支撐“雙一流”學科發(fā)展的新農(nóng)科實踐教學基地建設探討

孔德棟，宋文堅，吳正輝，齊振宇，洪之奇，黃沖平

（浙江大學 農(nóng)業(yè)試驗站，浙江 杭州 310058）

近年來，隨著植物基因組學和生物信息學的快速發(fā)展，浙江大學涉農(nóng)類學科相關領域高水平論文疊出，個別領域在國內外形成顯著的競爭優(yōu)勢。同時，隨著信息技術的快速發(fā)展，從中央到地方政府乃至種養(yǎng)殖大戶和農(nóng)民專業(yè)合作社對智慧農(nóng)業(yè)、高科技設施農(nóng)業(yè)、綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)的需求越來越強烈。如何利用我校學科門類齊全，交叉研究基礎較好的特色，進一步促進涉農(nóng)領域“雙一流”學科的發(fā)展和人才培養(yǎng)，并能對非農(nóng)領域的“雙一流”學科起到一定的帶動作用，建設一個創(chuàng)新型、綜合性、多功能和面向未來發(fā)展的新農(nóng)科實踐教學基地成為學校的一個重大課題。

我校農(nóng)科實踐教學基地是涉農(nóng)學科開展實踐教學和科學研究的重要支撐平臺，近年來已經(jīng)取得了比較明顯的成效，共建成校內外基地 4 個，占地總面積1.13 km2，包括各類高標準試驗農(nóng)田1.112 km2，以及人工氣候室、科研溫室、植物工廠等各類農(nóng)業(yè)科研教學設施39 323 m2、綜合實驗室4 450 m2，教學科研輔助用房15 328 m2。目前已獲得國家級農(nóng)業(yè)科技園核心區(qū)、國家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與集成示范基地、農(nóng)業(yè)轉基因生物試驗基地、教育部農(nóng)林院校試點實踐基地、全國科普教育基地等稱號[1-2]。為了適應新的發(fā)展形勢，特別是鞏固第四輪學科評估涉農(nóng)學科A+“雙一流”學科占到全校 1/3 的成績和優(yōu)勢，學校決定在紫金港校區(qū)投資 1.1 億元，建設新農(nóng)科實踐教學基地。基地建設方案于2018 年完成可行性研究報告并上報教育部，同年順利獲批列入“雙一流”建設計劃，2019 年完成項目招標及圖紙深化設計，2020 年啟動建設。

1 新農(nóng)科實踐教學基地的建設思路

1.1 建設目標

緊緊圍繞涉農(nóng)學科“雙一流”建設總目標和中央關于新農(nóng)科建設的部署，充分發(fā)揮學校學科綜合交叉優(yōu)勢，在建設過程中強化涉農(nóng)學科與工學、信息學、醫(yī)學、理學、人文社會科學等其他學科的交叉融合，對標世界一流農(nóng)業(yè)試驗站和農(nóng)科實踐教學基地，努力建成具有浙大特色、國內領先的農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新實驗中心和實踐教學基地。中心建成后將為涉農(nóng)及其交叉學科的人才培養(yǎng)、科學研究、科技創(chuàng)新、成果轉化及集成展示等提供更優(yōu)質的軟硬件支撐，為學生開展實踐教學、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、文化創(chuàng)意等提供更豐富的平臺和服務，為服務國家振興鄉(xiāng)村等重大戰(zhàn)略提供強大支撐，同時能為全校師生提供更優(yōu)美的農(nóng)業(yè)田園生態(tài)休憩空間。

1.2 主要建設思路

除了實現(xiàn)上述總體目標以外，在可行性研究報告和實際建設中，農(nóng)業(yè)試驗站作為具體建設單位還將努力把握好以下幾個方面的原則和思路。

（1）滿足當下和適度超前的有機統(tǒng)一。一方面要確保滿足涉農(nóng)學科目前乃至未來5~10 年內的確切需求，另一方面在結構與工藝上盡量保證足夠的空間，對植物生命科學未來可能發(fā)生的突破性、革命性的發(fā)展需要留下適度空間。實際操作中對標洛桑試驗站等世界一流農(nóng)業(yè)試驗基地，采用國內外先進技術和工藝，既要保證設施設備的先進性和擴展能力，又要保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，以滿足未來教學科研不斷發(fā)展的需求。

（2）科學研究與實踐教學的有機統(tǒng)一。教師和學科的需求，特別是不同學科的需求非常細化，對各類溫室、人工氣候室、植物工廠等即使同一類型設施設備，其建設的目標和需求有時也是南轅北轍。當本科生、碩士、博士生參與到教師和學科的科研項目中開展實踐教學時，矛盾相對較小；而大班化、小組型實踐教學時，就需要相對規(guī)范且規(guī)模化的設施設備條件，因此把握適當?shù)某叨龋瑢⒖茖W研究與實踐教學有機統(tǒng)一十分重要。實際建設中，通過合理的功能分區(qū)、同類設施設備功能相對梯度區(qū)分，設計統(tǒng)一的操作系統(tǒng)界面等方便師生操作，同時也開發(fā)個性化定制操作界面以滿足不同課程類型的實踐教學發(fā)展需要。

（3）交叉性與展示性的有機統(tǒng)一。通過多學科的融合，打造豐富多樣的先進展示平臺，設施實驗區(qū)展示先進的農(nóng)業(yè)科研設施、新型能源系統(tǒng)等；教學展示區(qū)展示系列智能農(nóng)機裝備、豐富的各類標本等；農(nóng)田實驗區(qū)采用生態(tài)化、園林化設計，打造特色農(nóng)業(yè)主題景觀；濱水景觀區(qū)打造集水體凈化、科研教育和觀賞效益為一體的新型校園濕地景觀。既打造校園景觀亮點，又能滿足涉農(nóng)學科及其交叉學科的實踐教學需求。

2 新農(nóng)科實踐教學基地的主要建設內容

規(guī)劃建設面積0.135 km2，總投資1.1 億元，科研設施總面積17 000 m2，包括設施實驗區(qū)、大田實驗區(qū)、教學展示區(qū)和濱水景觀實驗教學區(qū)等4 大功能區(qū)塊。

2.1 設施實驗區(qū)

設施實驗區(qū)是新農(nóng)科實踐教學基地的核心，以滿足植物基因組學、生物信息學、智慧農(nóng)業(yè)、設施園藝以及與農(nóng)業(yè)生物環(huán)境和環(huán)境控制工程、能源工程等相關學科科學研究和實踐教學的最新需求和未來發(fā)展為目標的功能區(qū)塊[3-4]。

該區(qū)塊建設包括綜合控制中心、能源中心、植物工廠300 m2、生態(tài)生保氣候室300 m2、植物表型平臺300 m2、人工氣候室640 m2、教學展示溫室1400 m2、科研溫室1400 m2、實驗溫室4000 m2、控蟲網(wǎng)室1000 m2、玻璃頂網(wǎng)室1600 m2等。

（1）綜合控制中心。集成農(nóng)田信息感知、水肥一體化精準控制（水質監(jiān)測）、人工氣候室運行狀態(tài)及全部參數(shù)、植物工廠設備狀態(tài)與環(huán)境及智能設備控制、溫室環(huán)境監(jiān)測與智能調控、新能源在線監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田小氣候等一體化的監(jiān)測與控制分布式系統(tǒng)完全融合于同一平臺的感知和控制系統(tǒng)。并具有遠程分布式系統(tǒng)管理功能，可以預留將校內外試驗基地進行全部網(wǎng)絡在線監(jiān)測，同時預留未來將學校智慧農(nóng)業(yè)在全國實施和示范案例進行統(tǒng)一集成指導控制與展示（分布全國各省市，預計容量500 家左右），建立起總控制平臺的大數(shù)據(jù)存儲與分析系統(tǒng)。

（2）能源中心。新農(nóng)科實踐教學基地能源系統(tǒng)結構功能布局見圖 1，基地依托環(huán)境工程、能源與環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)機械化工程、園藝學、作物栽培與耕作學等學科交叉優(yōu)勢，構建新型太陽能、生物質能、燃料電池等新能源體系，為智能溫室、植物工廠等加溫、降溫和自動控制提供能源，并結合生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，創(chuàng)新能源利用方式，實現(xiàn)綠色能源循環(huán)，既達到零排放目標，又為低能源消耗的新型智能溫室、植物工廠研制和產(chǎn)業(yè)化推廣提供新的技術途徑[5]。

圖1 新農(nóng)科實踐教學基地能源系統(tǒng)結構功能布局

（3）植物工廠。以LED 冷光源利用為主要特征，在全封閉和全人工的環(huán)境下，對植物生長發(fā)育的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境因子進行高精度的自動化控制，實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[6-7]。包括環(huán)境閉鎖密封系統(tǒng)、人工光系統(tǒng)、空氣相對濕度保證系統(tǒng)、空氣循環(huán)流通系統(tǒng)、二氧化碳補充系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動控制與供給系統(tǒng)、物理殺菌系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、計算機自動控制及遠程控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控與圖像傳送系統(tǒng)等。滿足農(nóng)業(yè)機械化工程、控制科學工程、光學工程、計算機科學與技術、生物工程、植物營養(yǎng)學、園藝學等學科單獨或交叉的科學研究和實踐教學功能。

（4）生態(tài)生保氣候室。能夠真實地模擬完全密閉情況下生物相互依存生長的生態(tài)生保環(huán)境。可以為生物之間氣體平衡、營養(yǎng)平衡搭建可操作的實驗平臺。為未來科學研究的可能性留有充足的冗余設計。要求艙體完全密閉，在空間上盡量模擬真實的太空艙空間，以達到真實模擬的效果。在結構的設計上，設計有對接法蘭裝置，方便以后結構和功能擴展。生態(tài)生保氣候室包含溫濕度調節(jié)系統(tǒng)、營養(yǎng)液處理系統(tǒng)、氣體平衡系統(tǒng)、植物生長系統(tǒng)、固體廢棄物處理系統(tǒng)、飲用水補給及回收再利用系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、應急預警系統(tǒng)等。可以為農(nóng)作物太空育種、航空航天科學以及物理學等相關學科，以及植物工廠平臺提供的相關學科的科學研究和實踐教學提供支撐。

（5）植物表型平臺。基于“sensor-to-plant”理念設計的高通量植物表型平臺。利用溫室現(xiàn)有結構，安裝可以在溫室內自動化縱向移動的桁架平臺和在桁架上橫向移動的傳感器平臺。平臺上搭載先進的傳感器，實現(xiàn)對溫室內大批量植物的高通量表型測量。整套系統(tǒng)全部定制化設計，能夠滿足各種溫室、大棚環(huán)境需求，能夠搭載目前已知的絕大多數(shù)傳感器，為植物基因組學、生物信息學、植物逆境生理學、表觀遺傳學、植物精準育種等新學科，以及遙感、農(nóng)業(yè)自動化控制和生物系統(tǒng)工程等學科的發(fā)展提供支撐[8-9]。

（6）人工氣候室。干熱風災害模擬氣候室、霜害模擬氣候室、高溫脅迫氣候室、CO2梯度對比氣候室、常規(guī)植物氣候室等。人工氣候室因根據(jù)模擬的環(huán)境不同，要求不同，進行獨立設計。涉及的配套系統(tǒng)包括：恒溫恒濕系統(tǒng)、LED 補光系統(tǒng)、自然通風系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、內遮蔭二層保溫系統(tǒng)、防滴露系統(tǒng)、補溫系統(tǒng)、頂噴淋系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、苗床系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，是動植物研究相關科學最通用的設備和裝置，在涉農(nóng)學科的實踐教學中應用也最為廣泛[10]。

2.2 大田實驗區(qū)

大田實驗區(qū)是涉農(nóng)學科最重要的實驗和實踐教學基地，無論是與課程教學緊密相關的實驗教學，還是基于各類重大科研項目開展的前沿性實驗、實踐教學，都需要大田實驗區(qū)的支撐。大田實驗區(qū)包括兩個方面的建設。

（1）各類動植物生產(chǎn)標本園。建設作物標本園2 000 m2、蔬菜標本園2 666.4 m2、果樹標本園4 000 m2、茶葉標本園2 000 m2、蠶桑標本園1 333.2 m2、宿根花卉標本園1 333.2 m2、珍稀瀕危植物標本園666.7 m2、旱作實驗園5 332.8 m2、水田實驗園5 332.8 m2、學生勞動課實訓園2 666.4 m2等，支撐涉農(nóng)學科實驗實踐教學和非農(nóng)學科的部分勞動課實踐教學。

（2）農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)建設。農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)可以為農(nóng)作物新品種選育、植物基因資源的挖掘和功能鑒定等提供農(nóng)田水分養(yǎng)分以及各種大田環(huán)境信息的實時檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)各種教學和科研項目的需要提供大田水肥一體化的管理。核心設備采用的是我校自主研發(fā)的作物養(yǎng)分UAV 機載式光譜檢測儀和車載土壤養(yǎng)分動態(tài)檢測儀。該系統(tǒng)包括氣象信息監(jiān)測、車載土壤養(yǎng)分檢測、無人機機載作物養(yǎng)分光譜檢測設備。形成空天地一體化信息感知體系和應用系統(tǒng)。可在環(huán)境、作物、土壤信息在線感知基礎上，實現(xiàn)精準水肥一體化控制與環(huán)境預警應用，未來將涵蓋農(nóng)田病蟲害智能檢測和管理，為高水平的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供全方位支撐，同時也提升大田作物科學相關學科的實驗、實踐教學水平[11-12]。

2.3 教學展示區(qū)

教學展示區(qū)占地2 100 m2，包括標本館和智能農(nóng)機裝備實驗教學中心。其中標本館占地600 m2，可以滿足土壤、昆蟲、作物等標本教學展示。智能農(nóng)機裝備實驗教學中心1 500 m2，包括大型農(nóng)機裝備展示區(qū)、小型農(nóng)業(yè)機器人展示區(qū)、智能農(nóng)機裝備展示區(qū)、UAV無人機展示區(qū)、綜合農(nóng)業(yè)智慧化服務平臺等，滿足先進農(nóng)業(yè)機械裝備教學展示，支撐農(nóng)業(yè)機械化工程等學科發(fā)展和實驗實踐教學[13]。

2.4 濱水景觀實驗教學區(qū)

該功能區(qū)的建設內容包括水生植物園、農(nóng)業(yè)文化廣場、名人長廊、親水平臺、景觀小品等，既打造校園景觀亮點，又能滿足生態(tài)學、植物學、園林等學科實驗實踐教學，還可用于對中小學生開展植物及生態(tài)科普教育。

3 新農(nóng)科實踐教學基地的運作機制與管理模式

新農(nóng)科實踐教學基地建設已進入后期階段，將于2020 年底基本建成，主要運作和管理將由建設運行主體單位浙江大學農(nóng)業(yè)試驗站承擔。除了原有的實驗設施運作管理模式之外，建成以后的實踐教學基地在支撐“雙一流”學科建設和高層次人才培養(yǎng)方面要進一步創(chuàng)新運作機制和管理模式。

（1）要更加突出教學優(yōu)先、科研引導的原則。人才培養(yǎng)是我校建設世界一流大學的初衷和根本出發(fā)點。建成以后的新農(nóng)科實踐教學基地，要進一步加強與“農(nóng)業(yè)生物學國家級實驗教學示范中心”等涉農(nóng)相關學院實驗教學中心的互動與合作，充分發(fā)揮新基地支撐“雙一流”學科相關專業(yè)的本科生、碩博士生的課程實驗實習教學功能。設施設備和場地的使用以教學需求為優(yōu)先，教學科研一體化項目次之，然后再考慮國家重點科技計劃等純科研項目的需求。實際工作中，所有的重點科研項目均包含了不同程度的教學實驗實習內容，特別是前沿性重大科研項目需要碩士生和博士生的參與。而不斷提升實驗實踐教學的內涵，也需要前沿性、探索性科研項目為引導。但由于新基地位于校內，無法承載我校涉農(nóng)學科巨大的科研項目體量，所以在資源配置的實際運作中要更加突出教學優(yōu)先、科研引導的原則，必須保障本科實驗實踐教學主要在校內完成。

（2）要突出前沿性研究與產(chǎn)學研的結合。新基地的設計和建設中，預留了不少高科技產(chǎn)業(yè)化的空間和環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)試驗站可以與相關學科合作，引導學生積極參與或以學生為主，進一步研發(fā)出具有產(chǎn)業(yè)化價值的設施設備和特色農(nóng)產(chǎn)品，推進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。對有濃厚興趣的企業(yè)和國內外合作示范基地，可以新基地的某一設施設備、科研產(chǎn)品為基礎，結合校外示范基地的農(nóng)地資源優(yōu)勢、有關企業(yè)的資金優(yōu)勢和銷售渠道優(yōu)勢，進一步提升產(chǎn)學研結合的發(fā)展水平，為基地的長期發(fā)展拓展資源和空間。進一步加強對我校中非“華友剛果（金）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)”的指導，示范新基地研發(fā)成功的農(nóng)業(yè)新品種、新技術、新方法。

（3）要進一步加強國際交流和合作，全面提升基地支撐實驗實踐教學的水平。新基地建成以后，在若干設施設備方面可以與世界頂尖涉農(nóng)大學媲美，但在原創(chuàng)性人才培養(yǎng)的理念和方式方法上仍有較大的差距。農(nóng)業(yè)試驗站要通過走出去、請進來等多種形式，學習、借鑒和創(chuàng)新實驗實踐教學的理念、思路和教學模式。同時，要依托學科加強國際交流，引進國外頂尖人才參與到新基地設施設備的使用中，給予高水平國際合作項目使用新基地設施設備必要的優(yōu)先權，支撐涉農(nóng)和相關“雙一流”學科的前沿科學技術發(fā)展，全面提升基地支撐涉農(nóng)和相關“雙一流”學科發(fā)展及實驗實踐教學的水平，真正發(fā)揮新基地的設施設備優(yōu)勢和效用。