全面推进乡村振兴背景下智慧农业课程教学改革与实践.pdf

2024 年 4 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业全面推进乡村振兴背景下智慧农业课程教学改革与实践杨娟1，叶进2，黄华存3，兰伟2，韦燕燕1，冯家勋4*（1.广西大学 农学院 植物科学国家级实验教学示范中心，南宁 530004；2.广西大学 计算机与电子信息学院，南宁 530004；3.广西大学 国有资产与实验室管理处，南宁 530004；4.广西大学 校长办公室，南宁 530004）党的二十大报告中，习近平总书记提出“全面推进乡村振兴”“坚持农业农村优先发展”。而农业发展需要综合运用信息化、工程化等技术，其发展因为人工智能技术的应用已经呈现出新的业态1-2。乡村振兴战略的实施同时也对农村治理提出了新的要求3-4。数字农业农村发展规划（20192025 年）也对数字农业提出了新的发展理念和目标，农业服务的数字化建设迫在眉睫5。教育部办公厅等四部门发布关于加快新农科建设推进高等农林教育创新发展的意见提出全面加强知农爱农教育，深入推进课程教学改革，构建数字化农林教育新模式，大力推进农林教育与现代信息技术的深度融合，加强农科教协同育人，着力培养学生创新意识、创新能力和解决复杂专业问题的能力。广西壮族自治区教育厅根据卓越农林人才教育培养计划，提出紧紧围绕脱贫攻坚、乡村振兴战略和生态文明建设，构建符合新时期要求的高等农林人才培养体系，为广西现代农林业高质量发展提供人才支撑。在全面推进乡村振兴的时代背景下，广西大学为培养满足乡村振兴和新农科要求的高素质复合型卓越农业人才做了很多改革6-8。并将智慧农业、农业大数据和人工智能概论课程纳入到农科类人才培养计划。其中，智慧基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目（2020JGA101、2021JGB122、XNK2022001、2023JGB127）第一作者简介：杨娟（1984-），女，博士，高级实验师。研究方向为植物保护实验教学和研究。*通信作者：冯家勋（1965-），男，博士，教授。研究方向为生物质转化微生物资源及其基因资源的开发利用。摘要：针对全面推进乡村振兴对新农科实用型复合型创新型人才培养的要求，进行多学科交叉，对农科类本科生开设智慧农业课程。但是该课程面临两大挑战，一是农科类学生信息化基础薄弱，二是农业领域的信息化需求和问题梳理难度大。因此，智慧农业课程的教学改革以理论和实践相结合、线上线下相结合、校内校外相结合，突出整体结构、关键要素、实践案例和课程思政，帮助学生建立用大数据及互联网思维重塑传统农业的技术路径，设置面向“互联网+”大赛和创新创业大赛的智慧农业专题实践，加大研究性教学内容设计，同时强化学生的“大国三农”情怀、责任担当、科学精神、创新精神和个人素养等，培养服务乡村振兴和建设数字乡村的实用型、复合型、创新型技术人才，助力数字乡村发展。关键词：乡村振兴；智慧农业；教学改革；“互联网+”；实践中图分类号院G642文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤04-0019-06Abstract:In order to meet the requirements of comprehensively promoting the revitalization of rural areas for the cultivation ofpractical,compound and innovative talents in New Agricultural Science,a course of Smart Agriculture was set up for agriculturalundergraduates.However,the course faces two major challenges,one is that the informatization foundation of agricultural students isweak,and the other is that it is difficult to sort out the information needs and problems in the field of agriculture.Therefore,theteaching reform of Smart Agriculture course combines theory with practice,online and offline,and both inside and outside theschool,highlighting the overall structure,key elements,practical cases and ideological and political education in all courses,so asto help students establish a technological path to reshape traditional agriculture with big data and Internet thinking,set up smartagriculture special practice for Internet Plus Competition and Innovation Competition,and increase the design of research teachingcontent.At the same time,we should strengthen the students feelings of big country,agriculture,rural areas and farmers,as wellas their scientific spirit,innovative spirit and personal accomplishment,and train practical,compound and innovative technicaltalents 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;practiceDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.04.00519-2024 年 4 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture农业课程以农业为研究对象，利用电子工程、信息化管理和可视化表达等先进工科技术提升传统农业，提升农科类学生的数字化思维，培养服务乡村振兴和数字乡村建设的实用型、复合型、创新型技术人才，助力数字乡村发展9-10。智慧农业课程是新农科建设背景下针对农科类学生，涉及多个交叉学科的课程。但如何做好专业学科交叉融合，强化智慧农业课程教学设计和改革显得尤为迫切。在将该课程列入培养计划之前，课程团队成员已于 2016 年通过组建学科交叉师资队伍，指导大学生“互联网+”大赛，构建农业物联网系统，进行大学生智慧农业创新创业平台的建设；2020 年，该课程纳入本科生培养计划之后，团队成员进行了一系列课程教学改革。如果照本宣科地对农科学生直接开展信息化课程教学，会产生很多问题：一是学生缺乏信息科学的坚实基础，急于在信息科学的大海里遨游，耗费了大量的时间和精力，却始终一知半解，打击学习的积极性和信心。二是随着信息技术的不断升级，以 ChatGPT 为代表的人工智能模型的快速迭代和不断缩短求解路径11，比掌握信息技术本身更为迫切的任务是，如何梳理农业领域的信息化需求和问题，培养农业行业融合创新人才成为了新的挑战。1智慧农业课程教学目标智慧农业是面向农科类专业学生开设的一门专业选修课程，主要内容包括智慧农业概述、现状及发展趋势，以及由物联网篇、大数据篇、人工智能篇 3 个模块组成的智慧农业整体结构和关键要素，同时也是面向“互联网+”大赛和创新创业大赛的智慧农业专题实践课，通过在智慧农业系统设计的原理、技术、步骤上的阐述，以及智慧农业实践的翔实案例，提供了用大数据及互联网思维重塑传统农业的技术路径，对农科及工科师生以智慧农业为主题开展教学实践和创新活动具有重要参考价值。课程目标 1：学生能运用信息系统的基本理论和方法，针对要解决的农业生产复杂问题，借助自动化农机设备，进行数字化工程设计，参与智慧农业应用系统需求分析等研发活动。课程目标 2：了解应用物联网、大数据及人工智能解决复杂工程问题时分析和解决问题的方法和流程，通过查阅文献等方法，寻求解决问题的可行方案，并能根据实际情况选择较优的解决方案。培养学生自主学习能力和创新意识。课程目标 3：针对智慧农业复杂工程问题，能正确表述自己的解决方案，与同行及公众进行交流。培养学生工程意识、标准化意识和严谨细致的工作态度。2智慧农业课程教学内容具体教学内容的展开由主讲教师编著的电子课件等介质配合课程内容的讲授而实现。本课程采用以解决复杂计算机工程问题为导向的内容组织方式，将理论知识教学与实践能力培养相融合，强调通过理论授课、实验技能训练及创新意识和创新能力组合训练，培养学生分析问题的能力，提高学生根据领域问题选择合理的信息化技术及手段进行系统设计的能力，以达到进行智慧农业项目管理和编写项目计划书的目的。本课程的教学组织充分围绕研究性教学展开，从课程整体方案设计、理论教学设计和实践训练多方面体现了研究性教学的指导思想。智慧农业课程的教学组织，主要从课程的整体框架，课程各个知识点的区别与联系、每章的重点和难点等角度来讲解，对于关键知识点采取从粗到精，从简单到复杂的递进式教学方法，符合认知规律。任课过程中注重研究性教学内容的组织，每堂课都设计出研究性教学环节，注重启发性和互动性，调动学生的兴趣，发挥学生的主观能动性。对于重点与难点的内容安排了案例教学的环节，从问题求解的角度讨论云计算与大数据、卫星遥感、病虫害预警建模等思想。同时理论教学过程中安排自主学习的任务，要求课程期间完成智慧农业项目计划书的编写。图 1 是教学内容安排，改革特点主要有：淤智慧农业案例在教学中占比达到 40%，快速直观帮助农科类学生建立起领域信息化系统的基本概念及知识目录；同时与智慧农业相关企业如广西捷佳润科技集团股份有限公司合作共建教学基地，带领学生前往参观，也邀请企业相关高级技术人员给学生进行线上授课，授课时间不少于 4 学时。于学生实践投入的时间占比超过 70%，让学生以小组报告的形式进行课堂外的延伸学习，将老师教授的最后一个环节小组宣讲 PPT 安排到 18 周完成，在项目计划书撰写过程中，教师通过互动式讨论帮助学生不断迭代项20-2024 年 4 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业人工智能在水产养殖中研究应用分析与未来展望应写出应用人工智能后水产养殖的产量、水产的生长状态。计划书还需聚焦，而不是泛泛而谈。3智慧农业教学案例要要要野指尖农云冶农业物联网系统“指尖农云”农业物联网系统为课程团队自主设计，以分布式管理、数据实时监控、权限划分明确为主要原则，通过移动客户端实现基地环境的实时监控，定时留存作物生长状态的视频和照片。根据作物物候期生长环境参数，配置成专家数据库，引入反馈机制，降低农业生产的风险。针对农场生产与管理现状，结合区域主要作物的标准化种植管控要求，将过程管理机制、贯穿式溯源理念、农业数据采集与挖掘业务应用以及云计算、人工智能等信息技术相结合，致力于打造数字化种植及云农场管理的创新模式。3.1整体框架纵向分层可划分为 3 层：采集层、汇聚层、应用层（图 2）；采集层主要是利用无线传感器网络，通过部署在基地中的各种传感器来采集各种环境参数，以及配置作物的生长周期和环境参数；汇聚层主要将采集层采集到的环境参数汇聚到云平台上，实现数据的共享；应用层主要是通过客户端实现实时监控，以及对环境参数进行数据分析和挖掘。目计划书（表 1），直到课程结束，学生用项目计划书参加“互联网+”比赛。图 1智慧农业课程教学内容成绩评定 小组项目计划书 教师评语 A等级 果蔬采摘机器手系统设计与控制技术研究现状和发展趋势 项目计划书较为完整，商业模式梳理较好。建议突出性能对比，增加产品所采用的机器视觉模型描述，以提升产品的专业性 云计算技术在现代农业信息化建设中的应用 项目计划书中关于产品的竞争性分析方面，描述较为详细，但是核心技术阐述不够 基于迁移学习与卷积神经网络的玉米植株病害识别 项目计划书选题结合前沿技术，且在产品中进行了融合创新。建议设计部分增加系统结构设计和用户端系统阐述，以突出面向用户的设计和体验 B等级 基于纹理特征与植被指数融合的水稻含水量无人机遥感监测 各部分内容描述较准确，提到的7种植被指数和12个图像纹理特征建议细化，增加技术先进性的可信度 无人机遥感监测作物病虫害胁迫方法与最新研究进展 设计方法和竞品分析都比较详细，建议增加特定农作物的病虫害类型描述，以及深度学习如何不断迭代模型、增强智能的设计 C等级 智慧农业-精准节水灌溉 内容应突出精准二字，精准的灌溉时间、地点、水量等，计划书还需从系统的角度增加产品结构的描述 人工智能在水产养殖中研究应用分析与未来展望 应写出应用人工智能后水产养殖的产量、水产的生长状态。计划书还需聚焦，而不是泛泛而谈 表 1小组项目计划书案例老师讲授学生实践组队选题完成初稿修稿提交终稿物联网篇大数据篇人工智能篇穿插案例实时指导参与“互联网+”比赛任务/时间学期周数123456789101112131415161718秋季春季110“指尖农云”“怡果视界”“慧眼”“捷佳润智慧农园”投放参考文献 30 篇期中点评反馈意见宣讲 PPT 评定成绩21-2024 年 4 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture图 3广西大学智慧农业实践平台部署图在种植区域内布置的传感器节点，负责采集环境信息并通过无线传输至 WSN 网关，WSN 完成 ZigBee到以太网通信协议的转换，服务器通过路由器和 WSN网关处于同一子网内，经过 WSN 驱动完成数据的传输任务13。NI-WSN 测量节点能够直接接入传感器。本装置采用电池提供电源，四节 5 号电池可以为本装置提供三年的时间。当用于户外时，可以在装置外部增加一个 NI 防护外壳。还可以对节点进行自定义编程。另外网关节点负责采用 2.4 GHz、IEEE802.15.4 无线基于 ZigBee 技术从传感器网络中收集测量数据，集成在 WSN-9791 软件包 NI-WSN 中，能够帮助用户快速配置传感器网络，并结合 NI-LabVIEW 图形开发环境实现测量数据的提取、分析与显示14。3.3专家库设计专家值设置模块为种植者提供了一个农作物生长环境参数调控的标准。专家值设置的数据全部来自专家数据库，在采集的原始数据基础之上进行数据清洗和筛选之后构成了数据源，将数据源中的数据和专家数据库中的数据进行对比和分析并形成相应的记录反馈给用户。针对普通用户，在权限判断的前提下只能访问本基地已经配置好的专家值，并接收与专家值对比之后反馈的报警信息15。针对种植基地的管理员，则有权访问本基地所有专家值并进行专家值的增删改查。针对整套系统的平台管理员，则可以修改所有不同基地的所有专家值，配置任意基地的专家值，并且增加新入驻的行业或者是种植基地或者对已有行业进行修改、删除。除了供用户和管理员的直接访问和使用之外，同时也导入前台动态数据，进行种植过程的参数异常报警设置，最终帮助农场主实现设备的闭环控制。3.4溯源系统设计溯源模块实现了对农产品种植情况的管理和控制。具体包括添加种植记录的详细信息、查询种植记录的详细信息、修改种植记录的详细信息及删除种植记录的详细信息。特别是通过农药、化肥的使用记录看出产品是否绿色有机，是否可作为放心的健康产品。此外系统管3.2平台结构平台位于校园内的大棚（封闭式种植区域）和农田（开放式种植区域），图 3 描述了实际部署情况。其特点如下：淤准确获得大棚内温湿度、降雨量、光照强度、CO2浓度及土地肥力等参数；于采用 RPL 路由算法对WPAN 进行布放12；盂为降低成本，采用无线传输方式；榆监测到数据异常后可及时反馈给用户。图 2智慧农业教学案例要要要野指尖农云冶农业物联网系统大棚区域工作室光照传感器、土壤传感器，连接低功耗蓝牙收集数据大棚 1大棚 2监控室无 线 AP，通过 蓝牙手机 传感器信号，传回监控室上位机通过无线 AP收 集 信号，按协议传回服务器数据云平台（工作站）WEB 端移动端 微信平台农田区域芒果区域荔枝区域区域 1区域 2区域 3区域 1区域 2区域 3WSN 传感器无线节点，能够收集温 湿度、CO2、酸碱度和光照数据视频监控桩能够收集监控数据，并能进行供电及提供 WIFI网络光纤回传数据Internet回传数据应用层汇集层采集层手机应用（实时监控）web Service（数据挖掘）螃蟹草鱼龙虾蘑菇甘蔗芒果专家配置（生长周期，调整参数）硬件服务（NI-WSN）22-2024 年 4 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业理员对农产品企业的农产品出库记录进行统筹管理，以动态更新企业的农产品库存，以及出库后的流经城市进行记录，为农产品的质量溯源提供出库依据16。4课程思政设计目前乡村振兴建设和数字乡村发展均缺乏实用型、复合型农业技术人员，而高等院校毕业生大多不愿去基层农业技术推广机构从事相关工作17。智慧农业课程是转变传统农业教学理念、增强学生服务农业农村现代化意识的重要契机18。所以，智慧农业要全面加强并普及专业思政建设，提炼课程中蕴含的核心思想要素和精神价值，将其融入智慧农业课程，达到专业教育教学中知识的传授与价值引领的有机协同，从而引导学生“懂农业、爱农村、爱农民”。课程团队致力于树立以强农兴农为己任的精神，注重传授学识的同时，传扬科学家勇于探究的精神，爱国爱家的情怀和坚韧不拔的意志，整个授课环节贯穿“大国三农”情怀及扎根农村，服务农村、奉献于农村的职业生涯等诸多与科学素养相关的知识，让课堂的内涵和主旨凸显“顺应新时代发展格局、增强服务乡村全面振兴的使命感和责任感，培养知农爱农创新人才”这一主线（表 2）。5结束语智慧农业课程以理论知识与实践相结合为主，邀请智慧农业相关企业技术人员授课，结合智慧农业教学案例开展深入分析，线上教学与线下教学相结合，自主教材与慕课课程相结合，以小组研究式教学为主要创新开展课程建设，组织学生分组撰写“互联网+”大赛项目计划书，调动学生参与智慧农业相关项目的积极性和主动性，融入课程思政建设，强化学生的“三农”情怀、责任担当、科学精神、创新精神和个人素养等方面的素养，培养服务乡村振兴和数字乡村建设的实用型、复合型、创新型技术人才，助力数字乡村发展。自团队进行智慧农业课程教学改革以来，农科类学生的创新创业精神和能力显著提升，参与“互联网+”大赛的数量逐年增加，2022 年第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛农学院学生参加 459 项，居全校第一；学生培养质量也得到了提高，近三年获得“互联网+”大赛省级奖励共 26 项，本科生累计参加各类大学生创新创业或科研项目 75 项。课程团队承担相关省级教育教学改革项目和科学研究 6 项，校级一流课程倍增计划 1 项，发表教改论文 3 篇，其中中文核心2 篇，撰写智慧农业教材 1 门。因此，探索全面推动乡村振兴下农科类智慧农业课程教学的新形式，必然要将其纳入到农业人才培养体系中。未来，团队将进一步加大教学改革的力度，与相关智慧农业企业和行政管理部门合作授课，进行“科教+产教”双融合、“农科+工科”双融合、“思政+课程”双融合的智慧农业教学内容改革，为数字乡村发展培养更多农业技术人才。参考文献院1 宁甜甜.新发展阶段我国智慧农业：机遇、挑战与优化路径J.科学管理研究，2022，40（2）：131-138.课程内容 课程思政元素 课程思政目标 智慧农业中的物联网及大数据技术 在智慧农业教学中，强调自主知识产权的重要性。讲解农业信息化如果基础设施和底层技术掌握在别人手里会产生的后果，不只是生产效率问题，更重要的是粮食安全问题，就势引申出北斗播种车、新疆棉种植等内容，进而进行自主核心技术的重要性教育 对学生进行爱国主义教育，提升学生的民族自豪感；增强保护产权、自主创新的意识和责任感；深刻认识本专业在保障粮食安全、保护生态环境及保障人民身体健康等方面使命和作用，稳定学生的就业思想 人工智能 从图结构引申到人工神经网络和深度学习（多层神经网络），从 AlphaGo战胜李世石、柯洁，ChatGPT-4 问世及其对人类社会的影响，引入人工智能的最新发展，并介绍中央网信办、农业农村部、国家发展改革委、工业和信息化部、国家乡村振兴局联合印发 2023 年数字乡村发展工作要点，让学生了解人工智能将使农业生产发生根本性变革 宣传我国农业大有可为的前景，鼓励学生“学农、知农、爱农、强农、兴农”；引导学生有科学研究的精神，正确把握专业学习内容、专业发展态势和与本专业相关的就业创业情况 撰写项目计划书 以小组为单位完成创业计划书的撰写，鼓励学生积极查阅资料、提出问题、充分讨论并形成科学合理的解决方案；在过程中强调创新不仅要敢于创新，还要有共赢合作的精神 挖掘学生的创新思维，善于质疑，评估想法，制定目标和计划；提升学生个人素养如团结协作和与时俱进的奋斗精神 表 2智慧农业课程思政设计渊下转 28 页冤23-2024 年 4 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture新方法。5结论随着科技的进步和全球化的趋势，智慧农业在中国逐渐成为发展的焦点。这种新型农业模式依托现代信息技术，旨在提高农业的生产效率和可持续性。但要确保其在广大农村地区的健康、高效和持续推广，我们必须解决多个核心问题。经营主体应紧密合作，强化跨部门的协同，同时，提高对智慧农业技术与应用的认识和能力。财政支持和资金策略也是推动智慧农业的关键，需要更加注重对技术研发、关键领域和前景项目的投资。此外，没有专业技术人才的培养与引进，智慧农业的创新与实践都将受到限制。综合看来，智慧农业在我国的健康和持续发展需要政府、企业、学术界和各个部门的共同努力，确保资源的合理分配和有效利用，培养足够的专业人才，并不断创新和完善技术。参考文献院1 张在一，毛学峰.“互联网+”重塑中国农业：表征、机制与本质J.改革，2020（7）：134-144.2 胡坚波援关于城市大脑未来形态的思考J援人民论坛学术前沿，2021（9）：50-57援3 江小涓，罗立彬援网络时代的服务全球化新引擎、加速度和大国竞争力J援中国社会科学，2019（2）：68-91，205-206援4 余晓晖.从生产创新范式等多方合力推动互联网发展实现新变革J.互联网天地，2021（7）：17-18.5 江小涓援高度联通社会中的资源重组与服务业增长J援经济研究，2017，52（3）：4-17援6 李周，温铁军，魏后凯，等援加快推进农业农村现代化：“三农”专家深度解读中共中央一号文件精神J援中国农村经济，2021（4）：2-20援7 肖荣美，霍鹏.加速产业数字化转型 促进经济高质量发展J.信息通信技术与政策，2019（9）：27-30.8 马红坤，毛世平，陈雪援小农生产条件下智慧农业发展的路径选择基于中日两国的比较分析J援农业经济问题，2020（12）：87-98援9 熊航援智慧农业转型过程中的挑战及对策J援人民论坛 学术前沿，2020（24）：90-95援10 GOEL R K，YADAV C S，VISHNOI S，et al.Smart agricul原ture-Urgent need of the day in developing countries J.Sus原tainable Computing：Informatics and Systems，2021（30）：100512.2 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