物聯網背景下作物種植和管理系統學科融合案例課程內容建設與探索*

牟向陽，宋衛海，張光騰，楊碩林

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

隨著新農村的建設，以及在中央大力倡導的脫貧攻堅與鄉村振興政策的支持下，農業形態發生了迅速的變化，科技興農的理念深入人心，農業裝備和農作物的種植管理迎來了巨大的發展機遇，需要將更多科技手段應用到農業種植和管理中，為鄉村振興插上騰飛的翅膀。

智慧農業有望改變現有的農業生產方式，促進農業發展，推動農業改革。但是由于我國智慧農業才剛剛起步，基層農村能夠熟悉物聯網技術、大數據方面的人才缺口很大，通常熟悉這些技術的人員對農學的了解很少，而熟悉農學的學生往往對這些新興技術又不擅長。因此，如何在農學專業中普及現代信息技術成果，為我國培養農業工程領域具有工程應用能力和創新實踐能力的綜合型高素質人才是智慧農業教學所要思考的關鍵問題，對實現我國農業的智能化、無人化、智慧化發展有著舉足輕重的意義。

目前，有部分農業院校開設了物聯網、大數據等專業，但是，在實施過程存在很多難以解決的問題，例如，天津農學院開設了農業物聯網技術相關課程，該課程主要為實踐類課程，授課對象為碩士研究生，沒有涉及應用型本科院校[1]，研究生的起點較高，數量相對較少，據走訪調研得知，相關專業碩士研究生畢業后很少會回到農村從事研發并進行工作。楊森等人提出的農業物聯網課程教學改革與探索——以農業院校為例，課程內容比較獨立，沒有將物聯網、大數據、云計算與農業種植知識很好地融合起來[2-3]，沒有提及具體的農業種植與管理案例課程建設。李世寶等人提出的“互聯網+”背景下無線通信原理課程案例庫的建設，沒有關于農業種植領域的相關案例[4]。

目前，為解決農業院校課程內容普遍存在的問題，精準培育農業科技人才，山東農業工程學院設計了作物種植和管理系統課程，該課程為案例課程，電氣工程及自動化、機械電子工程、機械工程、物聯網工程、農業工程專業的學生為授課對象，以實際案例貫穿整個授課內容。

1 作物種植和管理系統課程案例教學目標與內容

結合農業院校物聯網專業和農業專業的應用型人才培養目標，適應新時代創新性和綜合型人才發展的需要，促進多學科融合，緊跟我國“應用、融合、素養、減負”教育改革的步伐，提高學生綜合素養的教學思路，作物種植和管理系統課程案例旨在使學習者了解現代農業的最新政策、發展動態和發展趨勢，了解現代信息技術基本知識及其技術原理，掌握“互聯網+”時代農業裝備技術、農業科技創新基本知識、基本原理和基本技能，實現普及智慧農業信息技術知識、提升實戰能力的課程教學目標。改革傳統課程教學目標和內容，解構原有教學體系，重構多學科融合的教學內容，主要包括智慧農業基本知識、信息技術常識、環境/長勢監控——數據分析——遠程可視（含手機端）現場種植情況等內容，開發基于作物種植和管理系統典型案例、搭建柔性實踐教學與創新一體化平臺、綜合應用傳感器教學，將理論知識與真實案例結合，結構上劃分為三個大模塊，分別為智能控制系統設計、智能信息采集系統、視頻監控系統，每個大模塊又可以細分為多個小模塊，每一個小模塊就是一個教學案例。

課程的授課內容，既有作物種植技術、農作物病蟲害防治技術、節水灌溉，又有傳感器技術、數據采集技術、通信技術、云計算技術，主要講解作物種植技術，高效農業種植系統、精準農業管理系統結構、農業信息技術、農業傳感器技術、現代農業通信技術。課程案例來自于企業真實案例，是融合農業、物聯網、大數據、云計算的專業理論知識，構建了一門具有現代農業特色的實踐課程，實驗項目有可視化農業種植環境、作物管理系統、農業預警系統、云技術體驗、基于植物工廠環境因子數據采集系統、基于植物工廠環境因子無線通信系統[5]，如表1所示。

2 案例教學內容建設

我校一直以來鼓勵教師參與企業實踐項目，依據教師參與的企業實踐項目，將教師在企業項目中獲得的經驗、知識、技術應用到教學中，然后按照校企合作的辦學模式，引進企業真實項目，結合我校人才培養目標，對接教學項目與學生實踐課程凝練出六大課堂教學案例，在課堂教學活動中實施[6]，依托山東科大集團智慧農業示范園，山東綠躍川智慧農業發展有限公司、青島佳墾農業服務有限公司，山東農業工程學院智能溫室實驗實訓平臺，設置課程案例，實施實踐教學，進一步提升農業院校培育面向現代農業領域的綜合型專業技術人才的質量。

2.1 作物種植技術教學內容建設

根據農作物種植生產環境，搭建可視化農業種植環境，改進農作物種植生產方式。設置種苗種區和無土栽培區，包括作物育苗過程、種植技術案例，引導學生既要學習農業種植相關知識，又要進行親身實踐。還包括無線灌溉控制系統、智能氣象站、物聯網蟲情測報系統，開闊學生視野，激發學生對現代農業種植知識的好奇心，感受現代農業領域的基礎設施、系統架構、管理方式、種植技術、科技力量、高效生產等擁有核心競爭力的內容。

2.2 高效農業種植系統教學內容建設

根據農作物種植生產方式，搭建作物管理系統、農作物生長環境調控系統、農作物病蟲害防治系統，課程內容涵蓋了種植方式與植物生產技術、主要病蟲害及防治知識、管理技術等案例。引導學生自主學習智慧大棚控制系統，親身實踐遠程獲取農作物種植環境的溫濕度、土壤或營養液的酸堿度、二氧化碳濃度、光照強度等實時數據，利用信號分析與處理的知識，通過大數據對獲取的數據進行分析，構建系統模型，可以自動控制溫室濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備；同時，還可以通過手機、觸摸屏、計算機等信息終端向管理者推送實時監測信息、報警信息，實現現場環境的信息化、智能化遠程管理。可減少人工成本，實現無人值守，精準調控，有效規避生產風險。

2.3 精準農業管理系統結構教學內容建設

利用電工電子技術、光通信技術、智能控制技術、無線傳輸技術、無線組網技術搭建農業預警系統。該系統包括農作物信息處理技術、節水灌溉系統、農作物網絡監測平臺三部分案例，引導學生學習農業環境作物的信息采集與處理、農作物數據傳輸、數據分析、農作物智能節水灌溉等知識和技術，實現園林、果園、農業、林業、牧業等領域作物信息分類統計、實時報傳、遠程檢測、灌溉預警和防治指導的自動化、智能化。

2.4 農業信息技術教學內容建設

從實踐出發，現場演示并讓學生體驗云技術，通過農業信息技術的重要應用等案例，凝練出信息處理技術常識、大數據基礎知識、云計算技術，引導學生了解和掌握Hadoop平臺搭建、虛擬化技術、海量數據分布式存儲技術，掌握并施行編程模式及其程序的實現。結合案例教學使學生了解和體驗幾個經典的云計算案例，如Google、Amazon，Openstack等云計算平臺，掌握典型虛擬機調用算法實現，掌握云計算的體系結構。

2.5 農業傳感器技術教學內容建設

課程內容結合智慧農業傳感器技術，以現代農業傳感器的應用為案例，搭建基于植物工廠環境因子數據采集系統，涵蓋傳感器技術、設施農業傳感器技術、種植環境數據采集技術；以典型傳感器應用為案例，學習現代農業傳感器的應用、信息采集方式、體驗采集技術及成果，以實時采集新型智能大棚環境因子等參數為案例，對采集的數據進行量化和可視化，指導農戶對溫室進行監測，通過手機或電腦可以在家中、異地，及時了解溫室作物的生長狀況，智能提醒其澆水、除草、開窗等處理，實時觀察溫室的動態，避免了傳統種植中收成靠天、靠人的弊端。讓學生了解溫度、光照、CO2濃度、土壤濕度等參數對現代農業的重要影響以及現代農業與傳統農業的差異，激發學生學習新知識，掌握現代農業傳感器在農業工程中的應用。現代農業傳感器種類，如表2所示。

2.6 現代農業通信技術教學內容建設

利用物聯網技術（IoT）在設施農業數據采集案例的基礎上，學習傳感器節點的分布式布局，通過節點間自組網的通信方式，搭建基于植物工廠環境因子無線通信系統，了解現代農業物聯網的通信架構，掌握ZigBee技術、藍牙技術、WiFi等本地無線通信技術及應用，以及4G/5G等遠程通信技術[7]。

ZigBee通信案例硬件采用ZigBee CC2530設備，搭建本地局域網，包含一個協調器，多個節點。協調器布置在遠程控制中心，本地分別安裝溫度、濕度、二氧化碳、光敏、酸堿度等傳感器，每個傳感器與Zigbee模塊形成一個網絡節點，組網方案通過協調器配置多個傳感器節點加入，然后按照采集策略獲取所屬傳感器數據。

藍牙串口通信案例硬件采用HC-O6-M主機通信模塊，每個傳感器配置HC-06-S模塊，讓學生通過AT指令修改模塊為從機作為一個從節點，然后將串口轉換為藍牙通信，獲取環境數據，從而使學生掌握藍牙通信技術和AT指令。

利用移遠公司的EC20 4G模塊，連接移動互聯網，將傳感器采集的數據及設備運行狀態實時傳輸到控制器，通過控制器及平臺軟件實時感知環境信息和設備狀態，實現作物種植環境數據采集和遠程監測功能，讓學生了解4G模塊的工作原理、掌握通信方式、工作特點、4G入網技術、LTE協議，采集系統架構圖如圖1所示[8]。

圖1 采集系統架構圖

3 農業物聯網技術課程案例教學方法設計

作物種植和管理系統課程教學以項目驅動，采取任務分解的教學模式，每個任務融入PBL教學模式，在理實一體化的物聯網工程實驗室進行，使學生完成理論+實踐的學習。授課教師全部是具有豐富企業實踐經驗的雙師型教師，以教師為主導、學生為主體，通過完成一個完整項目進行教學活動。利用課前設置引導預案，設置問題，學生提前預習理論知識點，課中先分組討論，再通過講練結合掌握理論知識和實踐技能，課后發布案例視頻，鞏固理論知識，補充案例作業，充分利用校企合作的實驗實訓平臺，鍛煉實踐技能，逐步實現學以致用的教學目標。

4 結束語

綜上所述，跨學科課程建設打破了學科界限，可以吸引不同學科教師互助與合作，組建教學與科研團隊，建設優質課程，有利于教師的發展提升，打造專業發展共同體。

案例課程能夠讓學生直面現實情境下的真實問題，能夠幫助學生明晰作物種植和管理的知識以及學習物聯網、大數據、云計算技術的意義，主動提高學習興趣。參與案例實踐的過程，使學生具有解決問題、提高思維能力的意識，以及綜合應用各種知識、技術、工具解決實際問題的能力。

項目化的教學模式將在項目的研究與開發中培養項目思維，讓學生以更高、更廣、更多的視角去學習知識，分析問題，總結意見，聯系實際，得出結論，最終提升學生的綜合素養，達到學生工農兼修，學以致用，全面發展的目的。

通過以上探索分析可以看出，為實現農業院校學科交叉融合的目標，案例教學具有不錯的效果。不同學科間橫向協同，借助校企深度合作，對原有單一學科課程進行了重新設計，開發了一門作物種植和管理系統案例課程，改變了傳統單一學科的教學模式，并在實際教學中進行了初步應用，效果明顯，后續將在全校范圍內推廣，融合物聯網、農學專業的跨學科課程內容建設，對提高農業工程領域人才培養質量具有重要意義。