鄉村振興背景下無土栽培學實驗課程改革與實踐

摘" 要：無土栽培學是高等農業院校設施農業科學與工程和園藝等專業的核心課程。在鄉村振興背景下，該文針對該課程實驗部分存在的問題，結合應用型人才培養模式和設施農業發展需求，對無土栽培學的實驗課程進行改革與探索，從而激發學生創新意識，提高學生的專業技能水平與實踐能力，培養鄉村振興人才。

關鍵詞：新農科；設施農業；無土栽培；鄉村振興；課程思政

中圖分類號：G642" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）21-0138-04

Abstract： Soilless cultivation is the core course of facility agricultural science and engineering and horticulture in agricultural colleges and universities. In the context of rural revitalization， in view of the problems existing in the experimental part of this course， this paper is based on the training mode of applied talents and the development needs of environmentally-controlled agriculture， reforming and exploring the experimental course of soilless cultivation， so as to stimulate students' innovative consciousness， improve students' professional skills and practical ability， and cultivate rural revitalization talents.

Keywords： New Agricultural Science; environmentally-controlled agriculture; soilless cultivation; rural revitalization; ideological and political education in all courses

2021年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于加快推進鄉村人才振興的意見》和教育部印發的《加強和改進涉農高校耕讀教育工作方案》（教高函〔2021〕10號）中提到在涉農人才培養過程中存在著耕讀教育不系統、與“三農”實際聯系不夠緊密、實踐育人環節有待加強的問題，要全面加強涉農高校耕讀教育，將耕讀教育相關課程作為涉農專業學生必修課[1]。由此可見，耕讀教育是高等農林教育改革的發展方向，也是培養鄉村振興人才的必由之路。

發展設施農業是實現鄉村振興的重要基礎和保障。《中共中央、國務院關于做好2023年全面推進鄉村振興重點工作的意見》中提出實施設施農業現代化提升行動，加快發展水稻集中育秧中心和蔬菜集約化育苗中心，探索科學利用戈壁、沙漠等發展設施農業。2023年6月，農業農村部、國家發展改革委、財政部、自然資源部印發《全國現代設施農業建設規劃（2023—2030年）》的通知（農計財發〔2023〕6號），提出強化大中城市現代化都市設施農業建設，發展立體化種植，推廣無土化栽培，建設基質栽培系統、營養液循環系統等，按需配制營養液進行水培或霧（氣）培[2]。由此可見，無土栽培技術對于推動現代設施農業發展和助力農業強國建設具有十分重要的作用。

無土栽培從早期的實驗研究開始至今已有170余年，現已成為現代農業中的重要組成部分和核心技術，并得到迅速發展。其作為一項農業高新技術，在傳統農業的基礎上，采用現代農業技術、信息技術、環境工程技術及材料科學技術等，已發展為設施齊全且配套完善的現代化高新農業技術，成為設施生產中一種省工、省力、能克服連作障礙，以及實現優質高效農業的理想模式，并在世界范圍內被廣泛研究和推廣應用[3]。無土栽培學是青島農業大學設施農業科學與工程專業的必修課程，也是一門前沿學科。無土栽培學以土壤肥料學、設施農業環境工程學、植物營養學和植物生理學等為基礎，與生產實踐聯系緊密，具有理論性、實踐性和應用性強等特點[4]。實驗課程設置的目的是使學生運用所學理論知識，通過具體操作，掌握常用營養液的配制方法、常見固體基質物理/化學性狀的測定和無土育苗技術等內容，且能夠運用專業理論知識和技能，獨立從事與無土栽培相關的生產管理、技術推廣、產業經營與管理等工作。實驗課程的設置也是踐行耕讀教育的重要途徑，為培養鄉村振興提供人才支撐。

經過多年的教學實踐，筆者發現在無土栽培學課程中的原實驗教學模式中存在一些問題，為了培養學生的實驗能力和創新能力，提高學生的實踐能力，提升教學質量和效果，以青島農業大學園藝學院無土栽培學實驗課程為對象，筆者進行了改革探索和實踐。

１" 無土栽培學實驗課程教學存在的主要問題

無土栽培學是設施農業科學與工程專業必修課，共40學時，總計2.5學分，分為理論和實驗部分，其中理論部分32學時，實驗部分8學時。實驗部分主要涉及營養液的配制技術、常見固體基質物理性狀的測定、常見固體基質化學性狀的測定和無土育苗技術等內容。但存在如下問題。

1.1" 課堂授課內容簡單

無土栽培實驗是無土栽培學的核心內容之一。現在國內高校的無土栽培學實驗課程多以高等農林教育“十三五”規劃教材和農業農村部“十三五”規劃教材《無土栽培學》為參考，實驗包括無土栽培類型調查、營養液的配制技術、基質理化性狀的測定和無土育苗技術等內容，實驗內容相對簡單和獨立，驗證性實驗偏多，缺乏實驗教學設計性和系統性，且缺乏無土栽培技術具體的應用場景。現階段無土栽培實驗內容的設置已無法滿足對學生實踐能力和創新能力的要求，授課內容設置的前瞻性、適應性和針對性有待于增強。

1.2" 新農科的交叉融合不足

無土栽培實驗偏向農藝操作，設施農業科學與工程專業為工學和農學的交叉學科，青島農業大學設施農業科學與工程專業根據學生興趣愛好、知識掌握熟練程度以及社會發展需求，按照設施栽培模塊和設施工程模塊進行培養。選擇設施栽培模塊的學生對工學課程知識掌握較弱，容易逐漸喪失學習興趣，選擇設施工程模塊的同學在設備開發設計等工程方向需加強指導。課程的改革需符合新農科和新工科對現代農業科技人才培養的要求[5]。教育部辦公廳關于印發《新農科人才培養引導性專業指南》的通知（教高廳函〔2022〕23號）中提到要將現代信息技術與農業深度融合，注重農業智慧生產和智能裝備等知識能力的訓練，培養能夠將現代生物技術、信息技術、現代工程技術、現代農業管理知識與農學有機融合，能勝任現代農業及相關領域的教學科研、產業規劃、經營管理和技術服務等工作的拔尖創新型、復合型人才[6]。因此，在課程設計中融入工科和農科的交叉內容，增強學生設計和獨立思考的能力對于培養無土栽培技術復合型人才至關重要。

1.3" 理論與實踐結合不夠

實踐課程是檢驗學生對理論知識的實際掌握程度和運用能力的重要手段[7]。由于實驗課程學時少和內容簡單等問題，學生的實驗內容難以得到配套運用，難以應用于生產管理實踐中。例如，學生在課堂上能夠按照實驗步驟進行操作，但是缺少對配制原理的理解及實際場景的應用，導致在真正進行蔬菜育苗過程中產生諸多問題，且不能有效解決。此外，營養液配制對作物栽培的影響效果需要對植物進行長時間觀測，由于課時限制，難以保證實驗效果。

1.4" 課程思政元素缺乏

課程思政是本科課程建設質量評價的重要內容。2020年教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知（教高〔2020〕3號）提到把思想政治教育貫穿人才培養體系，提高高校人才培養質量[8]。傳統的實驗課程以教師講授為主，內容主要包括實驗目的、實驗材料和實驗步驟等技術方面的知識，缺乏對當代大學生的思想道德修養、人文素質和科學精神的培養。如何挖掘無土栽培學實驗課程中的思政元素，并將其有機融入課程體系改革之中，對于培養大學生的社會主義核心價值觀和提升鄉村振興人才質量具有重要意義。

2" 開設綜合性實驗的探索與實踐

針對無土栽培學實驗課程教學存在的課堂授課內容簡單、新農科的交叉融合不足、理論與實踐結合不夠和課程思政元素缺乏等問題，青島農業大學設施農業科學與工程教學團隊主要從以下3個方面對無土栽培學實驗課程進行了探索和實踐，以充分提高學生的動手能力、創新能力和團隊協助能力，激發大學生在現代設施農業領域的創新意識，推動設施農業產業發展。

2.1" 無土栽培學實驗教學內容的重構

作為工科和農科知識交叉的“新農科”的代表，設施農業科學與工程專業將深度融合“農+工”“農+管”等學科資源，深入融合“智慧農業”等“新農科”與“新工科”課程元素[9]，突出學科以及課程的前瞻性。

植物工廠作為設施園藝的高級發展階段，通過設施內高精度環境控制實現作物周年高效連續生產，且植物工廠被世界各國列為農業高技術戰略新興產業和未來農業發展的重點方向[10]。水培種植模組是植物工廠的重要組成部分，無土栽培也因為植物工廠的發展得到了迅速發展。實驗內容要結合科研或產業發展進行設置，但針對植物種植的水培種植模組裝置的運行和管理等內容尚無技術標準，導致學生的實驗操作難以順利進行。

將水培種植模組應用在設施等專業的核心課程——無土栽培學實驗中，將實驗內容由原先的營養液的配制技術、基質理化性狀的測定、穴盤育苗技術等拓展至無土栽培裝置的設計、安裝、運行，以及植物栽培管理和環境調控等一系列實踐環節，將原先分散、單一的實驗調整為綜合性、創新性和設計性的實驗項目，有助于學生理解植物生長發育與水肥、溫光等環境的關系，使學生掌握農業生產與科學技術的前沿和發展趨勢，提升專業課程的前沿性與創新性，促進生物技術、工程技術與管理技術等的交叉融合，提高學生的系統性和創造性。

將思政元素有機融入實驗課堂也是重要的改革舉措。課程思政元素與課程內容的有機融合在于找準契合點，建立起課程理論知識與其思想價值和精神內涵的聯系，潛移默化地落實立德樹人這一根本任務，達到培養擔當民族復興大任的時代新人的目標。例如，在水培模組運行和植物管理過程中提出問題：如何在種植管理過程中降低能耗并提質增效。教師講述建設成本高與耗電量大依然是人工光型植物工廠產業化推廣的挑戰和劣勢。在人工光型植物工廠的生產核算中，生產成本的20%來自電能消耗（主要是人工光源和空調），而人工光源的耗電量占總耗電量的70%～80%[11]。結合國家政策和人才培養方案，有機融入課程思政元素。例如，黨的二十大報告提出，樹立大食物觀，發展設施農業，構建多元化食物供給體系。此外，我國做出了“碳中和、碳達峰”重大戰略決策，在“大食物觀”和“雙碳”背景下，探索智慧農業和節能提效是踐行“大食物觀”和實現“碳中和”的重要途徑，基于水培種植模組引導學生思考在設施作物種植管理中如何利用LED照明、營養液調配與管理技術、作物生長發育模型等控制作物生長發育過程中所需的“光、溫、水、氣、肥”等要素，在低能耗和短周期的條件下實現高產優質的作物生產，實現綠色生產和可持續發展，并讓學生查詢相關資料并在理論課堂上進行總結交流，增強學生以強農興農為己任的責任感。

2.2" “實驗+實踐+競賽”三位一體模式的構建

無土栽培學作為專業核心課程，但由于課堂教學時間有限，可將無土栽培技術延伸至專業技能實踐和技能競賽當中。例如，將無土栽培技術應用于設施園藝教學實習、都市農業實習和設施農業科學與工程專業技能實習等實踐課程中。在都市農業實習中，參觀中國（壽光）國際蔬菜科技博覽會學習休閑觀光設施內水肥一體化技術、設施節水灌溉技術，調查休閑觀光園區中無土栽培類型。設施園藝教學實習到山東省壽光蔬菜產業集團有限公司和山東金百利現代農業有限公司，學習現代科技園區特色高效無土栽培模式和現代工廠化育苗技術。除此之外，學生可以依托與在企業建立的校外實訓基地進行3～4周的設施農業科學與工程專業綜合實習。

依托青島市大學生科技節和青島農業大學農業設施與環境控制裝備設計專業技能競賽，鼓勵和引導學生利用課外時間學習和應用無土栽培技術，培養學生的創新意識，鍛煉其科學思維，提升大學生動手操作的能力，強化課堂所學知識的應用能力。競賽的舉辦將引導學生在智慧農業和可持續農業方面進行創新，推動設施農業向前發展。青島農業大學專業技能競賽先后以“智慧園藝與現代農業工程”“智慧農業與鄉村振興”等為主題，以都市農業為方向，鼓勵學生圍繞家庭園藝、陽臺農業或休閑農業等方向開發設計適用于家庭園藝的新設施設備或栽培新方法。例如，第八屆青島市大學生科技節暨第四屆青島農業大學農業設施與環境控制裝備設計專業技能競賽一等獎競賽作品基于光強傳感器的多層可調節式水培架的研究與設計通過光照強度傳感器感應植株冠層的光照強度傳回實際數據，可自動調節水培架每層高度，使植株冠層的光照強度始終處于設定范圍，植株與LED光源處于適宜距離，提高光能利用效率并節約能源。此外，專業技能競賽中智能化立體水培栽培架、陽臺蔬菜栽培簡易裝置等項目依據現有的多層立體水培系統在功能上進行拓展，實現了水培種植模組的調控智能化和場景應用的功能化。創新競賽的舉辦也是深入學習貫徹黨的二十大精神，貫徹落實“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼”的重要思想，培養大學生創新創業意識，提供鄉村振興、城鄉融合發展和生態型城市建設理念思路交流渠道，為鄉村振興人才的培養搭建平臺。

在鼓勵學生積極參與校級競賽的同時，介紹并積極引導學生對全國或國際科技競賽的關注。例如，課程講授過程中介紹由聯合國糧食及農業組織指導、中國農業大學和拼多多等聯合舉辦的“多多農研科技大賽”，由中國農業工程學會、中國農業大學和全國農業科技創業創新聯盟等舉辦的全國大學生農業建筑環境與能源工程相關專業創新創業競賽中相關無土栽培方面的新技術和新進展。引導學生在植物種植管理過程中思考如何融入植物生長模型并進行遠程控制，做到種得多和種得好。

通過三位一體教學模式的構建，將實驗、實踐和競賽等環節進行優勢互補，可有效解決學生實驗時長不足、無法長期觀測種植效果以及創新想法缺乏應用場景等問題，進而培養學生的系統性和創造性。

2.3" 無土栽培學實驗教學評價體系的改革

作為教學過程中的重要環節，課程考核不僅可以檢驗教師的教學效果，了解學生對于課程內容的掌握情況，還可以為課程大綱的修訂和完善提供重要佐證[12]。無土栽培學課程原考核方式是考勤成績占10%，平時成績（包括筆記、作業檢查和實驗報告成績）占20%，期末成績占總成績的70%。無土栽培學作為應用類科目，考試成績占比較高，不利于應用型本科人才的培養。教學改革強化過程考核，引導學生從注重“考試結果”向注重“學習過程”轉變，改革后的課程成績由三部分構成：平時考核（包括考勤和課后作業等）10%、單元測試（包括實驗操作表現和實驗報告等）40%和期末考試50%。在實驗內容考核內容方面，凸顯“農+工”交叉融合及實驗完整性。例如，在無土栽培實驗部分，由原先簡單的營養液配制和無土育苗技術等項目的實驗報告內容調整為針對某一種作物從無土栽培裝置的設計、安裝、運行、植物種植和維護等方面撰寫立體水培架的使用規程并提出存在的問題或注意事項等綜合性考核。強化實驗內容在總成績中的權重，同時注重思政教學目標的有機融入和學生實踐能力的鍛煉。

無土栽培學實驗教學注重學生實驗態度、掌握知識能力、動手操作能力等方面，而新的評價體系凸顯過程性評價，依據植物的種植管理和栽培效果進行，注重學生在實驗過程中發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生創新思維，提高學生的科研探索能力。改革后的考核方式更加科學合理，有利于促進學生綜合能力的提高和創新思維的養成，也有利于任課教師判斷學生對課程知識的掌握和應用程度。

3" 結束語

通過無土栽培學開設綜合實驗教學模式的探索與實踐，不僅使學生對無土栽培學的相關基礎知識掌握得更加牢固，還激發了學生對無土栽培技術學習的興趣，提高了學生系統性、創新意識和實踐動手能力。在教學過程中，學生成為教學主體，無土栽培技術的應用場景進一步具化，學生在新工科和新農科的交叉方面的創新意識進一步增強，培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，教學效果明顯改善，教學質量顯著提升，可實現復合應用型本科人才和鄉村振興人才的培養。

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