新農科背景下智能農業裝備專業項目化教學設計與實施
——以智能蘋果園施肥機為例

劉明明，孫居彥，張光騰，賈孝偉，劉印增

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

基于國家鄉村振興戰略需求，2019 年教育部積極推進“新農科”建設，形成了“安吉共識—中國新農科建設宣言”， 宣言中指出：“新時代新使命要求高等農林教育必須創新發展，沒有農業農村現代化，就沒有整個國家現代化，新時代對高等農林教育提出了前所未有的重要使命[1]”。在新農科建設背景下，人工智能、5G、大數據、物聯網等交叉融合技術在農業生產中加速應用，智能化全面融入農業農村現代化，同樣傳統的農業機械化裝備也亟需向智能化方向轉型升級[2-3]。黨的二十大報告指出：“建設農業農村現代化和實施鄉村振興戰略，要強化農業科技和裝備支撐，大力發展現代農業裝備， 提高農機作業的信息化、智能化水平”。 現代農機裝備也被列為 《中國制造2025》重點突破的十大領域之一，這些新形勢對新時代農林院校智能農業裝備專業人才培養提出了新要求。

山東農業工程學院為適應國家鄉村振興戰略需求，開設了機械電子工程專業（智能農業裝備方向），并組建了智能農業裝備課程群，旨在培養具有智能農業裝備工程素養，能夠從事農業裝備工程領域的科研、工程技術和管理等方面工作的應用型、創新型人才。

1 智能農業裝備課程教學現狀與問題

山東農業工程學院智能農業裝備課程群以農業機械學、農學概論、自動控制技術、人工智能、大數據、農業物聯網等學科為主體，構建了智能農業裝備專業課程培養體系。課程系統內容涵蓋了耕、種、管、收、運、儲等環節的典型現代農業裝備。 智能農業裝備課程群具有：課程內容多、學科交叉融合深、對智能農業裝備人才的創新能力、工程實踐能力、專業融合能力要求高等特點[4-5]。目前，課程現狀和存在問題主要有以下幾點：

1.1 課程內容多且分散，系統性不強。

智能農業裝備不同于傳統的農業機械，課程內容涉及機械、信息、控制、智能等多方面知識，具有學科跨度大，課程內容多、學科交叉融合深，對專業課老師的專業綜合能力要求高等特點，目前教學實踐過程中存在著各專業課講授時課程相對獨立，知識的連續性、銜接性、系統性不夠強等問題。

1.2 課程資源相對少， 教學內容與農業特色結合不緊密。

智能農業裝備專業作為新興專業， 存在著配套專業課程教材資源少， 而且課程內容農機農藝農信的融合度低等問題。人工智能、機器視覺、物聯網等技術發展迅速，而課程內容的更新相對滯后。

1.3 課堂教學方式單一，學生學習興趣低、工程實踐能力弱。

課堂教學以傳統的講授為主，且部分同學生活在城市， 對農業生產方面的知識相對欠缺，這些情況造成學生學習興趣低、 學生創新性不足，利用所學知識解決實際問題的能力不足。

1.4 課程思政元素挖掘少， 知農愛農強農情懷不深。

很多同學普遍存在“在農村與農機、農業生產打交道，技術含量低，工作環境惡劣，收入有限”的認知誤區，畢業后從事農業農村現代化建設社會理想和社會責任感趨向平實、平淡。然而，當前我國工業化、城鎮化快速推進，農村空心化、農民老齡化現象日趨明顯，使得“誰來種地、誰來務農”的問題日益突出，實現農業農村現代化建設和鄉村振興戰略實施亟需大量身懷 “知農、愛農、踐農”情懷，以強農興農為己任的高素質創新型智能農業裝備科技人才，因此，課程思政育人亟需加強。

2 基于CDIO 模式的項目化教學實施

CDIO 工程教育模式是一種依托于實踐項目的創新性教學理念，強調以具體項目作為教學組織方式、以實踐作為主要學習方式、以任務作為驅使學生展開學習的動力[4-5]。 CDIO 包括：構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）、運行（operation）四個階段，CDIO 教學模式以具體項目為載體，通過四個環節的實施，培養學生的自主學習能力、工程實踐能力、團隊協作能力、創新意識等，實現學生綜合能力的提升[6]。結合新農科建設的內涵和要求， 本文借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機”項目教學為例，探索新農科背景下智能農業裝備專業項目化教學設計與實施，智能蘋果園施肥機CDIO 項目教學模式與實施框架，如圖1 所示。

圖1 智能蘋果園施肥機CDIO 項目教學模式與實施框架

2.1 項目構思

我國蘋果產量居世界第一，但是果園綜合機械化率僅為5.75%，隨著城鎮化的發展，農村勞動力轉移加快，從事果園生產的勞動力短缺，“誰來種果樹、誰會種果樹”已經成為制約蘋果產業發展的重要因素，特別是在果園施肥作業環節體現得尤為突出，目前果園施肥存在施肥勞動強度大、勞動力成本高、施肥效果差、施肥不均勻等亟需解決的問題。 課程通過一系列項目背景導入，使同學們深刻地認識到果農對果園施肥機需求的緊迫性，進一步激發學生利用所學知識解決果農實際問題的興趣和成就感， 增強學生知農愛農，科技報國的責任感和使命感。 項目教學實施以6-8 人一個小組的方式進行，首先完成智能蘋果園施肥機需求項目任務，任務包括：調研智能蘋果園施肥機的應用現狀，與潛在果農用戶溝通并記錄具體施肥農藝需求，編制并填寫智能蘋果園施肥機性能參數表，如圖1 所示。

表1 智能蘋果園施肥機性能參數

2.2 項目設計

2.2.1 方案設計

方案設計包括：總體方案設計、施肥機械部分設計、施肥控制系統設計。 智能蘋果園施肥機帶有GPS 定位系統， 通過STM32 單片機控制整機運行， 當機器行駛到到蘋果園不同位置時，施肥機按照蘋果園施肥作業處方圖的要求由施肥機械部分開出肥溝，施肥控制系統控制排肥器完成變量施肥，智能蘋果園施肥機項目開發設計流程，如圖2 所示。 項目實施分工為：2 名同學負責機械結構設計，2 名同學負責施肥控制系統設計，1-2 名同學負責樣機調試和測試，1 名負責成本控制、進度控制、質量控制等任務。項目實施開展過程中，小組成員需團結協作、合理分工、充分論證完成智能蘋果園施肥機方案設計，教師協助論證設計方案的可行性，及時為學生答疑解惑。

圖2 智能蘋果園施肥機項目開發設計流程圖

2.2.2 詳細設計

詳細設計是對總體方案設計的技術細化，主要任務是對每個模塊進行詳細設計。小組成員需按照總體方案設計要求， 運用所學的專業知識，利用相應的工具和平臺進行詳細技術設計。下面以施肥控制系統為例進行說明，施肥控制系統由STM32 單片機來控制整個系統的運行，當機器行駛到蘋果園不同位置時，施肥機按照蘋果園施肥作業處方圖的要求由施肥機械部分開出肥溝，施肥控制系統控制排肥器完成變量施肥，該任務需要學生完成控制系統的硬件設計、 軟件系統設計。硬件系統設計包括：單片機選型、電源模塊設計、穩壓模塊設計、通信模塊、排肥控制、GPS 模塊、超聲波等硬件設計選型及電路板繪制。 軟件系統設計包括：主程序、變量施肥控制、超聲波測距、GPS 定位等程序編寫、調試、測試等任務。 教師在項目實施過程中提供項目資源及技術支持，同時，各項目小組成員在項目任務驅動下自主學習，通過項目實踐鍛煉自主學習和專業知識的工程實踐能力。

2.3 項目實現

項目實現階段是整個項目教學的中心環節，項目小組通過構思、設計等環節的鍛煉，接下來需要完成項目的實現，即將設計的產品圖紙轉換成具體的實物產品。此階段項目小組需共同協作完成開溝施肥機械零部件組裝， 電氣元件安裝、接線、程序調試等工作，并對安裝調試的智能蘋果園施肥機進行田間試驗，根據試驗過程出現的問題進行優化改進。通過整個項目實現過程鍛煉學生動手實踐能力、培養創新精神以及嚴謹細致精益求精的工匠精神。

2.4 項目運行

項目運行階段主要任務要求是保證智能蘋果園開溝施肥機工作時運行順暢， 施肥作業效果達到項目任務中規定的性能參數， 在條件允許的情況下在蘋果試驗園內對果農進行樣機技術推廣應用示范，模擬編寫產品說明書，進行市場推廣。

2.5 項目實施效果

通過對學生訪談、填寫調查問卷、考核關鍵知識點等方式， 證明了 “智能蘋果園施肥機”CDIO 項目教學模式能有效激發學生學習興趣，學生的知識綜合應用能力、自主學習能力、工程實踐能力等得到有效提升。 教學實施過程中，通過CDIO 項目教學與學科競賽相結合，“以賽促練、以賽促學”做到課賽融合，在參與競賽過程中，鍛煉學生理論知識轉化為實踐的能力，例如筆者利用 “智能蘋果園施肥機” 項目產品參加2023 年山東省機電產品創新設計競賽并獲得一等獎， 參與學生申請并授權實用新型專利1 項，并發表科研論文1 篇。

3 結語

結合新農科建設的內涵和要求，本文積極探索新農科背景下智能農業裝備專業項目化教學設計與實施，借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機”項目教學為例，開展項目的“構思—設計—實現—運行” 四個環節教學改革論述，同時，結合新時代國家對農林院校學生的要求，教學實施過程中融入課程思政要素，實現課程思政育人。 教學實踐表明：新農科背景下智能農業裝備專業項目化教學設計與實施，能夠有效提升學生自主學習和工程實踐能力， 創新思維、團隊協作精神、 知農愛農情懷顯著增強， 通過CDIO 項目式教學積極探索培養高素質創新型智能農業裝備科技人才，為國家鄉村振興戰略需求提供人才保障。