物聯(lián)網(wǎng)背景下作物種植和管理系統(tǒng)學(xué)科融合案例課程內(nèi)容建設(shè)與探索*

牟向陽，宋衛(wèi)海，張光騰，楊碩林

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

隨著新農(nóng)村的建設(shè)，以及在中央大力倡導(dǎo)的脫貧攻堅(jiān)與鄉(xiāng)村振興政策的支持下，農(nóng)業(yè)形態(tài)發(fā)生了迅速的變化，科技興農(nóng)的理念深入人心，農(nóng)業(yè)裝備和農(nóng)作物的種植管理迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，需要將更多科技手段應(yīng)用到農(nóng)業(yè)種植和管理中，為鄉(xiāng)村振興插上騰飛的翅膀。

智慧農(nóng)業(yè)有望改變現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，推動農(nóng)業(yè)改革。但是由于我國智慧農(nóng)業(yè)才剛剛起步，基層農(nóng)村能夠熟悉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)方面的人才缺口很大，通常熟悉這些技術(shù)的人員對農(nóng)學(xué)的了解很少，而熟悉農(nóng)學(xué)的學(xué)生往往對這些新興技術(shù)又不擅長。因此，如何在農(nóng)學(xué)專業(yè)中普及現(xiàn)代信息技術(shù)成果，為我國培養(yǎng)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域具有工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的綜合型高素質(zhì)人才是智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)所要思考的關(guān)鍵問題，對實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的智能化、無人化、智慧化發(fā)展有著舉足輕重的意義。

目前，有部分農(nóng)業(yè)院校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等專業(yè)，但是，在實(shí)施過程存在很多難以解決的問題，例如，天津農(nóng)學(xué)院開設(shè)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程，該課程主要為實(shí)踐類課程，授課對象為碩士研究生，沒有涉及應(yīng)用型本科院校[1]，研究生的起點(diǎn)較高，數(shù)量相對較少，據(jù)走訪調(diào)研得知，相關(guān)專業(yè)碩士研究生畢業(yè)后很少會回到農(nóng)村從事研發(fā)并進(jìn)行工作。楊森等人提出的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與探索——以農(nóng)業(yè)院校為例，課程內(nèi)容比較獨(dú)立，沒有將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與農(nóng)業(yè)種植知識很好地融合起來[2-3]，沒有提及具體的農(nóng)業(yè)種植與管理案例課程建設(shè)。李世寶等人提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下無線通信原理課程案例庫的建設(shè)，沒有關(guān)于農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域的相關(guān)案例[4]。

目前，為解決農(nóng)業(yè)院校課程內(nèi)容普遍存在的問題，精準(zhǔn)培育農(nóng)業(yè)科技人才，山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院設(shè)計(jì)了作物種植和管理系統(tǒng)課程，該課程為案例課程，電氣工程及自動化、機(jī)械電子工程、機(jī)械工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的學(xué)生為授課對象，以實(shí)際案例貫穿整個(gè)授課內(nèi)容。

1 作物種植和管理系統(tǒng)課程案例教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容

結(jié)合農(nóng)業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)和農(nóng)業(yè)專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新性和綜合型人才發(fā)展的需要，促進(jìn)多學(xué)科融合，緊跟我國“應(yīng)用、融合、素養(yǎng)、減負(fù)”教育改革的步伐，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)的教學(xué)思路，作物種植和管理系統(tǒng)課程案例旨在使學(xué)習(xí)者了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的最新政策、發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，了解現(xiàn)代信息技術(shù)基本知識及其技術(shù)原理，掌握“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)、農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新基本知識、基本原理和基本技能，實(shí)現(xiàn)普及智慧農(nóng)業(yè)信息技術(shù)知識、提升實(shí)戰(zhàn)能力的課程教學(xué)目標(biāo)。改革傳統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，解構(gòu)原有教學(xué)體系，重構(gòu)多學(xué)科融合的教學(xué)內(nèi)容，主要包括智慧農(nóng)業(yè)基本知識、信息技術(shù)常識、環(huán)境/長勢監(jiān)控——數(shù)據(jù)分析——遠(yuǎn)程可視（含手機(jī)端）現(xiàn)場種植情況等內(nèi)容，開發(fā)基于作物種植和管理系統(tǒng)典型案例、搭建柔性實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新一體化平臺、綜合應(yīng)用傳感器教學(xué)，將理論知識與真實(shí)案例結(jié)合，結(jié)構(gòu)上劃分為三個(gè)大模塊，分別為智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，每個(gè)大模塊又可以細(xì)分為多個(gè)小模塊，每一個(gè)小模塊就是一個(gè)教學(xué)案例。

課程的授課內(nèi)容，既有作物種植技術(shù)、農(nóng)作物病蟲害防治技術(shù)、節(jié)水灌溉，又有傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)，主要講解作物種植技術(shù)，高效農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通信技術(shù)。課程案例來自于企業(yè)真實(shí)案例，是融合農(nóng)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的專業(yè)理論知識，構(gòu)建了一門具有現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特色的實(shí)踐課程，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有可視化農(nóng)業(yè)種植環(huán)境、作物管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)預(yù)警系統(tǒng)、云技術(shù)體驗(yàn)、基于植物工廠環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于植物工廠環(huán)境因子無線通信系統(tǒng)[5]，如表1所示。

2 案例教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

我校一直以來鼓勵(lì)教師參與企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，依據(jù)教師參與的企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，將教師在企業(yè)項(xiàng)目中獲得的經(jīng)驗(yàn)、知識、技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，然后按照校企合作的辦學(xué)模式，引進(jìn)企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目，結(jié)合我校人才培養(yǎng)目標(biāo)，對接教學(xué)項(xiàng)目與學(xué)生實(shí)踐課程凝練出六大課堂教學(xué)案例，在課堂教學(xué)活動中實(shí)施[6]，依托山東科大集團(tuán)智慧農(nóng)業(yè)示范園，山東綠躍川智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司、青島佳墾農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司，山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院智能溫室實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺，設(shè)置課程案例，實(shí)施實(shí)踐教學(xué)，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)院校培育面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的綜合型專業(yè)技術(shù)人才的質(zhì)量。

2.1 作物種植技術(shù)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

根據(jù)農(nóng)作物種植生產(chǎn)環(huán)境，搭建可視化農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，改進(jìn)農(nóng)作物種植生產(chǎn)方式。設(shè)置種苗種區(qū)和無土栽培區(qū)，包括作物育苗過程、種植技術(shù)案例，引導(dǎo)學(xué)生既要學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)種植相關(guān)知識，又要進(jìn)行親身實(shí)踐。還包括無線灌溉控制系統(tǒng)、智能氣象站、物聯(lián)網(wǎng)蟲情測報(bào)系統(tǒng)，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植知識的好奇心，感受現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)架構(gòu)、管理方式、種植技術(shù)、科技力量、高效生產(chǎn)等擁有核心競爭力的內(nèi)容。

2.2 高效農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

根據(jù)農(nóng)作物種植生產(chǎn)方式，搭建作物管理系統(tǒng)、農(nóng)作物生長環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、農(nóng)作物病蟲害防治系統(tǒng)，課程內(nèi)容涵蓋了種植方式與植物生產(chǎn)技術(shù)、主要病蟲害及防治知識、管理技術(shù)等案例。引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)智慧大棚控制系統(tǒng)，親身實(shí)踐遠(yuǎn)程獲取農(nóng)作物種植環(huán)境的溫濕度、土壤或營養(yǎng)液的酸堿度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用信號分析與處理的知識，通過大數(shù)據(jù)對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建系統(tǒng)模型，可以自動控制溫室濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補(bǔ)光等設(shè)備；同時(shí)，還可以通過手機(jī)、觸摸屏、計(jì)算機(jī)等信息終端向管理者推送實(shí)時(shí)監(jiān)測信息、報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的信息化、智能化遠(yuǎn)程管理。可減少人工成本，實(shí)現(xiàn)無人值守，精準(zhǔn)調(diào)控，有效規(guī)避生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

利用電工電子技術(shù)、光通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)搭建農(nóng)業(yè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農(nóng)作物信息處理技術(shù)、節(jié)水灌溉系統(tǒng)、農(nóng)作物網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺三部分案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)環(huán)境作物的信息采集與處理、農(nóng)作物數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、農(nóng)作物智能節(jié)水灌溉等知識和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)園林、果園、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)等領(lǐng)域作物信息分類統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)報(bào)傳、遠(yuǎn)程檢測、灌溉預(yù)警和防治指導(dǎo)的自動化、智能化。

2.4 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

從實(shí)踐出發(fā)，現(xiàn)場演示并讓學(xué)生體驗(yàn)云技術(shù)，通過農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要應(yīng)用等案例，凝練出信息處理技術(shù)常識、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識、云計(jì)算技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生了解和掌握Hadoop平臺搭建、虛擬化技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)，掌握并施行編程模式及其程序的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合案例教學(xué)使學(xué)生了解和體驗(yàn)幾個(gè)經(jīng)典的云計(jì)算案例，如Google、Amazon，Openstack等云計(jì)算平臺，掌握典型虛擬機(jī)調(diào)用算法實(shí)現(xiàn)，掌握云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)。

2.5 農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

課程內(nèi)容結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)，以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用為案例，搭建基于植物工廠環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，涵蓋傳感器技術(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集技術(shù)；以典型傳感器應(yīng)用為案例，學(xué)習(xí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用、信息采集方式、體驗(yàn)采集技術(shù)及成果，以實(shí)時(shí)采集新型智能大棚環(huán)境因子等參數(shù)為案例，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化和可視化，指導(dǎo)農(nóng)戶對溫室進(jìn)行監(jiān)測，通過手機(jī)或電腦可以在家中、異地，及時(shí)了解溫室作物的生長狀況，智能提醒其澆水、除草、開窗等處理，實(shí)時(shí)觀察溫室的動態(tài)，避免了傳統(tǒng)種植中收成靠天、靠人的弊端。讓學(xué)生了解溫度、光照、CO2濃度、土壤濕度等參數(shù)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要影響以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的差異，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識，掌握現(xiàn)代農(nóng)業(yè)傳感器在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)傳感器種類，如表2所示。

2.6 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通信技術(shù)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT）在設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集案例的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式布局，通過節(jié)點(diǎn)間自組網(wǎng)的通信方式，搭建基于植物工廠環(huán)境因子無線通信系統(tǒng)，了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通信架構(gòu)，掌握ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi等本地?zé)o線通信技術(shù)及應(yīng)用，以及4G/5G等遠(yuǎn)程通信技術(shù)[7]。

ZigBee通信案例硬件采用ZigBee CC2530設(shè)備，搭建本地局域網(wǎng)，包含一個(gè)協(xié)調(diào)器，多個(gè)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器布置在遠(yuǎn)程控制中心，本地分別安裝溫度、濕度、二氧化碳、光敏、酸堿度等傳感器，每個(gè)傳感器與Zigbee模塊形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)方案通過協(xié)調(diào)器配置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)加入，然后按照采集策略獲取所屬傳感器數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙串口通信案例硬件采用HC-O6-M主機(jī)通信模塊，每個(gè)傳感器配置HC-06-S模塊，讓學(xué)生通過AT指令修改模塊為從機(jī)作為一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，然后將串口轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙通信，獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，從而使學(xué)生掌握藍(lán)牙通信技術(shù)和AT指令。

利用移遠(yuǎn)公司的EC20 4G模塊，連接移動互聯(lián)網(wǎng)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破鳎ㄟ^控制器及平臺軟件實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息和設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)作物種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，讓學(xué)生了解4G模塊的工作原理、掌握通信方式、工作特點(diǎn)、4G入網(wǎng)技術(shù)、LTE協(xié)議，采集系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示[8]。

圖1 采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程案例教學(xué)方法設(shè)計(jì)

作物種植和管理系統(tǒng)課程教學(xué)以項(xiàng)目驅(qū)動，采取任務(wù)分解的教學(xué)模式，每個(gè)任務(wù)融入PBL教學(xué)模式，在理實(shí)一體化的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使學(xué)生完成理論+實(shí)踐的學(xué)習(xí)。授課教師全部是具有豐富企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的雙師型教師，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，通過完成一個(gè)完整項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)活動。利用課前設(shè)置引導(dǎo)預(yù)案，設(shè)置問題，學(xué)生提前預(yù)習(xí)理論知識點(diǎn)，課中先分組討論，再通過講練結(jié)合掌握理論知識和實(shí)踐技能，課后發(fā)布案例視頻，鞏固理論知識，補(bǔ)充案例作業(yè)，充分利用校企合作的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺，鍛煉實(shí)踐技能，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。

4 結(jié)束語

綜上所述，跨學(xué)科課程建設(shè)打破了學(xué)科界限，可以吸引不同學(xué)科教師互助與合作，組建教學(xué)與科研團(tuán)隊(duì)，建設(shè)優(yōu)質(zhì)課程，有利于教師的發(fā)展提升，打造專業(yè)發(fā)展共同體。

案例課程能夠讓學(xué)生直面現(xiàn)實(shí)情境下的真實(shí)問題，能夠幫助學(xué)生明晰作物種植和管理的知識以及學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的意義，主動提高學(xué)習(xí)興趣。參與案例實(shí)踐的過程，使學(xué)生具有解決問題、提高思維能力的意識，以及綜合應(yīng)用各種知識、技術(shù)、工具解決實(shí)際問題的能力。

項(xiàng)目化的教學(xué)模式將在項(xiàng)目的研究與開發(fā)中培養(yǎng)項(xiàng)目思維，讓學(xué)生以更高、更廣、更多的視角去學(xué)習(xí)知識，分析問題，總結(jié)意見，聯(lián)系實(shí)際，得出結(jié)論，最終提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，達(dá)到學(xué)生工農(nóng)兼修，學(xué)以致用，全面發(fā)展的目的。

通過以上探索分析可以看出，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)院校學(xué)科交叉融合的目標(biāo)，案例教學(xué)具有不錯(cuò)的效果。不同學(xué)科間橫向協(xié)同，借助校企深度合作，對原有單一學(xué)科課程進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，開發(fā)了一門作物種植和管理系統(tǒng)案例課程，改變了傳統(tǒng)單一學(xué)科的教學(xué)模式，并在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了初步應(yīng)用，效果明顯，后續(xù)將在全校范圍內(nèi)推廣，融合物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)學(xué)專業(yè)的跨學(xué)科課程內(nèi)容建設(shè)，對提高農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。