全面推進鄉村振興背景下智慧農業課程教學改革與實踐

摘" 要：針對全面推進鄉村振興對新農科實用型復合型創新型人才培養的要求，進行多學科交叉，對農科類本科生開設智慧農業課程。但是該課程面臨兩大挑戰，一是農科類學生信息化基礎薄弱，二是農業領域的信息化需求和問題梳理難度大。因此，智慧農業課程的教學改革以理論和實踐相結合、線上線下相結合、校內校外相結合，突出整體結構、關鍵要素、實踐案例和課程思政，幫助學生建立用大數據及互聯網思維重塑傳統農業的技術路徑，設置面向“互聯網+”大賽和創新創業大賽的智慧農業專題實踐，加大研究性教學內容設計，同時強化學生的“大國三農”情懷、責任擔當、科學精神、創新精神和個人素養等，培養服務鄉村振興和建設數字鄉村的實用型、復合型、創新型技術人才，助力數字鄉村發展。

關鍵詞：鄉村振興；智慧農業；教學改革；“互聯網+”；實踐

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）04-0019-06

Abstract： In order to meet the requirements of comprehensively promoting the revitalization of rural areas for the cultivation of practical， compound and innovative talents in New Agricultural Science， a course of \"Smart Agriculture\" was set up for agricultural undergraduates. However， the course faces two major challenges， one is that the informatization foundation of agricultural students is weak， and the other is that it is difficult to sort out the information needs and problems in the field of agriculture. Therefore， the teaching reform of Smart Agriculture course combines theory with practice， online and offline， and both inside and outside the school， highlighting the overall structure， key elements， practical cases and ideological and political education in all courses， so as to help students establish a technological path to reshape traditional agriculture with big data and Internet thinking， set up smart agriculture special practice for \"Internet Plus\" Competition and Innovation Competition， and increase the design of research teaching content. At the same time， we should strengthen the students' feelings of \"big country， agriculture， rural areas and farmers\"，as well as their scientific spirit， innovative spirit and personal accomplishment， and train practical， compound and innovative technical talents to serve the revitalization of the rural area and build a digital rural area and facilitate the development of digital rural area.

Keywords： rural revitalization; smart agriculture; teaching reform; \"Internet Plus\"; practice

黨的二十大報告中，習近平總書記提出“全面推進鄉村振興”“堅持農業農村優先發展”。而農業發展需要綜合運用信息化、工程化等技術，其發展因為人工智能技術的應用已經呈現出新的業態[1-2]。鄉村振興戰略的實施同時也對農村治理提出了新的要求[3-4]。《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》也對數字農業提出了新的發展理念和目標，農業服務的數字化建設迫在眉睫[5]。

教育部辦公廳等四部門發布《關于加快新農科建設推進高等農林教育創新發展的意見》提出全面加強知農愛農教育，深入推進課程教學改革，構建數字化農林教育新模式，大力推進農林教育與現代信息技術的深度融合，加強農科教協同育人，著力培養學生創新意識、創新能力和解決復雜專業問題的能力。

廣西壯族自治區教育廳根據卓越農林人才教育培養計劃，提出緊緊圍繞脫貧攻堅、鄉村振興戰略和生態文明建設，構建符合新時期要求的高等農林人才培養體系，為廣西現代農林業高質量發展提供人才支撐。在全面推進鄉村振興的時代背景下，廣西大學為培養滿足鄉村振興和新農科要求的高素質復合型卓越農業人才做了很多改革[6-8]。并將智慧農業、農業大數據和人工智能概論課程納入到農科類人才培養計劃。其中，智慧農業課程以農業為研究對象，利用電子工程、信息化管理和可視化表達等先進工科技術提升傳統農業，提升農科類學生的數字化思維，培養服務鄉村振興和數字鄉村建設的實用型、復合型、創新型技術人才，助力數字鄉村發展[9-10]。

智慧農業課程是新農科建設背景下針對農科類學生，涉及多個交叉學科的課程。但如何做好專業學科交叉融合，強化智慧農業課程教學設計和改革顯得尤為迫切。在將該課程列入培養計劃之前，課程團隊成員已于2016年通過組建學科交叉師資隊伍，指導大學生“互聯網+”大賽，構建農業物聯網系統，進行大學生智慧農業創新創業平臺的建設；2020年，該課程納入本科生培養計劃之后，團隊成員進行了一系列課程教學改革。

如果照本宣科地對農科學生直接開展信息化課程教學，會產生很多問題：一是學生缺乏信息科學的堅實基礎，急于在信息科學的大海里遨游，耗費了大量的時間和精力，卻始終一知半解，打擊學習的積極性和信心。二是隨著信息技術的不斷升級，以ChatGPT為代表的人工智能模型的快速迭代和不斷縮短求解路徑[11]，比掌握信息技術本身更為迫切的任務是，如何梳理農業領域的信息化需求和問題，培養農業行業融合創新人才成為了新的挑戰。

1" 智慧農業課程教學目標

智慧農業是面向農科類專業學生開設的一門專業選修課程，主要內容包括智慧農業概述、現狀及發展趨勢，以及由物聯網篇、大數據篇、人工智能篇3個模塊組成的智慧農業整體結構和關鍵要素，同時也是面向“互聯網+”大賽和創新創業大賽的智慧農業專題實踐課，通過在智慧農業系統設計的原理、技術、步驟上的闡述，以及智慧農業實踐的翔實案例，提供了用大數據及互聯網思維重塑傳統農業的技術路徑，對農科及工科師生以智慧農業為主題開展教學實踐和創新活動具有重要參考價值。

課程目標1：學生能運用信息系統的基本理論和方法，針對要解決的農業生產復雜問題，借助自動化農機設備，進行數字化工程設計，參與智慧農業應用系統需求分析等研發活動。

課程目標2：了解應用物聯網、大數據及人工智能解決復雜工程問題時分析和解決問題的方法和流程，通過查閱文獻等方法，尋求解決問題的可行方案，并能根據實際情況選擇較優的解決方案。培養學生自主學習能力和創新意識。

課程目標3：針對智慧農業復雜工程問題，能正確表述自己的解決方案，與同行及公眾進行交流。培養學生工程意識、標準化意識和嚴謹細致的工作態度。

2" 智慧農業課程教學內容

具體教學內容的展開由主講教師編著的電子課件等介質配合課程內容的講授而實現。本課程采用以解決復雜計算機工程問題為導向的內容組織方式，將理論知識教學與實踐能力培養相融合，強調通過理論授課、實驗技能訓練及創新意識和創新能力組合訓練，培養學生分析問題的能力，提高學生根據領域問題選擇合理的信息化技術及手段進行系統設計的能力，以達到進行智慧農業項目管理和編寫項目計劃書的目的。本課程的教學組織充分圍繞研究性教學展開，從課程整體方案設計、理論教學設計和實踐訓練多方面體現了研究性教學的指導思想。

智慧農業課程的教學組織，主要從課程的整體框架，課程各個知識點的區別與聯系、每章的重點和難點等角度來講解，對于關鍵知識點采取從粗到精，從簡單到復雜的遞進式教學方法，符合認知規律。任課過程中注重研究性教學內容的組織，每堂課都設計出研究性教學環節，注重啟發性和互動性，調動學生的興趣，發揮學生的主觀能動性。對于重點與難點的內容安排了案例教學的環節，從問題求解的角度討論云計算與大數據、衛星遙感、病蟲害預警建模等思想。同時理論教學過程中安排自主學習的任務，要求課程期間完成智慧農業項目計劃書的編寫。

圖1是教學內容安排，改革特點主要有：①智慧農業案例在教學中占比達到40%，快速直觀幫助農科類學生建立起領域信息化系統的基本概念及知識目錄；同時與智慧農業相關企業如廣西捷佳潤科技集團股份有限公司合作共建教學基地，帶領學生前往參觀，也邀請企業相關高級技術人員給學生進行線上授課，授課時間不少于4學時。②學生實踐投入的時間占比超過70%，讓學生以小組報告的形式進行課堂外的延伸學習，將老師教授的最后一個環節小組宣講PPT安排到18周完成，在項目計劃書撰寫過程中，教師通過互動式討論幫助學生不斷迭代項目計劃書（表1），直到課程結束，學生用項目計劃書參加“互聯網+”比賽。

人工智能在水產養殖中研究應用分析與未來展望應寫出應用人工智能后水產養殖的產量、水產的生長狀態。計劃書還需聚焦，而不是泛泛而談。

3" 智慧農業教學案例——“指尖農云”農業物聯網系統

“指尖農云”農業物聯網系統為課程團隊自主設計，以分布式管理、數據實時監控、權限劃分明確為主要原則，通過移動客戶端實現基地環境的實時監控，定時留存作物生長狀態的視頻和照片。根據作物物候期生長環境參數，配置成專家數據庫，引入反饋機制，降低農業生產的風險。針對農場生產與管理現狀，結合區域主要作物的標準化種植管控要求，將過程管理機制、貫穿式溯源理念、農業數據采集與挖掘業務應用以及云計算、人工智能等信息技術相結合，致力于打造數字化種植及云農場管理的創新模式。

3.1" 整體框架

縱向分層可劃分為3層：采集層、匯聚層、應用層（圖2）；采集層主要是利用無線傳感器網絡，通過部署在基地中的各種傳感器來采集各種環境參數，以及配置作物的生長周期和環境參數；匯聚層主要將采集層采集到的環境參數匯聚到云平臺上，實現數據的共享；應用層主要是通過客戶端實現實時監控，以及對環境參數進行數據分析和挖掘。

3.2" 平臺結構

平臺位于校園內的大棚（封閉式種植區域）和農田（開放式種植區域），圖3描述了實際部署情況。其特點如下：①準確獲得大棚內溫濕度、降雨量、光照強度、CO2濃度及土地肥力等參數；②采用RPL路由算法對WPAN進行布放[12]；③為降低成本，采用無線傳輸方式；④監測到數據異常后可及時反饋給用戶。

在種植區域內布置的傳感器節點，負責采集環境信息并通過無線傳輸至WSN網關，WSN完成ZigBee到以太網通信協議的轉換，服務器通過路由器和WSN網關處于同一子網內，經過WSN驅動完成數據的傳輸任務[13]。NI-WSN測量節點能夠直接接入傳感器。本裝置采用電池提供電源，四節5號電池可以為本裝置提供三年的時間。當用于戶外時，可以在裝置外部增加一個NI防護外殼。還可以對節點進行自定義編程。

另外網關節點負責采用2.4 GHz、IEEE802.15.4無線基于ZigBee技術從傳感器網絡中收集測量數據，集成在WSN-9791軟件包NI-WSN中，能夠幫助用戶快速配置傳感器網絡，并結合NI-LabVIEW圖形開發環境實現測量數據的提取、分析與顯示[14]。

3.3" 專家庫設計

專家值設置模塊為種植者提供了一個農作物生長環境參數調控的標準。專家值設置的數據全部來自專家數據庫，在采集的原始數據基礎之上進行數據清洗和篩選之后構成了數據源，將數據源中的數據和專家數據庫中的數據進行對比和分析并形成相應的記錄反饋給用戶。

針對普通用戶，在權限判斷的前提下只能訪問本基地已經配置好的專家值，并接收與專家值對比之后反饋的報警信息[15]。針對種植基地的管理員，則有權訪問本基地所有專家值并進行專家值的增刪改查。針對整套系統的平臺管理員，則可以修改所有不同基地的所有專家值，配置任意基地的專家值，并且增加新入駐的行業或者是種植基地或者對已有行業進行修改、刪除。除了供用戶和管理員的直接訪問和使用之外，同時也導入前臺動態數據，進行種植過程的參數異常報警設置，最終幫助農場主實現設備的閉環控制。

3.4" 溯源系統設計

溯源模塊實現了對農產品種植情況的管理和控制。具體包括添加種植記錄的詳細信息、查詢種植記錄的詳細信息、修改種植記錄的詳細信息及刪除種植記錄的詳細信息。特別是通過農藥、化肥的使用記錄看出產品是否綠色有機，是否可作為放心的健康產品。此外系統管理員對農產品企業的農產品出庫記錄進行統籌管理，以動態更新企業的農產品庫存，以及出庫后的流經城市進行記錄，為農產品的質量溯源提供出庫依據[16]。

4" 課程思政設計

目前鄉村振興建設和數字鄉村發展均缺乏實用型、復合型農業技術人員，而高等院校畢業生大多不愿去基層農業技術推廣機構從事相關工作[17]。智慧農業課程是轉變傳統農業教學理念、增強學生服務農業農村現代化意識的重要契機[18]。所以，智慧農業要全面加強并普及專業思政建設，提煉課程中蘊含的核心思想要素和精神價值，將其融入智慧農業課程，達到專業教育教學中知識的傳授與價值引領的有機協同，從而引導學生“懂農業、愛農村、愛農民”。課程團隊致力于樹立以強農興農為己任的精神，注重傳授學識的同時，傳揚科學家勇于探究的精神，愛國愛家的情懷和堅韌不拔的意志，整個授課環節貫穿 “大國三農”情懷及扎根農村，服務農村、奉獻于農村的職業生涯等諸多與科學素養相關的知識，讓課堂的內涵和主旨凸顯“順應新時代發展格局、增強服務鄉村全面振興的使命感和責任感，培養知農愛農創新人才”這一主線（表2）。

5" 結束語

智慧農業課程以理論知識與實踐相結合為主，邀請智慧農業相關企業技術人員授課，結合智慧農業教學案例開展深入分析，線上教學與線下教學相結合，自主教材與慕課課程相結合，以小組研究式教學為主要創新開展課程建設，組織學生分組撰寫“互聯網+”大賽項目計劃書，調動學生參與智慧農業相關項目的積極性和主動性，融入課程思政建設，強化學生的“三農”情懷、責任擔當、科學精神、創新精神和個人素養等方面的素養，培養服務鄉村振興和數字鄉村建設的實用型、復合型、創新型技術人才，助力數字鄉村發展。

自團隊進行智慧農業課程教學改革以來，農科類學生的創新創業精神和能力顯著提升，參與“互聯網+”大賽的數量逐年增加，2022年第八屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽農學院學生參加459項，居全校第一；學生培養質量也得到了提高，近三年獲得“互聯網+”大賽省級獎勵共26項，本科生累計參加各類大學生創新創業或科研項目75項。課程團隊承擔相關省級教育教學改革項目和科學研究6項，校級一流課程倍增計劃1項，發表教改論文3篇，其中中文核心2篇，撰寫智慧農業教材1門。因此，探索全面推動鄉村振興下農科類智慧農業課程教學的新形式，必然要將其納入到農業人才培養體系中。未來，團隊將進一步加大教學改革的力度，與相關智慧農業企業和行政管理部門合作授課，進行“科教+產教”雙融合、“農科+工科”雙融合、“思政+課程”雙融合的智慧農業教學內容改革，為數字鄉村發展培養更多農業技術人才。

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