淺談物聯網技術在農業院校的教學現狀及教學方案

胡欣宇 張瑞雪

摘 要：隨著我國農業現代化水平的發展，物聯網技術在農業領域中有著廣泛的應用前景，專業人才匱乏是制約農業物聯網發展的主要問題之一。作為培養高技能人才的高校，建設完善合理的農業物聯網教育體系，培養滿足產業發展需求的專業人才是當務之急。文中通過分析高校農業物聯網教學的發展現狀和需求，闡述了教學的建設目標與思路，并從目標定位、課程安排、配套設置、聯合培養這四個方面提出了高校農業物聯網的教學方案，文章對農業物聯網的教學具有重要意義。

關鍵詞：物聯網；農業現代化；高校；教學方案

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-0-04

0 引 言

物聯網技術是推動我國農業向“高產、優質高效、生態、安全”方向發展的重要驅動力。自2005年11月17日，在突尼斯召開的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟發布的《ITU互聯網報告2005：物聯網》報告中提出：無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體都可以通過一些關鍵技術，包括通信技術、射頻識別技術、傳感器技術、機器人技術、嵌入式技術和納米技術等，用互聯網連接在一起，使世界萬物都可以上網。隨著我國由傳統農業向現代化農業發展的步伐邁進，農業物聯網已是大勢所趨。農業物聯網的應用一般通過大量的傳感器節點構成監控網絡，從而通過傳感器采集農業物聯網技術集成無線通訊網絡、自動控制等高新技術成果，加之先進傳感器的幫助，達到對農業環境與資源、動植物生長軌跡等農業領域的實時監測，取得動植物生長狀態、植物水肥狀況、植物病蟲害以及其他相應農業生態環境的實時信息，并通過物聯網技術動態模擬農業生產過程，科學調控生長環境中的各個要素，以幫助農民及時發現問題，并且準確定位發生問題的位置。由此，農業將逐漸從以人力為中心、依賴于機械的傳統生產模式轉向以信息和軟件為中心的現代化、信息化的生產模式，達到合理使用資源、降低成本、改善環境、提高農產品產量和質量的目的。目前，我國農業物聯網技術應用總體處于初步應用階段。

1 農業物聯網的發展背景及現狀

2009年8月，溫家寶總理在無錫考察時，提出了“感知中國”的概念，由此掀起了物聯網在我國發展的熱潮。為響應國家與社會的號召與需求，近幾年來，我國各省、市都已紛紛制定出臺了本區域內的物聯網產業規劃，然而盡管如此，我國的物聯網工程及物聯網相關專業的可用人才依然無法滿足當下發展的如火如荼的農業物聯網對人才的需求，這已然成為遏制我國當下農業物聯網發展的重要原因之一。許多地區及企業已經提前開始了物聯網專業型人才的爭奪戰。為了適應我國戰略性新興產業發展的需求，人才培養成為當務之急。農業物聯網的發展需要專業型人才為之努力，而人才的培養則主要依賴教育。因此，高校作為教育的金字塔頂端，對培養物聯網人才有著不可推卸的責任。于是，許多高校紛紛把握時代脈搏，相繼開設了物聯網這一專業。

自2010年起，教育部批準了首批32所大學開設物聯網專業，其中包括北京理工大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學等。2011年教育部審批通過27所大學設置物聯網專業，其中包括江南大學、華僑大學、河北師范大學、長春大學等。2012年審批通過了79所高校開設物聯網專業，至此，物聯網專業已使得各高校趨之若鶩，紛紛申報。至2012年6月，國家一共審批了包括專科院校在內的物聯網專業院校138所，而這一數字仍在不斷增加[1]。

2 農業物聯網教學存在的問題

2.1 培養目標模糊

如上文所述，物聯網專業在我國高校中甚為“流行”，然而通過查閱文獻資料發現，截至2012年6月，我國教育部審批通過的具備物聯網工程專業招生資格的138所本科及專科院校中，只有河北農業大學、山東農業大學和新疆農業大學這 3 所農業高校開設了農業物聯網工程專業，但這幾所高校對于農業物聯網人才的培養目標與其他綜合類高校的培養目標相似，并沒有涉及到足夠的農業領域背景知識[2]。農業物聯網支撐著現代農業的發展，“十二五”期間預計農業物聯網領域需要大約1 000萬人才，這樣巨大的人才需求提供了巨大的市場以發展農業物聯網工程，然而當前許多高校培養出的農業領域的物聯網工程專業人才并不能滿足國內人才市場的巨大需求，主要原因就在于高校的培養目標模糊，所培養出的人才不具備面向農業物聯網的應用能力。

2.2 重理論輕實踐

我國教育體系一直存在的最大詬病即重理論教育，而忽視了實踐技能；重視書面考試成績，而忽視了應用能力。教學方法對于教學質量而言至關重要，然而目前大多數高校中還普遍存在傳統的“硬灌輸”教學方法，教師照本宣科，課堂氣氛不夠活躍，學生上課積極性不高，對專業前景與應用也不甚了解。許多學生為了能夠順利通過考試，只能在考試之前死記硬背，這樣導致學生應該掌握的知識沒掌握，相應的分析問題和解決問題的能力也就無法得到提高。這種應試教育的弊端不應再繼續存在于農業物聯網的教學中。許多學生大學四年枉讀書，只會“紙上談兵”，一旦需要實踐研究，能力就顯得十分薄弱。農業物聯網是一門應用型學科，高校與學生都應當明白——學習這門專業的意義并不在于考試成績，而在于是否能夠將其應用到農業實踐中。

2.3 配套設施不完善

許多高校在物聯網方面沒有足夠完善的實驗室與實訓計劃，使得學生只能掌握生硬的書本知識，而無法感受物聯網的魅力。且實驗室大多緊缺甚至沒有配備，實驗器材也存在不夠先進、跟不上教學水平等問題。農業物聯網作為專業性很強的學科，應當讓學生有實訓的機會，在實踐中應用所學的知識，才能將知識掌握的更加牢固。然而據調查，許多高校的物聯網工程類學科并沒有進行實訓，只是把這一重要環節交給學生自主完成，而許多學生便敷衍了事或者因為找不到實訓場所而沒有進行，這就導致了應用技能的欠缺。

2.4 師資力量欠缺

近年來，由于國際、國內物聯網產業不斷蓬勃發展，各個行業物聯網專業人才的需求量均在日益增大。從招生角度看，物聯網旺盛的前景使得這一專業必定會受到廣大學生與家長的認可；從就業角度看，物聯網專業人才的短缺必定會推動相關專業的就業率。然而目前在我國，物聯網作為一門新型學科，缺乏能夠承擔教育重任的大批高素質人才。日益增長的高校物聯網類學科與師資人才的缺乏，是高校物聯網教學中急需解決的問題[3]。

3 農業物聯網教學思路

3.1 定位人才培養目標

定位人才培養目標是高等教育人才培養的根本條件與教學前提，直接關系到本學科與專業發展的方向及目標，是開展各項教育教學活動的出發點和最終目的。目前，國內大多數高校物聯網相關專業的培養計劃均普遍處于起步與探索階段，存在著培養目標不明確，培養方案、教學模式趨于傳統等問題，農業物聯網領域人才需求與當前高校的培養方案和培養模式存在著較大偏差，從而造成了農業物聯網領域的人才緊缺現象。物聯網類專業的教學發展趨勢是專業知識與具體專業領域知識相結合，作為農業物聯網人才培養高校，在教學中應當銘記：既掌握物聯網技術又了解農業領域相關知識的復合型、專業型人才是時代所需，是農業物聯網工程行業的應用之才。2012年，國家教育部信息中心預計“十二五” 期間我國農業物聯網領域需要的人才缺口巨大。無論是傳統農業的轉型，抑或是城市型農業和養殖業，這些行業的現代化轉型都離不開農業物聯網設備和具有綜合知識的物聯網技術人才。鑒于此，農業物聯網工程專業的人才培養目標應當定位為： 立足高校，面向全國，培養適應當代社會發展需要的德、智、體全面發展，具有扎實的物聯網工程專業知識、農業領域背景知識和一定人文知識，且實踐能力強，面向農業以及其他應用領域的高素質應用型人才。農業物聯網知識體系如圖1所示。

農業物聯網教學應做到使學生了解物聯網工程的相關技術，且對物聯網的各個領域都有足夠的認識。針對農業物聯網專業，學生應當了解當下智慧農業領域的技術與應用，在這一基礎上了解物聯網產業應用的整體系統，并應當有能力跟蹤物聯網的新技術、新領域，及時了解農業物聯網的發展前景與應用領域，對本專業的發展方向與就業也應有明確認識[4]。

3.2 合理計劃課程體系

課程體系的構建是高等教育培養目標和專業建設實施的核心方法，必須圍繞著人才培養目標展開，理論教學與實踐教學并重，教學與考核并重，只有這樣才能培養出符合要求的高端應用型人才。

3.2.1 理論教學與實踐教學并重

在理論教學方面，理論知識包括普通基礎類課程、自然科學類課程、專業主修課和專業選修課四個方面。其中，普通教育基礎類課程包括文史哲類課程、英語和素質教育類課程，通過這些基礎類課程的學習，可以保證學生的健康成長，促進獨立思考、獨立解決問題能力的形成；自然科學類包括數學、電子等課程，為物聯網工程的研究工作做知識上的儲備；專業主修課程由傳感器原理與RFID、嵌入式技術及應用、物聯網技術與物聯網產業導論、現代農業技術概論、通信原理、物聯網體系結構等課程構成，可以使學生學習到物聯網專業的基礎理論知識和農業領域的背景知識，建立起對農業領域物聯網工程專業的整體認識，形成物聯網學習的思維方式；專業選修課方面包括開設物聯網其他領域的知識課程，學生可以根據自己的興趣來選擇[5]。

實踐教學方面，應當增加實踐教學的比重，從一開始就培養學生的動手意識與實踐能力。實踐教學的教學方法可基于實際的項目開發與建立，在教學中注重技術應用的培養。結合當下的農業物聯網技術與發展趨勢，實踐教學的具體內容包括精確農業物聯網實驗——這一實驗主要應用于研究智能農業大棚中的物聯網技術，建立無線網絡監控平臺，結合農業領域專用系列傳感器對農產品生長環境中的溫濕度、pH值、光照以及土壤養分等數據進行采集和傳輸；精準農業數字化管理實驗——本實驗主要用于溫度、光譜等多種不同傳感器對農產品生長過程的全程監控和數據化管理，結合射頻識別電子標簽的應用，在生長與生產等過程中進行可識別的實時數據存儲與管理，實現農業生產的標準化、網絡化、數字化[6]；物聯網感應的智能灌溉實驗——該實驗通過采用高精度土壤溫濕度傳感器，依據土壤和作物用水實行精準灌溉，充分體現節水配備的作用，優化調度，提高效益。

3.2.2 知識、能力與過程性考核并重

（1）知識性考核。采用計算機在線考試系統，主要以客觀題形式考核學生對物聯網知識與物聯網技術的掌握程度，考核成績占課程總成績的30%。

（2）能力性考核。以實踐操作的開放性形式考核學生對農業物聯網體系結構的認知程度，學生以項目方案的形式提交成果，并對自己的設計進行匯報，從原創性、準確性和實用性三個方面進行綜合打分，考核成績占課程總成績的50%。

（3）過程性考核。從出勤率、思考與解決問題的能力、實訓設備的操作能力三方面綜合評估，本考核占課程總成績的20%。

3.3 實驗室與實訓設施

傳統的填鴨式教學方法已不再適用于當下的高校教學體系，會寫會讀不會做的學生并非農業物聯網工程所需要的人才。因此，在教學中提高學生的實踐能力與應用水平是當務之急，高校應配備完善設施的實驗室與實訓設施，使學生得以感受物聯網在農業中的應用，由此，才能夠將農業物聯網知識體系的技能學以致用，而不再是紙上空談。既可以使學生親身感受物聯網工程的工作環境，又可以激發學生對農業物聯網的興趣，更可以鍛煉學生的動手能力，提高綜合水平。農業物聯網配套設施結構如圖2所示。

3.3.1 實驗室

物聯網實驗室建設遵循開放性、擴展性和先進性原則，樹立“激發興趣，提升能力，應用為先”的理念，建設分三階段逐步實施：

（1）建設初期，以搭建傳感與網絡傳輸框架及基礎實驗模塊為主；

（2）建設中期基于教學與科研及面向實際的需求，拓展和細化各項實驗功能；

（3）建設后期以行業實際需求為導向，形成系統化的物聯網實驗應用平臺[7]。

物聯網實驗室由感知層、網絡層、應用層組建而成。通過對物聯網三個層次知識的綜合學習與實驗操作，實現對物聯網應用與管理的全面掌握。

（1）感知層由無線傳感網、射頻識別器件、嵌入式設備等共同組成前段的信息采集和控制終端；

（2）網絡層由光載無線交換系統（包括光載無線交換系統、模擬光纖、遠端射頻單元、WiFi設備服務器、以太網交換機）和其他網絡設備共同組成基于TCP/IP協議的可接入網絡平臺；

（3）應用層由后臺數據中心、遠程客戶端以及裝載在其中的各種應用程序共同組成，以實現前端信息和控制終端的管理[8]。

3.3.2 實訓場所

實訓場所的建設應以“緊跟發展趨勢，掌握應用能力”為實訓目標，形成集教學、實驗、體驗三種功能于一體的實驗平臺，根本目的是為了提高教學水平、拓展學生的操作能力，提高學生對知識體系的應用水平，為學生就業提供更強有力的實踐經驗。作為農業類院校，必需在實訓場所建設中充分實現內外結合，將物聯網專業設備對溫室大棚、動物養殖等場所對接，才能使學生便于理解并充分掌握農業物聯網中的技術與特點，實現“扎實基礎，充分實踐；先學農，再接物”的農業物聯網教學宗旨[9]。在實際操作中，建設實訓場所時應當主動與當地或附近區域的農業物聯網知名企業進行合作，充分利用獲得的資源。在教學中可將實訓基地劃分為教學區域、應用區域以及其他具體的實訓平臺，諸如溫室大棚物聯網應用平臺等，將課堂所學的計算機與網絡技術、射頻識別技術、無線傳感技術、移動通信技術等融入實訓當中，使學生得以充分體驗智慧農業，加深對物聯網知識體系的理解與應用，達到開展實訓的目的。

3.3.3 與高校、企業聯合培養

3.3.3.1 與高校聯合培養

據調查顯示，目前我國農林院校僅有三所院校開設了農業物聯網工程專業，并且由于設置時間短，缺乏教學實踐積累，暫時沒有成功經驗可以借鑒。因此，院校間的相互交流是少走彎路、盡快提升專業辦學水平的唯一途徑[10]。高校之間應當開展農業物聯網專業的聯合培養，共享資源、揚長避短、互相學習才能大大提高農業物聯網的教學水平與質量。

3.3.3.2 與企業聯合培養

根據其他高校的教學經驗，我認為校企合作辦學是農業物聯網工程的發展趨勢之一。高校若與企業進行合作、聯合培養，企業可以在學校的招生、教學、就業三個主要環節中實現參與并發揮積極作用。高校在物聯網教學中存在許多難題，諸如課程規劃、師資團隊、教材應用、實訓場所以及學生就業等問題，企業都可以發揮其能盡之力，幫助高校完善教學；而高校的教育一向緊跟時代步伐，追蹤技術潮流，亦可以幫助企業提升自我水平，吸納優秀人才。優勢包含如下幾點：

（1）企業可以提供課程規劃方面的建議。企業作為物聯網應用型產業，對于物聯網的發展方向具有一定的發言權，可根據企業的發展歷程與發展趨勢準確制定人才培養目標與課程規劃；

（2）企業可以提供師資團隊方面的支持。可以選出有意向的教師進行實訓或參與企業研發項目，積累經驗。企業中的工程師若有意向，也可以加入高校師資團隊，傳道授業解惑；

（3）企業可以在學生實訓場所方面提供便利；

（4）企業可以有效解決畢業生就業問題，及時發現并接受優秀的可用人才；

（5）企業與高校合作，可以聯合承擔科研項目，實現互利共贏[11]。

4 結 語

農業物聯網作為現代化農業的重要支撐，需要高校的關注與發展，才能培養出專業型人才。農業物聯網的教學應當確立明確的培養目標，以通信工程、電子信息、計算機科學等相關專業為背景，培養學生德、智、體全面發展，并提供完善的實驗實訓配套設施，只有理論教學與實踐教學雙管齊下，才能使學生真正掌握這一專業，并且能夠為其所用，成為國家所需要的高素質人才。

參考文獻

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