應用型農業高校《農業生態學》課程實踐能力模塊化培養—智慧農業+生態模式設計

李海波 趙文若* 劉顯臣

（吉林農業科技學院農學院 吉林 132101）

《農業生態學》是生態學在農業領域的分支，把農業生物與其自然環境作為一個有機整體--農業生態系統，研究其中的相互聯系、協同演變、調節控制和平衡發展規律。《農業生態學》是應用型農業高等院校植物生產類專業的一門必修的專業基礎課。要求學生能夠掌握生態學的基本原理及其在農業上的應用規律，培養生態文明與環境保護理念，了解國內外可持續生態農業發展的模式，并了解我國目前所面臨的主要農業環境問題及其產生、發展及危害，合理利用自然資源，有效保護農業環境，通過對農業自然資源結構的優化組合，達到農業生產集約化和可持續發展。

作為應用型專業，需緊密聯系農業生產實際，培養學生系統分析問題，解決問題的能力。對后續專業課程的學習夯實必要的理論基礎及實踐技能，并培養學生認真負責的工作態度和嚴謹細致的工作作風。

教學大綱能力模塊要求依據生態學的基本原理分析和解決農業生產中實際問題能力。本研究的目的是在原來大綱要求的基礎上引進現代智慧農業的理念，探討培養應用型農業高校植物生產類相關專業學生解決生產實際問題的能力。

1 智慧農業模式

1.1 智慧農業的概念

智慧農業（smart agriculture）是依托物聯網、云計算以及3S技術等現代信息技術通過對農業生產環境的智能感知和數據分析，進而實現對農業生產的精準化管理和可視化診斷的一種農業發展的新模式[1]，特點是集約化生產、智能化遠程控制、精細化調節、科學化管理、數據化分析和扁平化經營于一體[2]。智慧農業是現代信息技術與農業生產、經營、管理和服務全產業鏈的“生態融合”和“基因重組”而成的智慧農業產業鏈[2]。智慧農業以智慧生產為核心，智慧產業鏈提供信息化服務支撐，全產業鏈的營銷、物流、消費成為智慧農業生產的可靠的信息支撐網絡，引導農業生產信息化決策、高效化生產、差異化服務[1，2]。

1.2 智慧農業系統運行

智慧農業以智慧生產為核心，精細化、智能化、集約化、科學化生產促進農產品提質增效（圖1）。通過云計算、大數據、“3S”技術、物聯網技術利用科學智能的農業生產要素遙控設備實時遙控管理農產品生產狀況，提高品質、產量，降低生產成本，最后通過大數據分析、農產品物流管理技術以及農產品品質檢測技術[1，3]，信息化、透明化、數據化引導農業針對性、差異化生產，并直接、精準、高品質地服務農產品消費者，促進農業供給側改革快速推進[1]。根據智慧農業生產決策系統[1]（圖2）中農產品產業鏈的產品生產、營銷、物流、需求信息定位目標費群體，確定農產品預期利潤、規劃生產量和生產銷售期，以農產品供需高效銜接實現精準生產規劃，防止農產品生產過剩和供給不足，降低市場風險[4]。

1.3 智慧設施農業應用

隨著智慧農業的發展，農業設施中（圖3）珍貴植物（花卉、蔬菜、果樹、地道藥材等）不能夠人工全天實時監控，而智能化監控培養系統則可以完成這個任務。趙宇等[5]（2019）設計了一種遠程監控植物生長發育的系統（Atmega328P-au為主控芯片），利用光照傳感器、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、水位傳感器溫室中環境的各項參數，并通過硬件部分的Wi-Fi模塊將數據發送到自組建的網絡中，使用Java Web語言進行Wi-Fi信息抓取和處理，將數據傳輸到云端，實現了由數據采集到網絡傳輸，用戶可通過瀏覽器對全部數據進行監控。

圖1 智慧農業生產管理系統運行概述[2]

圖2 智慧農業生產決策系統運行概述[1]

圖3（A）甘肅張掖現代農業示范園物聯網監控設備；（B）慧云信息自主研發平臺—“葡萄管家”AI全自動化決策實驗基地來源：https：//baike.baidu.com

1.4 課程目標

要求學生充分利用互聯網資源查閱相關文獻資料了解智慧農業的基本涵義及基本原理，掌握目前智慧農業在設施農業方面的應用，以便為后續的學習提供理論支撐。

2 生態農業模式

2.1 生態農業模式概述

生態農業（ecological agriculture）是重視使用生態方法協調農業的生態效益、社會效益和經濟效益的一種農業方式，使用的生態方法包括生態農業模式和生態農業技術體系。生態農業模式（eco-agriculture pattern）是指在生態農業實踐中經常使用、相對穩定、有良好生態效益、社會效益和經濟效益的農業生態系統結構形式；生態農業技術體系（eco-agriculture technical package）是支撐生態農業模式順利運作并達到預期目標的多個單項技術的組合。農業運用的各項技術在生態農業模式基礎上進行篩選、改造、磨合形成生態農業技術體系，重點是對輸入資源的保護、節約、替代與增殖技術，以及對輸出污染的減量化、資源化和無害化處理，生產出生態、環保、綠色和有機的產品（圖4）。通過理論課的學習，要求學生了解生態農業模式所普遍采用的在農業生產實踐得到廣泛應用的各個單項技術。

圖4 生態農業模式與技術對農業生態系統的影響[6]

2.2 種養循環生態農業模式

按照教學大綱，通過理論課的學習要求學生掌握的種養循環生態農業模式設計包括兩種：北方“四位一體”生態模式和南方“豬—沼—果”生態模式（圖5）。北方“四位一體”庭院生態模式是畜禽糞便利用的典型模式，即在蔬菜大棚內將沼氣池、畜禽舍、廁所在全封閉狀態下整合在一起，充分利用太陽能，以沼氣池為紐帶與種植業、養殖業相結合，組成能源生態綜合利用體系。南方“豬—沼—果”生態模式具有相似的功能。

圖5 智慧農業+生態模式設計：（A）為Atmega328P-au為主控芯片的硬件系統[5]；（B）和（C）分別是北方“四位一體”生態模式和南方“豬—沼—果”生態模式[7]

3 案例I：智慧型—生態農業模式設計——北方“四位一體”模式

按照教學大綱，要求學生根據生態學的基本原理進行種養之間形成的循環型生態模式的設計；學會運用設施工程學的原理和技術進行設施農業模式設計，實現物質和能量良性循環；掌握大棚溫室的設計原理和方法和步驟，理解生態循環農業模式對農業可持續發展的重要意義。

3.1 地點選擇

引領學生參觀吉林農業科技學院園藝場智能型日光溫室，了解溫室的結構、種植植物類型（草莓、番茄、黃瓜以及花卉等）、智能設備（如傳感器等）的工作原理。

3.2 確定系統生物組分與環境組分

通過現場參觀設計種植作物的種類和品種，種植的面積、密度或者數量，并確定養殖家畜禽的種類和品種，以及數量和密度；確定設施內對生物因子具有明顯影響和作用的環境因子如光照、溫度、水分、通氣性和土壤類型。

3.3 大棚溫室設計

根據所要種植和養殖的農業生物特征特性，在了解生物生長發育的光、溫、水、氣、肥等生態條件的基礎上，通過查閱文獻資料獲得光照、溫濕度、土壤濕度等傳感器在溫室中環境的各項參數（圖5），設計并計算溫室大棚、家畜禽舍、廁所及沼氣池的面積、體積的大小。

4 案例II：智慧型—生態農業模式設計——南方“豬—沼—果”模式

4.1 地點選擇

要求：實驗地點要求具有一定的土地面積、土壤肥力較高且均勻一致、排灌良好、遠離住宅的山坡地果園。

4.2 確定系統生物組分與環境組分

確定種植果樹的種類和品種，種植的面積、密度或者數量，并確定養殖家畜禽的種類和品種，以及數量和密度；確定園區內對生物因子具有明顯影響和作用的環境因子如光照、溫度、水分、通氣性和土壤類型。

4.3 智能型豬養殖舍設計

因北方沒有這種現成的生態模式，可引領學生到吉林農業科技學院動物科技學院東北特種動物養殖場現場參觀，然后查閱相關的文獻資料，確定光照、溫濕度、土壤濕度等傳感器在溫室中環境的各項參數，進行模式設計（詳見圖5）。