基于物聯網技術的高職蔬菜生產技術課程改革與實踐

張靜 王奎萍 李麗 劉萍 褚軍 薛薌

摘 要：依托揚州市職業大學校內實訓基地的物聯網系統，從課程標準、教學內容、教學方法與手段、實踐教學等方面探討了高職“蔬菜生產技術”課程的教學改革與創新。通過改革提升了學生的專業興趣，激發了學習的主動性，增強了學生的專業技能，課程的教學質量和效果提升明顯。

關鍵詞：物聯網;蔬菜生產;課程改革

中圖分類號 G434 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）24-0130-04

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，農業物聯網是物聯網技術在農業領域的應用，是通過應用各類傳感器設備和感知技術，采集農業生產、農產品流通以及農作物本體的相關信息，通過無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網進行信息傳輸，將獲取的海量農業信息進行數據清洗、加工、融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現農業產前、產中、產后的過程監控、科學決策和實時服務。農業物聯網可以實現農業環境的遠程監測和控制，從而實現農業管理的智能化、集約化、高效化，是實現農業現代化的關鍵技術之一[1]。

蔬菜生產技術是高職園藝技術專業的核心課程之一，在園藝專業人才培養中發揮重要作用。該課程主要研究蔬菜的生長發育和產品形成規律及其與環境條件的關系，并探討實現蔬菜持續高產、優質、高效的栽培理論和栽培技術[2]。目前該課程的課程改革集中在SPOC教學模式創建、實踐教學探索、“互聯網+”在蔬菜栽培學教學改革與創新中的應用、課程研究型教學模式的探索與實踐等方面，而將物聯網技術用于該課程的教學改革與實踐未見報道[2-5]。揚州市職業大學承擔了2018年江蘇省現代農業產業項目——基于物聯網的現代設施園藝生產與示范，校內的實訓基地新建了現代物聯網系統，以此為依托，筆者從2020年開始在本校18級、19級學生中開展了兩輪基于物聯網技術的蔬菜栽培學課程改革實踐與探索。

1 蔬菜生產技術課程及其教學現狀

蔬菜生產技術課程面對園藝技術專業二年級學生開設，先后經歷秋、春2個學期，前導課程是植物及植物生理、植物生長環境、農業基礎化學，同期開設課程有園藝植物保護、設施園藝等課程，要求學生綜合運用前面所學的知識進行蔬菜植物的生產與管理，是一門綜合性、實踐性、應用型很強的學科。蔬菜栽培技術教學分為理論和實踐兩大模塊。理論教學內容有蔬菜的理論基礎知識和基本技能，包括蔬菜的分類、生長發育及播種、育苗、田間管理技術等（即總論）;以及各類蔬菜栽培技術（即各論），包括白菜類、根菜類、蔥蒜類、薯芋類、茄果類、瓜類、豆類、綠葉菜類等，涉及蔬菜種類多，因為課時的關系，無法一一具體講授。實踐教學分為課程實驗實訓和實習，實習一般是一段時間內（1～2周）集中性的蔬菜生產技術的體驗，安排在校內外的實訓基地;而實驗課實訓課安排開設不同蔬菜從種子到收獲的實際生產栽培管理項目。如番茄設施育苗技術實訓，播種時間是冬季12月（揚州地區），苗期為3個月，歷經寒假，故該實訓項目無法開設;同樣因為暑假的原因，很多蔬菜的越夏栽培生產管理無法進行，這些實訓相關項目無法開設。

農業生產受氣候等環境因素的影響較大。有些田間實訓項目的開展，如果遇到下雨等惡劣氣候條件會延期，就錯過了生產管理的最佳時期。校內實訓基地因為空間有限，種植的蔬菜種類和數量受限，導致學生的實踐項目開設受限。

教師在進行蔬菜生產技術課堂講授時，雖然借助于教學課件、視頻、微課等資料，也進行了情境式、啟發式、探究式等多種教學方法的嘗試，但現有的教學方式由于教學手段和教學資源的匱乏，有些學生依然改變不了對于農業“臉朝黃土背朝天”傳統認識，在一定程度上對學習缺乏新鮮感，專業興趣不濃，對學習缺乏必要的主動性。鑒于此，采用創新的教學手段來提高學生的專業興趣，促進學生自主學習，提高課程的實踐效果，刻不容緩。

2 基于物聯網技術的蔬菜生產技術課程改革的意義

2.1 物聯網系統及其功能 揚州市職業大學校內實訓基地在露地生產區和玻璃溫室區安裝了物聯網系統，通過溫室內部署的各類無線傳感器（空氣溫濕度傳感器、土壤含水量傳感器等）等，可以用來監測溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度、CO2濃度等環境參數，實現自動采集農產品生產環境因子數據的功能。其次在溫室內安裝了各類控制器（如智能照明控制器、苗床水泵控制器等）、物聯網環境監測控制平臺、生長管家系統（可視化運程監控系統模塊）等，師生可足不出戶遠程控制溫室設備，進行溫室內的電動卷簾、智能噴水、智能通風的操縱，實現整個溫室設備隨環境參數變化進行智能調控、多因子智能調控、遠程批量管理、定時任務等。安裝的視頻監控系統可實現師生對植物生長情況的實時監控。同時溫室內的采集傳輸設備，將玻璃溫室的傳感器數據、設備控制指令數據等傳輸到Internet上與云平臺服務器交互。開發的手機端App（耘管家）實時同步云平臺數據，師生通過耘管家隨時隨地查看溫室的環境參數及報警信息，進行植物生長過程中的溫度、水分、光照、病蟲害防治等管理;也可遠程自動控制溫室環境設備，如自動灌溉系統、風機、頂窗等。

2.2 課程改革的意義 運用農業物聯網技術的實時監測、遠程控制、數據傳輸、查詢、無線網絡數據共享等功能，將溫室內植物生長影像、數據等信息與教師、學生的電腦、手機App相連接，使教師和學生在課堂和課后可以隨時隨地監測植物的長勢、溫室的生長環境以及其他相關指標，從而解決了農業栽培類課程在教學時間和空間上的限制，擴大了植物學習的種類和規模，提高了學生自主發現、分析、解決實際問題的能力，提高了學生的農業信息化水平和園藝植物生產栽培及管理技能。利用農業物聯網的大數據平臺，解決了校內教學資源有限的問題，極大地拓寬了學生的視野，增加了學生的知識面，為學生今后的擇業、就業提供了理論和實踐基礎。此外，還為教師的科研提供了便利條件，從而進一步深化“產學研”合作，促進專業發展。

借助農業物聯網技術進行農業生產的精準化管理、遠程化和自動化管理，極大的減少了現場作業管理的工作量[6]。國家、企業對農業物聯網的發展投入了大量經費和資源，目前該資源主要用于生產環節，其他方面的利用還有待深入開發。將先進的物聯網技術利用于職業院校人才培養中，成為教學資源，并用于農業農村實用技能型人才、新型職業農民的培養，不僅大大提高了農業物聯網資源的利用效率，而且對本地區農業信息化、農業自動化、農業智能化管理水平的提高，乃至于推動地區智慧農業發展、促進農民增收都有重要的實踐意義。

3 基于物聯網技術的蔬菜生產技術課程改革與實踐

3.1 制定課程標準 根據園藝技術專業人才培養目標的要求，結合就業崗位（蔬菜生產公司和現代化園藝場技術員和管理者）的任職要求及農業技術員的技能要求，并結合本校的實訓條件，以及蔬菜生產技術的課程體系與結構，調整并優化課程的培養目標為“培養與現代園藝發展要求相適應的、掌握農業物聯網技術的、具有從事蔬菜生產行業實際工作的綜合職業能力和全面素質，能在蔬菜生產企業生產、建設、管理、服務部門從事園藝專業相關工作的高素質技術技能人才”。課程培養突出蔬菜植物現代化生產及管理能力，以實現農業的智能化、自動化、信息化、現代化。

3.2 調整教學內容 本課程總學時數為128，分2學期進行，每學期理論學時為40，實踐學時為24。調整分為以下幾個方面。第一，在有限的課時數下，教學內容各論部分，宜選擇講授江蘇省栽培面積較大、市場占有率高、人民消費比較多、在國民經濟中地位相對重要的根菜類、白菜類、茄果類、瓜類、豆類、綠葉菜類等幾個類別蔬菜，而對蔥蒜類、水生蔬菜、薯蕷類、多年類蔬菜等幾個類別只能提供一些資料，以學生自學為主[2]。在同一類蔬菜中，講授也有詳略，如瓜類重點講授黃瓜、西瓜和絲瓜生產，其他如苦瓜、甜瓜、南瓜生產安排學生課后自習。豆類講授長豇豆和菜豆，菜用大豆略講或安排學生自學。對于某一種具體蔬菜，因為其起源、營養價值、植物形態結構等生物學特性都屬于不變的固化知識，易理解，可以微課的形式讓學生自學視頻，而具體的栽培管理技術和茬口安排因環境而異，屬于難理解的知識點和實用技能，需要教師重點進行講解、討論和開展實踐應用。如茄果類這一章節，以前是按照順序逐一講解番茄、辣椒、茄子，可調整為講解這類蔬菜的栽培通性，重點講解番茄的栽培技術，然后講解辣椒、茄子與番茄栽培管理技術的差異。通過比較、分析、對比，更易于學生對茄果類蔬菜的栽培技術的掌握。第二，增加農業物聯網技術在現代設施蔬菜生產中的應用的講授，以學校實訓基地物聯網系統為例，介紹物聯網系統主要設備及其功能，并開展運用物聯網技術在蔬菜生產中的應用探索。如教師在講授溫室瓜類蔬菜的人工授粉問題時，課堂上可以即時打開耘管家，師生觀察同一玻璃溫室內黃瓜和甜瓜的開花結果特性、雌雄同株異花的花器特點，在沒有進行人工授粉的前提下，結果期黃瓜掛果率明顯高于甜瓜，引導學生分析原因，得出溫室黃瓜不需要人工授粉，因其具有單性結實的能力，而溫室的甜瓜必須通過人工授粉才能高產優質。學生可繼續追蹤觀察蔬菜植物的生長發育，這種實物影像資料的對比，生動形象，學生印象深刻，教學效果明顯。第三，重點講授不同茬口蔬菜的設施栽培技術，包括品種選擇、育苗、定植、定植后生長期管理（水肥、植株調整、病蟲害防治等）、采收，露地栽培技術略講。因為如今市場上的蔬菜種植大戶為了取得更多的經濟效益，普遍以設施栽培為主，以使蔬菜反季節上市，或者早上市，“物以稀為貴”從而獲得更高的單價。設施栽培成為蔬菜的主要栽培形式，如西瓜塑料大棚春早熟栽培、黃瓜日光溫室冬春茬栽培、茄日光溫室冬春茬栽培等。第四，注重將該課程領域的研究動態、生產上的新技術與教學內容結合，不斷更新內容，確保教學內容與技術革新同步，改善教學效果，提高教學質量。

3.3 運用多種教學方法與手段，提升教學效果 堅持“以學生為主體，以教師為主導” 靈活運用多種教學方法與現代教育技術手段，改變傳統的教學模式與方法，激發學生的興趣與學習主動性。互聯網時代，學生獲取專業知識的來源很多，借助更多樣化的學習平臺，如學校在線開放課程平臺（超星學習通）、中國大學MOOC（慕課）-國家精品課程在線學習平臺、網易云課堂和農技類APP公共服務平臺等，借助信息化技術手段，獲得課程對應的教學視頻、微課、素材圖片等資源，極大拓寬了學生的視野和知識面。另外教師可以利用平臺發布課程討論，師生通過QQ、微信等社交平臺，隨時互動交流，實現學習過程中的問題反饋。教學中以問題為導向，結合生產中遇到的問題或典型生產案例，讓學生分組討論，鼓勵學生查找資料，歸納總結相關知識點，提出解決方案并在課上匯報，然后師生分析、討論，引導學生觀察和思考生產實踐問題，然后運用所學理論提出解決問題的辦法，達到學以致用的教學目的[7]。在解決問題的過程中，學生的團隊意識增強、語言表達能力、與人合作、溝通能力、解決問題的綜合職業能力都得到了提高。

3.4 基于物聯網技術，開展實踐教學改革 蔬菜生產技術課程實踐性非常強，沒有實踐教學的培養過程，學生很難理解和掌握這門課程知識內容，更談不上專業技能的培養[3]。以往的實踐項目開展受氣候、時間、空間的限制，而依托現代農業物聯網技術，一些實踐項目的開展可以跨越時空，突破課時和課堂的限制。如寒暑假學生依然可以在家使用耘管家，利用物聯網系統的的視頻監控功能，觀察校內實訓基地蔬菜植物的生長發育情況，調取并查看溫室的環境參數數據，繼而遠程實現對溫室的操控（自動化灌溉、遮陽網開啟、補光燈開啟等）。植物的栽培管理不會因為假期而中斷，學習過程也連貫起來。

2020年春季學期因為新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，全國所有的高校響應教育部“停課不停學”的號召，紛紛轉為線上教學。以本課程為例，蔬菜植物的播種及等生長期管理（施肥、澆水、植株調整等）這些實踐項目，通過在本校園藝技術專業2018級、2019級2屆學生中開展的2輪實踐，筆者基本形成了特殊時期基于物聯網技術的蔬菜生產技術課程線上實踐教學方案。

第一，對于一些驗證性實踐項目，即學生通過觀察蔬菜植物的生長發育特點來達到對于理論知識的掌握，可以借助物聯網的視頻監控系統（海康威視400萬像素的全景攝像頭，360度旋轉，放大倍數32），師生在App手機端或者電腦端完成觀察，通過調節監控攝像頭的角度來確定觀察對象，調節放大倍數來提高觀察的清晰度。以“基于物聯網技術的白菜類蔬菜生育周期診斷與觀察”實踐項目為例，教師首先登錄臺式電腦超星直播客戶端，使用屏幕共享功能，然后電腦上打開海康威視視頻監控軟件客戶端（iVMS-4200），調節攝像頭對準學校實訓基地露地區生長著的越冬小白菜、大白菜、甘藍、花椰菜植株，進行遠程觀察，屏幕上獲取的這些白菜類蔬菜花期的鮮活圖像，被各地的學生實時同步觀察，教師同步講解白菜類蔬菜植物的花期形態結構等特點，引導學生對其進行分析和觀察，判斷其所屬生育周期，課后布置作業，安排學生線下觀察身邊的各種十字花科蔬菜實物花期特點，也可自行登錄耘管家進行觀察，并追蹤其后續發育（開花-授粉-結果等），以加深對白菜類蔬菜生育周期的認識，并能根據其生物學特點判斷其所屬生育時期。按此方法開設的項目還有基于物聯網技術的蠶豆形態特征觀察、茄果類蔬菜分枝結果習性觀察、瓜類蔬菜分枝結果習性觀察、豆類蔬菜開花結果習性觀查等。這類線上實踐項目開設的前提是校內實訓基地種植區有實物蔬菜種植，在教師無法返校的前提下，蔬菜的日常管理依靠基地的實驗員老師，這種方法授課，上課時種植基地現場不需要人員配合。

第二，對于一些需要動手操作體驗的實踐項目，如“基于物聯網技術的瓜類蔬菜定植技術”，借助與超星直播客戶端和iVMS-4200，校內實訓基地由實驗員老師現場定植黃瓜苗，線上教師利用物聯網系統的視頻監控系統，調節攝像頭的焦距，師生實時對黃瓜苗定植過程的技術細節進行遠程觀察，教師線上同步講解定植過程中的技術要領和注意事項，師生互動討論。開設的類似實踐項目還有基于物聯網技術的茄果類類蔬菜定植技術、露地茄果類蔬菜生長期管理技術（包括整枝打杈、搭架等植株調整技術、除草、施肥、澆水等）、露地瓜類蔬菜生長期管理技術（包括黃瓜的搭架、吊蔓、綁蔓，西葫蘆的人工授粉等）、溫室甜瓜植株調整技術等。這類線上實踐項目開設的前提是，上課時種植基地現場需要實驗員操作配合，學生觀察其操作來掌握技術要領。

第三，疫情期間，依托物聯網系統，線上開設一些綜合性實驗和設計性實驗。以“基于物聯網技術的瓜類蔬菜生產解決方案”為例，線上教師利用實訓中心已裝物聯網系統的視頻監控系統，抓拍2020年4月上旬不同時期實訓基地溫室內黃瓜的生長圖片，讓學生分析黃瓜生長是否異常，有同學發現黃瓜植株出現了“花打頂”現象。然后以這個問題為導向，讓學生分成若干小組，以學生為主體，教師引導，通過分組討論、查閱資料、得出黃瓜“花打頂”原因之一是夜溫偏低，晝夜溫差過大，雌花形成過多，對植株營養生長產生抑制。此時引導學生調取近1月內物聯網系統環境因子監測數據，進行討論并分析，其中分析氣溫數據時發現，半月前恰逢3月底，黃瓜進入花芽分化期，揚州經歷了7d的極強冷空氣（倒春寒），凌晨的最低溫度達到0℃，中午最高溫度達到15℃，晝夜溫差為15℃，出現了“花打頂”，并進一步提出生產管理遠程指導解決方案。通過生產典型案例的分析，提高了學生綜合運用物聯網技術進行現代蔬菜生產管理的能力，學生不僅對物聯網系統的強大功能有了深刻認識，農業信息化水平得到了提升，而且增強了對所學知識的理解，提高了歸納總結能力，生產問題的順利解決，自我認同感大增，同時實現了與生產的銜接，為后續的頂崗實習、就業打下堅實基礎。類似線上實踐項目還有基于物聯網技術的茄果類蔬菜生產解決方案等。

疫情期間，學生借助物聯網實現了對于學校實訓基地蔬菜植物的觀察與管理，這種遠程的教學與生產操縱，具有很大新鮮感和震撼力，同學們感嘆于農業的現代化，并表現出濃厚的興趣，專業的學習熱情濃厚，主動性增加。以上依托物聯網進行的線上實踐教學項目，在非疫情時期也可以在線下正常進行，應用場景為遠程教學，如教師出差，或者學生因某種原因不能到校等。

積極開設基于物聯網技術的創新性試驗和綜合性試驗，創建開放式實驗教學體系。如教師設定大方向主題為“基于物聯網技術的現代設施園藝生產技術與示范”，學生根據方向查閱資料，設計主題試驗，試驗思路，確定研究對象（某一類具體蔬菜），制定試驗內容或者方案，教師進行過程和結果考核。試驗開展的形式可以是課程實訓、課程設計、畢業論文設計、學生頂崗實習、課程的集中生產實訓等綜合應用類實驗實訓。通過這種方式，培養了學生的科研思維，極大地提高了學生的綜合能力。

4 結語

農業高職教育必須適應時代和社會進步的要求，才能培養適應我國現代蔬菜生產的農業創新性人才。物聯網技術是“互聯網+農業”的重要體現形式，也是農業現代化的一項重要標志[6]。依托本校的物聯網系統，通過制定課程標準、調整教學內容、改革教學方法與手段，實施了基于物聯網技術的實踐教學改革，極大地提升了學生的專業技能、專業興趣和學習的主動性，提高了課程的教學質量和效果。一門課程的教學改革是一個長期開發、不斷完善的過程，在今后的教學過程中，應根據蔬菜行業的發展，緊跟行業熱點，專注行業發展前沿，根據新型職業農民的具體要求，不斷完善課程改革，以切實提高園藝技術專業的人才培養質量[7]。

參考文獻

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[6]朱琳琳.物聯網技術在蔬菜生產中的應用[J].中國果菜，2018（11）：54-56.

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（責編：王慧晴）