新農科背景下大學物理緒論課設計與實踐*

李忠秀 王建波 李 萍

(江西農業大學工學院 江西 南昌 330045)

2019年6月28日，《安吉共識——中國新農科建設宣言》中指出：“開創農林教育新格局，走融合發展之路，打破固有學科邊界，破除原有專業壁壘，推進農工、農理、農醫、農文深度交叉融合創新發展[1]”.新農科建設強調整體思維和系統認知分析，用現代生物技術、信息技術、工程技術等現代技術改造提升現有涉農專業，布局新建智能農業，業已成為新時期農業高校教育教學改革的重要方向[2,3].對比這一新要求，我國現在的普通高校課程設置和教學上普遍存在重專業教育輕通識教育，學科交叉融合欠缺，造成學生理論基礎薄弱，運用現代科學技術的能力不足等問題[4,5].

大學物理作為涉農專業的一門學科基礎課程，對培養理論基礎深厚、視野開闊、知識結構完整、創新能力強、綜合素質高的現代農業領軍人才，起著重要的支撐作用.而緒論作為開宗明義、提綱挈領的第一課，教學成功與否將直接關系到學生對大學物理課程后續內容的學習興趣和重視程度.本文在“新農科”建設的大背景、大趨勢下，為加強學科交叉融合，進一步提升大學物理課程對涉農專業起到應有的支撐作用，以“精準農業”這一國家發展戰略為主線，介紹其中涉及的相關現代技術問題，挖掘背后隱含的物理學原理，使大學物理教學內容與學生專業知識交叉融合，以期增強課堂教學效果，提高學生學習大學物理課程的積極性.同時，適時介紹國內外的發展現狀和我國發展“精準農業”的必要性和緊迫性，激發學生獻身農業和科技報國的熱忱，培養愛國主義情懷，使大學物理課程與思政同向同行，形成協同效應.

1 精準農業系統簡介

精準農業(Precision Agriculture)是現代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術與農業生產深度交叉融合的一種現代農業生產形式，是一項復雜的、綜合性極強的系統工程[6].一般來說，精準農業技術由10個系統組成，其中遙感檢測系統(RS)和全球定位系統(GPS)分別獲取農田環境信息和地理位置信息，環境檢測系統可準確實時地對監測區域內的溫度、濕度、光照度等農業環境信息進行快速、可靠的遠程采集和傳輸；農田信息采集系統接收來自RS和GPS的信息與農田地理信息系統(GIS)共同完成農田信息數據處理、管理和分析；決策支持系統(DSS)和農業專家系統(ES)是決策形成支持系統的核心；決策的田間實施則由智能化農機具系統完成；再加上系統集成網絡化管理系統和培訓系統，構成了精準農業技術體系的基本內容，其中又以“3S”(即GPS，GIS，RS)技術為核心.

2 基于精準農業技術的大學物理緒論課設計與實踐

教學實踐中，緒論課一般安排2個課時，教學對象為農學、農業機械化及其自動化、農業資源與環境等專業，涉及近千名學生.通常大學物理緒論課的目的是要解決為什么要學、學什么、怎樣學這幾個問題[7,8].在解決前兩個問題時，引入與涉農專業緊密關聯的國家在農業領域重點推動的精準農業技術為組織線索，闡明蘊含的相關物理理論，對即將學習的大學物理課程內容做出概括，勾勒出力學、熱學、電磁學、光學、近代基礎物理(相對論、原子和量子部分)框架.對于涉及的這些物理理論相關點做一簡單介紹，不需深入展開，目的是讓學生清楚大學物理與其專業的關聯和對后續專業課程學習的重要性，引起學生對大學物理課程的重視，把學科交叉融合的理念進行“潤物細無聲”的滲透.授課方式以PPT課件、小視頻、圖片等為信息載體，教師講述、引導、設問，學生回答，進而討論互動.

限于篇幅，本文僅給出部分講稿與課件以作交流.表1列出了與本課相關的“精準農業技術和關聯的物理知識”.

表1 精準農業技術系統及關聯物理學知識

首先對大學物理課程簡略介紹，說明本節緒論課的思路.引入圖1講解精準農業概況.

圖1 現代精準農業體系

(1)我國和發達國家在精準農業方面的進展和差距(美國已有80%以上的農場采用了精準農業技術，我國數字經濟對農業的滲透率只有6.5%[9])，說明發展潛力巨大且任重道遠.

(2)我國已經具備發展精準農業的基本條件(北斗衛星系統、國產超圖GIS軟件、試點探索——新疆兵團農業).

(3)精準農業是中央決策方向和國家戰略部署，是未來的農業發展趨勢. 使學生了解在農業領域可以大有可為，大有作為，也讓學生們明白形勢逼人，事業催人，增強學農、興農、愛農的責任意識.

圖2幻燈片展示了全球定位系統(GPS)的組成、定位原理.

圖2 全球定位系統(GPS)

首先向學生介紹GPS在精準農業系統中的作用和地位， 精準農業要求精確定位作物和土壤的水、肥、土、長勢和病蟲草害等要素的空間分布，自動導航田間作業機械，以實現變量施肥、灌溉、噴藥等作業.GPS可以快速準確地提供大量常規手段難以獲取的研究區域內上述農業資源空間定位信息，是精準農業實施的關鍵技術和先決條件.目的是讓學生了解GPS這一現代科學技術產物和農業發展息息相關，引起學生的關注和興趣.然后結合衛星軌道圖和定位圖，提出問題：GPS如何定位地表某一位置？衛星軌道怎么確定？運轉速度有什么要求？由此引出運動學中相關概念并加以簡略介紹，如坐標、速度、加速度、運動軌跡等.GPS系統要求各個衛星上的原子鐘應該同步.若要導航誤差小于1 m，鐘的走時與理想同步偏離不能超過4 ns，穩定性應優于10-13，而狹義相對論引起的鐘頻變慢效應、引力藍移引起的鐘頻變快效應均在10-10數量級[10].為了讓不同衛星上的時鐘保持同步，就必須考慮相對論效應，關于狹義相對論初步知識以及原子鐘所利用的能級躍遷原理我們將在近代物理部分有所涉及.

圖3幻燈片為我國自主建設、獨立運行的北斗衛星導航系統，預計2020年實現全球組網，可提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，精度達到厘米級.通過講述北斗系統這一國之重器的建設原因、發展歷程及其政治、經濟、軍事意義，弘揚和激發學生的家國情懷、愛國熱情和報國志向.達到大學物理課程教學與思政教育的有機統一(筆者講述的1993年“銀河號”事件，引起了學生的強烈共鳴).

圖3 北斗衛星導航系統與“墨子號”量子衛星

遙感系統(RS)如圖4所示，可運用遙感技術裝備接受、記錄目標物電磁波特性、光學特性及熱學特性.精準農業的實施需了解農作物長勢、病蟲害、養分、土壤水分含量和分布等信息，這些信息都源于監測對象的輻射波長，而輻射波長又與溫度相關.比如植被種類、土壤的光譜效應發生的光譜段為0.63～0.69 μm的紅光波段，植被、生物量和作物長勢監測的光譜段為0.76～0.90 μm的近紅外波段，土壤濕度與類型、植物含水量則在1.55～1.75 μm的近紅外波段.這些內容與大學物理中的光學、電磁學、熱學等知識點緊密關聯.在此向學生提問，電磁波在大氣中傳播時發生的反射、折射、透射、吸收等現象的規律如何？地球作為溫度為300 K的黑體，輻射特征和輻射規律是怎樣的？在此需向學生點明：本課程雖然不能完全解決這些問題，但我們將要學到的物理理論是解決這些問題的基石，縱觀自科學發展史，從放射性發現到核能利用，從晶體管效應到半導體電子工業的發展，從受激發射理論到激光在制造業、通信、國防、醫學的發展，每一次應用技術的革命都源自物理理論的突破，從而傳遞理論和應用實踐是相輔相成、不可截然分割的整體這一唯物主義辯證法觀點，提升學生的科學素養和科學精神.

圖4 遙感系統(RS)

3 結束語

本文針對涉農專業學生，在大學物理緒論課中，以“精準農業”為主線，闡明了大學物理學課程對其專業的支撐作用，使得大學物理教學更生動、導向性更科學，學科交叉性更鮮明.實踐結果表明教學效果良好，有利于學生對整個物理理論體系的理解，有助于培養學生打破固有思維、實現理論和方法的交叉創新能力，在一定程度上提高了學生們對這門課程的重視度和學習極積性.