智慧農業背景下土壤學與農作學課程建設與教學研究

摘 "要：土壤學與農作學是農業水利工程專業的一門專業必修課，該課程具有多學科交叉、理論和實踐融合程度高的特點。在當前時代背景下，將智慧農業與土壤學與農作學教學相結合，培養出符合時代發展的復合型高水平農業專業人才是時代發展的趨勢。該文通過高新農業技術案例與課本對應章節相匹配的方式，為改善課本教學內容與現有高新農業技術的“脫節”現象提供途徑；通過結合數值模擬軟件的方式提升學生對課本中過程性理論知識的理解深度，進而構建課堂理論與課后實踐的高效互饋模式，為提高該課程內容應用性以及課程教學改革提出新思路。

關鍵詞：智慧農業；土壤學與農作學；教學研究；數值模擬；課程實踐

中圖分類號：G642 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）19-0013-04

Abstract： Soil Science and Agronomy is a required course for the major of agricultural water conservancy engineering， characterized by the intersection of multi-disciplines and a high degree of integration of theory and practice. At present， it is a trend to combine smart agriculture with Soil Science and Agronomy teaching to cultivate compound high-level agricultural professionals in line with the development of the times. By matching the cases of high and new agricultural technology with the corresponding chapters of the textbook， this paper provides a way to improve the \"disconnection\" between the teaching content of textbooks and the existing high-tech agricultural technology. The purpose of this paper is to improve students' understanding of the process theory knowledge in textbooks by combining numerical simulation software， and then construct an efficient mutual feed model between classroom theory and after-class practice. This paper puts forward new ideas on improving the application of the course content and the course teaching reform.

Keywords： smart agriculture; Soil Science and Agronomy; teaching research; numerical simulation; course practice

智慧農業是利用新一代信息技術，如物聯網技術、無線通信技術、遙感監測等手段，實現了高效化且智能化的農業管理，包括灌溉系統遠程控制、遙感衛星的災害預警、土壤或作物數值模擬等。近年來，智慧農業已經成為現代農業管理模式的代表，并隨著新技術的不斷發展和推廣，為我國的鄉村振興戰略開展提供強有力的支撐。農業部與網信辦聯合印發的《數字鄉村發展行動計劃（2022—2025年）》中，政府提出了促進智慧農業發展的行動計劃，推動其農業生產信息化快速發展。由此可見，智慧農業將是國家未來農業發展的重要前進方向，同時其發展將需要更高素質農業方向人才的推動，智慧農業的推廣與普及也能有效促進相關專業畢業生的就業質量。

土壤學與農作學是目前高等院校涉農類專業普遍開設的一門專業基礎課。課本內容與當前推廣的智慧農業領域高度契合，蘊含了智慧農業技術的底層邏輯和理論背景。根據現階段智慧農業發展的需要，本文對土壤學與農作學專業課程教學中出現的問題進行了探討，并提出了可行的解決方案，為適應新時代背景下以智慧農業為背景的人才培養提供教學模式參考。

1 "教學過程中拓展智慧農業理念的難點

經過眾多高校的長期教學實踐，土壤學與農作學課程教學方案及授課形式在不斷地優化改良，但依舊存在一些問題，這將阻礙智慧農業發展觀念在該門課程中的融合。問題具體分為以下3個方面[1]：①學生對待農業發展的關注度存在弱化傾向，其原因在于農業領域的就業狀況較其他行業相比無明顯優勢?，F今，網絡商業興起，社會對金融、計算機、物聯網等專業人才的需求大幅提升。然而，對于需長線投資且短期收益率低的農業生產類領域，相關的就業熱度較低，導致學生在專業選擇方面存在“輕農”思想，導致學生對相關課程的反響平淡，態度消極[2]。對于智慧農業發展而言，大學生對農業的消極態度不利于推進農業智慧化、數字化進程，且智慧農業的發展，需要從業人員長期的知識積累和實踐探索才能得以完善。因此，改變學生對農業領域的負面態度將有利于農業類的人才培養，并從根本上促進智慧農業的長效發展。②教學內容與現階段的農業應用技術存在脫節現象[3]。土壤學與農作學課程涉及土壤基本特性、土壤水分、土地耕作、灌溉制度設計和作物優選等理論技術體系，涵蓋內容面廣量大。同時，上述領域在當前時代的技術更替十分迅速，但課本教材的更新周期較長，難以與相關領域的前沿技術達到時效性的銜接[4]。例如，近年來出現的微潤管道是我國部分干旱地區大面積推廣的高效節水灌溉裝備，該裝備采用納米材料制成透水微潤管，并結合智能化輸配水裝置精準控制管內的水頭壓力，在作物根系范圍形成有效供水的濕潤體，進而達到提升灌水效率的最終目的[5]。微潤灌溉技術是智慧農業裝備在田間灌溉領域的一項重要成果，但課本教材上關于灌溉技術的講解和當前技術發展并非完全適配，尚以常規的灌水方式為主，不利于動態反映該學科的最新研究成果和發展現狀。教材中的內容不能滿足實際條件下，對應用型人才的知識儲備需求，從而間接地影響了學生的從業狀況。③對土壤學與農作學課程相關理論的理解難以深化。土壤學與農作學中諸多知識體系是建立在對試驗對象的長期觀測基礎之上，而有限的課時難以支撐學生了解過程性的理論知識體系。比如，作物不同生育期內的長勢變化，很難在短期內顯著體現，而較短的課時安排，不易讓學生在課堂教學過程中充分領悟相關過程的動態形勢變化，學生不能充分細致地去進行觀測學習，對土壤、作物、灌溉系統之間相互關聯的關系不甚了解，對理論的理解局限在課本上，導致理論理解并不深刻，難以發揮理論的實踐性。

2 "土壤學與農作學課程教學改革路徑

為了推進農業現代化的進程，當前對高校提供的人才水平也提出了更高要求。本著促進智慧農業發展和高質量農業人才培養的需求，本文從以下3個方面來提供優化土壤學與農作學專業課程教學的思路。

2.1 "優化教學模式提高學生對農業領域的認可度

在教學過程中，應基于國家提出的智慧農業發展計劃，對農業未來發展的良好前景向學生進行正向傳遞并以啟發學生為主，并適度地講解問題[6]。以作物生長發育期及相關影響因素為例，在課本中描述簡潔明了，但是學生對作物根系吸水機理卻一知半解。因此，為幫助學生成為主動學習者并深刻理解知識，可在校園內設立小型土壤或植被監測點，并結合利用試驗點設置的智能農業監測系統獲取數據，對土壤、作物相關信息進行可視化，加深對土壤作物關系的認知，可讓學生課后自主地觀測土壤的物理基本特性、土壤水分與作物與水分關系等基本概念的動態變化，實現課堂知識與課外認知的高頻互饋。

2.2 "結合具體案例深入了解農業智慧化現狀

通過學習研究、實地考察等方式了解最新智慧農業科技化、智能化現狀?，F階段的成果中，尤以農業系統裝備的革新為主，在授課過程中可結合具體智能化裝備進行章節內容講解。例如，在講解作物水分運移、根系吸水等相關內容時，可以結合實際農田灌溉監測系統中，作物水分如何運移的數據變化進行分析講解；或將遙感衛星對土壤水分監測數據的數據可視化來提高學生學習興趣；在講解土壤組成概念時，也可以通過土壤實物研究以及實地勘測等方法讓學生更好地理解和掌握知識。內容可以結合到課程具體章節里面，融入到認知實踐中[7]，詳見表1。

此外，除課堂中的知識的傳授和案例的介紹，應增加開放性的課后習題，進而其內容除了涵蓋對課本理論知識的考察，需加入對新型智慧農業技術裝備發展現狀的調研與思考，讓學生按照感興趣的領域自主分組，收集農業科技發展現狀的材料，最終讓學生整理成書面報告形式提交。通過上述方式可充分調動學生對土壤學與農作學課程內容學習的主觀能動性，大幅提高教學質量，并針對性地培養適合智慧農業不同領域的專業人才。

2.3 "結合數值模型實現課程理論與自我探索的高效互饋

在當前計算機技術高度普及的形勢下，數值模型的出現節省了實地研究需要的大量時間與材料成本，在土壤學與農作學的課程中使用不同的數值模型可以解決書中多種抽象理論如何聯系實際這一關鍵問題。例如，在暗管排水布置方面，DRAINMOD模型因為其操作簡便、模擬精度高，在國際上廣泛應用于排水系統的布設和排水效果的分析預測[8]；HYDRUS軟件可以用較高精度模擬多孔介質內流體的運移機制，適合用來研究在水分入滲情況下土壤內部含水率波動、水勢變化、流場變化趨勢等，該模型可通過色階圖動態展示結果變化，使得學生對抽象理論的理解更清晰直觀[9]；作物產量預測模型AquaCrop，是應用較為普遍的作物生長過程及產量的模擬軟件[10]。將模擬情況輸入數值模型中可以獲得相關結果的動態變化，數字終端的可視化顯示將使學生清晰地了解理論與實際中的對應關系和變化過程，該類軟件擁有可操作性強、結果可視化程度高，硬件門檻低等顯著優勢[11]，節省了學生在課余時間進行理論探索的成本，并為土壤學與農作學課程教學過程提供了新模式。

在教學內容以及科研培養上既要考慮是否突出智能化、現代化的農業特點，又要注重本地區的特點[12]。在專業性較強的土壤及作物類科研項目中，學生通過參與任課教師主持的科研課題，能夠提高學生自主思考及創新能力，也是培養適應地方發展需求的農業類人才的有效方式。在課題研究中進行模型數值模擬來提高對課本內容中抽象理論的理解，并能夠實際地了解現階段相關領域的發展方向和關注熱點，搭建“理論”與“實際”聯系的橋梁[13]。例如，江蘇省沿海墾區存在明顯的土壤鹽漬化問題，建設智能暗管排水系統，是目前有效促進降水對土壤鹽分淋洗的主要手段。學生可采用數值模型對沿海墾區的土壤水鹽變化，作物長勢進行動態模擬，進而設計比對不同灌溉制度下土壤水鹽的變化特征及作物的最終產量，分析多類環境因素對最終結果的影響程度，進而對研究結果進行歸納總結，提出最優的設計方案，實現學以致用的最終培養目標。通過將土壤農作學內容與區域水文地質特征相結合，構建智慧農業與地區農業發展相結合的實踐模式，具體流程如圖1所示，最終為培養實用型的農業水利工程人才打下土壤學與農作學方面的理論基礎。

圖1 "課程內容與實踐操作結合方式流程圖

3 "結束語

在大力倡導智慧農業的現狀下，土壤學與農作學教學方式也要順應時代發展。本文以課堂理論與課后實踐的充分融合理念為基礎，從學生認知、教學內容、教學手段等方面提出優化途徑，以期達到深化學生知識掌握程度及提升實踐探索能力的目的。

1）改變學生“輕農”的心態，通過專業未來前景介紹、課間實驗、相關農業數值模擬計算軟件應用等方式加強對農業關注度與認可度，進而提起學生對土壤學與農作學學習興趣。

2）通過實地考察、認知實踐等方式加強對智慧農業中現代化裝備的了解，將課本知識與實踐所得相結合，配合發散性的習題鞏固，來彌補土壤學與農作學課程知識與實踐產生的脫節問題。

3）通過數值模型的運用加深對《土壤學與農作學》教材中理論的理解，結合任課教師的科研課題或項目、進行具有地區特色的科研實踐過程來深化對相關內容的理解與應用。

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