源，以及智慧养猪、智慧养牛、智慧养羊、智慧养殖及智慧教室数字孪生教学资源。

3.平台资源。为开展四维教学提供基础支撑平台，研发了智慧养猪、智慧养牛、智慧养羊、羊育种大数据分析及智慧养马管理系统，还有可视化分析环境共享系统、大数据开发套件共享系统，以及动物行为分析系统、云识别系统、云协作系统、云诊疗系统及直播教学系统，为智慧养殖过程管理及生产决策、育种数据分析、可视化数据分析、大数据分析、动物行为分析、云识别、云协作、云诊疗、直播教学提供基础平台支撑。

4.教学载体资源。教学载体资源包括智慧实验室、智慧教室、数字孪生实验室、异地协同空间及数字孪生教室、云桌面等，具体包括虚拟仿真创作实践载体资源、数字孪生创作实践载体资源、异地协同空间创作实践载体资源、虚实结合沉浸式协同教学载体资源、AI视觉分析载体资源、云桌面载体资源，为开展沉浸式、交互直播及四维教学提供虚拟现实空间。

三、形成四维创新教学模式

教学云服务平台由教学创作系统、教学沉浸式展示系统、教学培训系统、教研系统、教管系统、教学评价系统六个系统构成。通过虚拟仿真与现场实景全景结合，传统课堂、智慧课堂、创新实践与智慧教学相结合，开辟教学新途径，实现教学新形态，实现教学颠覆性革命。采用线上线下、实景、虚拟仿真、虚实结合、沉浸式体验、多师协同及四维直播等方法，实现从教学内容、教学方式、实践操作到智慧养殖的教学手段的全面创新，形成“多媒体、实景、虚拟仿真、智慧养殖”的四维创新教学模式，实现传统课堂教学革命。

1.第一个维度，多媒体教学。通过农林院校横向合作，发挥各自特色和优势，实现多媒体教学的继承发展，提供符合时代特征及专业特长的多媒体教学方式。

2.第二个维度，实景全景教学。依托畜牧业生产基地及校企合作实践基地，根据教学需要，将现代化养殖场的环境、场景、过程及体征四维实景全景实时接入课堂，实现可以随时随地开展身临其境的教学过程，开展线上线下、沉浸式、多师协同及直播教学、实习、实践及实训。

3.第三个维度，虚拟仿真教学。依托畜牧业生产基地及校企合作实践基地，对标建设虚拟仿真资源，用于教学，实现沉浸式体验式教学，虚实结合直观易懂。

4.第四个维度，数字化智慧养殖技术。依托世界500强龙头企业生产实践基地，孪生建设用于教学的智慧养殖平台，实现教学内容由传统养殖升级为实操智慧养殖教学。

通过校企合作、科教融合及产教融合，建成了合作高校、龙头企业生产基地及实践基地三大支撑平台，开展四维教学，实现教学手段、教学方法、教学内容、教学过程的全方位创新，实现传统课堂颠覆性革命，打破教学、科研、社会服务融合的壁垒，实现了“教学、科研及社会服务三位一体互相赋能的联动闭环”人才培养模式。

四、建立“教研、教管、教评”精准化管理系统

1.教研系统。建立虚拟教研室，开展云听评课及沉浸式全景在线巡课，实现教学过程精准化管理，提升教学质量，更进一步挖掘四维创新教学模式的优势和不足，为探索农林院校人才培养模式服务。云听评课支持随时随地接入课堂，对实时获取开放课堂下的教师用机画面、黑板跟踪监控、学生互动情况及教师的音视频画面实时接入听评课系统，多维度全方位对课程开展听评工作。虚拟教研室具备沉浸式全景在线巡课功能。在线全景沉浸式巡课有两种模式，一种是自动模式，一种是人工模式。自动模式包括预警方式和推介方式，通过系统AI算法，结合教管信息对课堂自动分析，向巡课人员预警问题课堂及推介优质课堂，巡课人员可以有针对性地开展巡课工作，节省大量的人力物力，提升巡课效率。手动模式：面向巡课人员提供沉浸式全景巡课，可以全方位地加入感兴趣的课程，身临其境，实现由“堵”到“疏”的管理理念转变，提升教学水平，规范教学行为，进而提升教学质量。

2.教管系统。实现实验空间设备五维开放管理，以便更好地为教学提供服务。打造时间、空间、对象、过程及内容五维开放的载体开放体系，实现载体及设备管理的无人值守，自动运行，助力智慧教学运营。智能设备巡检系统利用融合网络，对教学管理平台的中心服务器、边缘服务器及各类端设备开展自动在线巡检功能，实时预警并提供一定程度的自运维服务。

3.智慧评价系统。从教师和学生两个维度出发，开展教学过程评价和学习效果评价，实现对课前、课中及课后的学习情况开展针对性在线评测，系统支持多种评测体系，支持智能评测，实时查看分数及效果解析。教学过程评价是对教师在教学或互动教学开展过程中表现出的对学习结果产生影响的环节或行为的评价。教学过程的评价与学习效果评价相对应，学习效果评价以学习者完成学习后的最终测试或作业的评价作为学习者参与学习任务的总评，采集全方位的数据，发现其参与教与学的行为模式、挖掘其各自完成任务的思维过程，实时发现问题并解决问题，进而可以通过多元、多样的形式对其进行即时精准的评价，制定干预手段。关于学习效果评价，从全学习过程、立体多维数据关注到多样化交互式形态，对学生进行全方位评价，并对其进行引导和干预。

优化管理服务，探索教学与教研、教管、教评的协调一致，实现智能教研、教管及教评，解决人才培养过程管控精准化不足、反馈滞后的问题。

五、应用效果彰显

内蒙古农业大学云畜牧创新平台于2016年建成并上线应用，经过5年的实践检验，取得了良好的使用效果。“四维创新”教学成绩斐然，培养了一批智慧畜牧青年学子，增强学生服务“三农”的意愿，动物科学专业成为学生争选的热门专业，初次就业率逐年提升，实现了“留得住、用得上、干得好”的培养初衷，学生双创及竞赛获奖率逐年提升。

结语

内蒙古农业大学云畜牧创新平台在相关专业推广应用，取得了良好的效果。今后将利用新的信息技术不断升级迭代云畜牧平台，强化校企合作实践基地建设，不断丰富畜牧类新型教学资源，加强新型四维课程建设，满足合作农林院校的共享需求，持续升级完善四维创新教学模式，为地方农林院校人才培养探索新的解决方案。