系統工程設計思維視域下的智慧農業教育
——以智慧蔬菜大棚為例*

何珍麗，蔡叢聰，李秋石*

（1.河北師范大學 生命科學學院，河北 石家莊 050024；2.河北師范大學 教師教育學院，河北 石家莊 050024）

2021年中共中央、國務院發布《中共中央 國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》，文件指出為促進我國智慧農業大力發展，需大力培養農業科研創新、技術推廣人才，以及農業產業化龍頭企業帶頭人，為發展智慧農業提供必要的智力支持。

智慧農業是農業發展的新業態，是進一步解放生產力、激發農業轉型的內生動力。它包括智慧科技、智慧生產、智慧組織和智慧生活等多個部分，以智慧生產為核心，運用集成應用傳感和測量技術、計算機網絡和通信技術、智能技術及自動控制技術等，實現農業生產過程的自動運行，農業管理過程的智能控制，農產品物流運輸的系統化管理，農產品銷售的電子交易，精細化、智能化、集約化、科學化生產促進農產品提質增效，使傳統農業更具有“智慧”。[1]

目前，我國各高校開展的智慧農業教育，更多的指向勞動，而忽視了學習者的高級思維培養。教育內容以及教育形式單一，主要圍繞傳統的農業知識和技術，側重于前期技術指導，缺乏后期的產品加工、營銷等環節，缺乏農業生產經營管理和電子信息化的復合型人才，農業技術人員存在較大缺口，尤其是高職稱、高層次的農業人才，特別是忽略了職業農民整體素質的提高，高素質農業人才匱乏已成為困擾我國智慧農業發展的重大難題。[2]

因此，亟需探索智慧農業教育實施策略，來培養一批具備較高農業素養、懂得智慧農業技術、會經營智慧農業產業、善于智慧農業生產管理等全面發展的農業人才。

1 系統工程設計思維視域下的智慧農業教育

1.1 系統工程設計思維

設計是用來解決問題的，包括同心理、定義、創想、原型化和測試五個階段。[3]系統工程設計思維是系統化的工程設計思維方式，可以理解為以全局觀進行工程設計，要求以人為本，全面系統地考察與設計方案相關的各種因素，創造性地對習慣性的思考方式和外部世界進行關聯，利用各種技術手段實現系統各要素的有機結合，達到工程設計產品最優的目的。

它有以下特點：（1）綜合性。注重各部分特征的聯系。（2）以人為本。通過移情感知了解真實需求。（3）情境性。倡導通過與現實問題的聯結來促進人們完善知能結構。（4）迭代性。強調重復反饋漸進達到最優化。（5）創造性。專注于設計產品的創新。它的根本特征在于從系統的整體性出發，針對某個具體的需要或者問題，從使用者或應用者角度出發，綜合考慮各方面因素，研究要解決的問題，大膽進行頭腦風暴，思考解決方案，通過迭代優化形成具有價值的產品，以期完成市場化。

1.2 系統設計思維視域下的智慧農業教育實施策略

1.2.1 以工程設計項目承載農業綜合素養養成

工程設計項目常采用跨學科的方式，通過學科之間不可分割的聯系，通過持續性的探究實踐來達到對問題的解決。學習者通過問題解決的過程，來建構隱藏于問題背后的知識以形成解決問題的能力。智慧農業具有多層豐富的內涵，涉及多個行業領域，智慧農業生產需要多方面知識能力參與。通過工程項目整合利用資源，將多學科知識、多渠道信息、多元化技能、多層次能力與素質等進行有機整合，達成智慧農業生產技術，以及信息技術、智慧農業經營與管理綜合素養的養成。通過校企合作工程項目、產學研協同，以多主體培訓，拓寬學習者視野，提升創新創造能力與高階思維能力，為智慧農業技術、運營、管理的創新提供基礎，實現產教融合、合作育人。

1.2.2 以真實問題來感知智慧農業生產需求

系統工程設計思維視域下的工程設計項目遵循“人本主義”理念，提倡移情感知，以便理解服務訴求及消費感受，更貼近需要解決的問題。以解決現實世界或者真實情境中的棘手問題為導向，強調在問題情境中，通過提供清晰可循的解決問題的思路，引導設計者形成解決問題的能力。問題情境的創設不能只依靠多媒體呈現，需結合場景模擬、實地考察、角色扮演、互動采訪等方式以走向多元化和生活化。例如，可借助增強現實、人機交互和深度學習等技術構建“真實”智慧農業場景，供學習者進行訓練，借助簡單的設計學習體驗，逐步將已經形成的設計思維相關知能遷移到更加復雜的智慧農業場景中的問題解決。還可組織學習者去智慧農場，對智慧農場進行實地調查，真實感受智慧農業發展的現實需求，促進智慧農業生產。

1.2.3 以頭腦風暴來解析智慧農業生產問題

頭腦風暴作為培養創造性的一種重要途徑，鼓勵人們體驗不同方法的價值，以多樣化的思維去處理任務，往往在解決問題的過程中演繹出多種路徑的解決方案。由于學習者社會經驗的差異，以及思考維度的不同，會產生獨特的、多維的和立體的思考方式，對于智慧農業存在的問題認識，會衍生出多樣化的創意想法。學習者通過頭腦風暴產生關于智慧農業生產多方面的問題，以及解決這些問題的多種可能方案。例如，如何科學管理智慧農業生產、如何獲取市場變化與消費者需求信息、如何保證農產品質量、如何提升農業全產業鏈價值等問題。解決這些問題，開發相應的智能技術實現智慧農業的生產、加工和銷售是必不可少的。比如，智能化灌溉利用手機就可以監控濕度、溫度并適時澆灌。利用氣象信息服務平臺獲取每年的氣象信息大致情況，決定今年適合種植什么。利用信息交流平臺，掌握把農產品賣到哪里去，而且大數據分析云平臺使得農產品也利用“一帶一路”的機遇把農產品賣到國外去。要智慧農業更快更好地發展，就需要利用好這些智能技術的信息資源開發，促進智慧農業的發展。

1.2.4 以原型迭代來實現智慧農業生產進步

一個產品從創造出來就要經歷不斷完善的過程，不斷完善細節。通過不斷迭代改進優化，制作出符合現實需要的創造性產品。通過對執行項目的環境進行模擬，包括智能技術和運營、環境和管理的模擬，初步依據方案構建原型。當開發出一個新的智慧農業技術、運營方式、管理模式原型，需要先在小范圍內試用，根據相關用戶的反饋、市場變化等暴露新的需求，解決當前存在的問題。然后下一次在更大范圍內使用，更加深入地了解問題需求，繼續修改。如此持續不斷的打磨和優化迭代，最后再推向整個智慧農業。

2 系統工程設計思維視域下的智慧農業教育課程實施案例

2.1 內容選擇

智慧蔬菜大棚可種植的作物多種多樣，如何篩選出適合應用于課堂的作物對象，是智慧農業教育課程開展、實施所面臨的第一個問題。近年來，我國的農業科學技術有了很大進步，其中食用菌工廠化無公害生產是一項新發展起來的現代農業和新興產業。相較于其他果蔬，菌類作物工廠化程度高，具有發展的高效性、循環、綠色、空間利用率大等特點。[4]在課程學習中引導學生對模擬食用菌工廠進行構建，給培養學生系統工程設計思維創造了更大的空間。

考慮到菌類生長周期、課堂觀察的便利性，以及其目前商品化開發程度，再結合比對，最終確定了本次課程的主題菌類：平菇。

平菇生長周期短，適應性強、溫度范圍廣（分別有高溫型、中溫型、低溫型可供不同季節選擇），菌絲在-30-30℃范圍內均能生存；栽培種類多、抗逆性強，利于學生對作物生長的直接性觀察。且栽培原料廣，其中涉及對農業廢料（如：農業木屑、棉籽殼、作物秸稈、玉米芯、花生殼、禾本類雜草、動物糞便等）的二次應用。在課程實施的過程中培養學生循環利用的環保觀念。且從各大購物平臺可以購得平菇菌袋，在教室即可展開操作簡便的“出菇實驗”，利于學生對作物的生長進行直觀地觀察。目前國家食用菌產業正在興起，市面上各種食用菌工廠逐漸工廠化、規范化，其自動化、流程化生產模式，相對統一的生產標準，為本次課程提供了基本框架。

2.2 課程實施案例

本節課以創建X年級X班“食用菌工廠”為切入點，圍繞“如何創建智慧食用菌工廠”這一問題展開課程內容。最終班級小組分部門合作，使得課堂上構建的食用菌智慧大棚模型得以運行。

在課程開始前一周購得已有菇蕾的平菇菌袋，下發給各小組。說明栽培事項、布置栽培任務（就溫度、濕度、CO2濃度、光照四個變量分別設置對照試驗），要求學生完成觀察記錄筆記。

2.2.1 創設情境，確定問題

教師創設情境“隨著智慧農業的發展，農業設施中植物不需要人工全天實時監控，智能化監控培養系統則可以完成這個任務。假如學校要建設一家食用菌大棚工廠，如何設計能使食用菌大棚自動化生產、最優化控制、智能化管理呢？”接著，教師播放某一智慧蔬菜大棚介紹視頻，了解大棚的結構、種植植物類型、智能設備（如傳感器等）的工作原理。

2.2.2 創新構想，制作模型

（1）平菇培養車間

教師提出問題“通過一周的觀察，同學們發現平菇的生長離不開哪些因素？”帶領學生分析對比實驗總結出影響食用菌生長的幾個關鍵因素：溫度、濕度、CO2濃度、光照。那么能否通過運用一些智能設備，實現平菇栽培車間自動化呢？教師應要求學生們進行小組合作，并鼓勵學生進行頭腦風暴，盡可能多地提出實現平菇栽培車間自動化的方案，并通過討論確定解決問題的實現方法，最后完成表1的填寫，并通過3D模擬制圖軟件建構出平菇栽培車間基本構造。其中涉及各自動化機械設備的空間合理性的安排。

表1

（2）平菇菌袋制作車間

解決了平菇“住得好”的問題，那它在我們工廠能“吃得飽”嗎？我們都知道生物的生長離不開營養物質，平菇生長所需的營養物質都來源于哪呢？發動各小組展開討論。最后教師對班級同學的討論進行總結：蘑菇是一種腐生菌，不能進行光合作用，完全依賴于培養料中的營養物質來維持生長發育，形成蘑菇子實體。看來平菇生長所需的物質都來源于含有培養料的菌包。

教師說明從購物平臺上購得的菌棒均價在8元左右，而市面上的食用菌工廠自制菌包成本在2元左右。如果工廠想在市場中占據有利位置，獲得更大的利潤，是不是還得自產自銷？咱們工廠能不能也建立一個菌包生產車間？既然自己制作培養料，就要知道它都有什么成分。請同學們開動腦筋，聯系日常實際想一想制作菌包都需要什么材料？

a.碳水化合物

它來自植物體，可由植物莖葉供給。蘑菇體內含有大量的木質素、纖維素、半纖維素及某些有機酸，依靠這些物質，并利用蘑菇的細胞組成、營養物質的吸收和呼吸代謝嗜熱及中溫型微生物和蘑菇菌絲分泌的酶，分解成簡單的碳水化合物為蘑菇所用。

b.含氮化合物

蘑菇生長發育需要少量的生長素和維生素，如平菇需要的含氮化合物有銨態氮、有機氮和尿素等，一般可由培養料中的微生物來提供，不必另外添加。氨態氮和有機態氮可以增加平菇產量，但是要適量。

c.礦物質

植物莖葉中含有鉀、磷、鈣、鎂、硫等礦物質元素，它們是蘑菇不可缺少的營養，以及對菌絲體的生長和子實體的形成都是十分有益的。

d.維生素

蘑菇的生長需要少量的生長素和維生素，一般可由培養料中的微生物來提供，不必另外添加。[5]

播放食用菌菌袋生產過程的小視頻，小組展開比賽指出視頻中所用到的材料和生產工具（例如：木材粉碎機、拌料機、裝袋機）。利用3D模擬仿真軟件制作拌料機，并補充新的工廠板塊/工廠的菌袋制作車間。

（3）平菇分級包裝車間

平菇出菇之后，就到了“收獲”的時刻。學生們作為“廠長”有什么辦法對數量龐大的平菇進行快速采摘？學生們踴躍發言之后，教師給出參考條件：雇傭采摘工人所需經費和使用大型自動化設備所需經費之間的比對，采摘效率的比對，以及采摘質量的高低（采摘平菇品相）。由學生擬定方案，選擇他們認為合適的采摘模式，并給出理由。經過比對，同學們發現自動化收割設備獲得的利潤相對更大。

收獲了大量的平菇，包裝速度與平菇生鮮質量成正比。但大小不同、品相各異的平菇的價格等級是有很大差異的。如何進行科學化的分離采摘？教師可播放科普視頻資料，如荷蘭食用菌工廠如何對采摘后的香菇分級，給學生提供一定的思路。然后讓學生針對平菇的性狀特點探討平菇分離采摘解決方案，并運用3D制圖軟件繪制設備模型。

2.2.3 交流展示，迭代完善

各小組依次介紹模型作品的優缺點并匯報設計思路，講述在制作過程中遇到的困難，以及通過怎樣的方式從最初制作的模型到最終的模型作品。采取學生個人評價、教師評價、小組評價等相結合的形式，對各組整個模型設計過程和模型產品進行評價，根據評價建議進一步完善設計方案。

最后，總結各車間3D模型，完成工廠全面示圖。播放食用菌工廠運營視頻，全面了解食用菌工廠智能技術、運營、管理情況。帶領學生們回顧課程內容，進行課堂成果與實際效果的比對，并要求學生們課后持續迭代改進產品。