華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“三田”實踐教學(xué)的信息化實踐與探索

袁金展，李海霞，羅朝喜

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心 湖北 武漢 430070）

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）圍繞農(nóng)業(yè)特色和學(xué)科優(yōu)勢，逐步探索了“三田”+“三早”的特色實踐育人模式[1]。“三田”模式主要以華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院作物學(xué)實踐教學(xué)實習(xí)基地（校內(nèi)一般稱為“三田”基地，以下簡稱“三田”）為依托，要求學(xué)生以小組為單位，在試驗地進(jìn)行從種到收的全過程實踐訓(xùn)練，參與耕、種、管、收全過程，了解實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的基本方法，以便更深入地了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀[2]。開展“三田”模式教學(xué)以來，我校本科實踐教學(xué)取得了顯著成效，特別是推動農(nóng)學(xué)專業(yè)、植物保護(hù)專業(yè)于2017 年通過了三級專業(yè)認(rèn)證。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與國家對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重視，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)人才有了新的要求，“三田”模式存在極少接觸到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機具、技術(shù)等問題，不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技人才培養(yǎng)的需求[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化正從傳統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化、智慧化的高端方向發(fā)展[4]。

加強現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工具的使用和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)的實踐，跨專業(yè)合作、加強學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識能力的培養(yǎng)，是“三田實習(xí)”課程改革的重要內(nèi)容[5]。為培養(yǎng)具備農(nóng)業(yè)與信息多學(xué)科交叉知識能力的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)人才隊伍，引領(lǐng)未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，我校植物生產(chǎn)類相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)進(jìn)行了信息化實踐與探索。

1 “三田”實踐教學(xué)的信息化探索與實踐

1.1 提前謀劃智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)建設(shè)、加強“三田”實習(xí)基地信息化建設(shè)與改造

1.1.1 準(zhǔn)確掌握未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向、把握現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史機遇

我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域引進(jìn)信息技術(shù)起始于20 世紀(jì)80 年代初期，2000 年以后進(jìn)入了迅速發(fā)展的時期，信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣度和深度都達(dá)到一個新的高度[6]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)善于在農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史潮流中把握歷史機遇，以一系列的動作投入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中。2015 年11 月25 日，學(xué)校信息學(xué)院研討智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)的學(xué)科融合發(fā)展。2018 年3 月18 日，我校第14 期作物科學(xué)高端講壇指出，智慧農(nóng)業(yè)是信息科學(xué)技術(shù)和農(nóng)業(yè)的結(jié)合。2019 年6 月17 日，學(xué)校首個作物信息創(chuàng)新班結(jié)業(yè)，植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院已建立作物信息研究中心，以國家人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的試驗區(qū)“張之洞班”對智慧農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行探索。2020 年3 月3日，我校申報的智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)獲教育部批準(zhǔn)，成為國內(nèi)首批獲批建設(shè)的智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)。2020 年8 月4 日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系列教材建設(shè)全面啟航。

1.1.2 科學(xué)規(guī)劃、切實落實，推進(jìn)“三田”實習(xí)基地信息化建設(shè)與改造

我校“三田”基地信息化建設(shè)目前已經(jīng)建成智慧農(nóng)業(yè)云系統(tǒng)（含終端APP），包含水肥一體化系統(tǒng)、田間監(jiān)測系統(tǒng)、養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)、氣象監(jiān)測系統(tǒng)、蟲情監(jiān)測系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)、室內(nèi)表型監(jiān)測系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、教學(xué)實習(xí)管理系統(tǒng)等模塊。本系統(tǒng)實現(xiàn)了“三田”基地全域和“三田”實習(xí)全過程信息化覆蓋。

智慧農(nóng)業(yè)云系統(tǒng)（含終端APP）將監(jiān)測系統(tǒng)獲取的信息匯總到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過分析、轉(zhuǎn)換，以特定的形式呈現(xiàn)到中央展示窗口并推送到終端APP。學(xué)生可通過PC 端和手機端查詢監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，并提交實習(xí)報告、操作水肥一體化設(shè)備；教師可以在線評閱學(xué)生實習(xí)報告、回答學(xué)生提問，對實踐實習(xí)效果做出科學(xué)評價。

1.2 結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展與“三田”實習(xí)基地實際情況進(jìn)行“三田”實習(xí)課程改革

1.2.1 教材改革

“三田”實習(xí)基地目前已經(jīng)完成信息化改造，硬件設(shè)施和教學(xué)環(huán)境得到了顯著提升。同時，植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院牽頭進(jìn)行現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實習(xí)系列教材的編寫。新教材重新梳理了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，重點結(jié)合國家農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，新增現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主要生產(chǎn)方式等相關(guān)內(nèi)容。重點將水肥一體化技術(shù)、農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)、農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)納入教材。新編《現(xiàn)代三田實習(xí)技術(shù)》教材已納入高教出版社“十四五”規(guī)劃教材。

1.2.2 教學(xué)方式改革

改革后的“三田”實習(xí)實現(xiàn)信息化農(nóng)業(yè)實踐，每個學(xué)生分配一個獨立農(nóng)業(yè)云賬號，可以隨時隨地登錄智慧農(nóng)業(yè)云系統(tǒng)PC 端和手機端，進(jìn)行系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)互動。實現(xiàn)每一位學(xué)生均能全程自由操作控制設(shè)備、獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)、上傳調(diào)查數(shù)據(jù)、提交實習(xí)報告、提問專業(yè)知識等，實現(xiàn)全員信息化農(nóng)業(yè)實踐。

“三田”實習(xí)任課教師在授課方式上進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)揮教師特長，實行聯(lián)合授課。將“智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)概覽”“農(nóng)業(yè)無人機應(yīng)用”“農(nóng)業(yè)機器人田間實踐”“作物田間生長信息采集田間實踐”“農(nóng)田攝影技術(shù)”等納入“三田”實習(xí)中，并安排專門教師進(jìn)行授課。運用智慧農(nóng)業(yè)云系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)生調(diào)查數(shù)據(jù)檢查、實習(xí)報告評閱、學(xué)生疑問解答。

1.2.3 虛擬仿真實驗建設(shè)

線上線下結(jié)合是“三田”實習(xí)課程的重要探索方向。利用“三田”基地信息化建設(shè)及虛擬仿真建設(shè)成果進(jìn)行線上授課，指導(dǎo)學(xué)生參加當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，取得了良好的效果。根據(jù)虛擬仿真“能實不虛、虛實結(jié)合”的原則，建成了“智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)實踐”和“智慧農(nóng)場建設(shè)”虛擬仿真項目，學(xué)生以建設(shè)者的身份，在規(guī)定地塊建設(shè)智慧農(nóng)場，包含地塊規(guī)劃、設(shè)備選擇、安裝調(diào)試等模塊。學(xué)生以農(nóng)場主身份獨立運行500 畝規(guī)模的現(xiàn)代智慧農(nóng)場，運用智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)按照要求完成水稻、小麥、玉米、油菜、棉花五大作物的交替種植。

1.2.4 教學(xué)儀器研制

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)備具有造價高、技術(shù)高度集成、操作相對復(fù)雜、規(guī)模較大等特點。而學(xué)生在大量重復(fù)操作、小規(guī)模地塊操作、自主規(guī)劃地塊方面存在不足。因此，為加強教學(xué)的靈活性、培養(yǎng)學(xué)生的自主性，學(xué)校配套自主研發(fā)了水肥一體化教學(xué)儀。該儀器可以由學(xué)生從零件開始組裝，加深學(xué)生對設(shè)備主要工作原理和構(gòu)成的認(rèn)識；學(xué)生可以根據(jù)不同的農(nóng)田場景靈活布設(shè)該設(shè)備，深化學(xué)生對智慧農(nóng)業(yè)設(shè)備安裝相關(guān)知識及技能的掌握；學(xué)生可以根據(jù)作物生長需求，靈活編寫設(shè)備運行程序和參數(shù)設(shè)置，強化學(xué)生對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的認(rèn)知。

1.3 解放思想、敢于擔(dān)當(dāng)，積極探索“三全育人”實踐實習(xí)新模式

學(xué)生的培養(yǎng)應(yīng)該是全方位的，教師需要解放思想，以敢于擔(dān)當(dāng)、敢于探索的心態(tài)將信息化建設(shè)成果最大化地運用到學(xué)生的培養(yǎng)中。“三田”實習(xí)對學(xué)生的培養(yǎng)不僅體現(xiàn)在課堂上，也體現(xiàn)在課堂外。

2019 年，“三田”實習(xí)課程骨干教師依托“三田”實習(xí)基地信息化改造成果孵化出學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊——“三田創(chuàng)新工作室”。形成了“棉花夢工場”“小學(xué)生系列科普課程”等科普、公益品牌。2019-2022 年連續(xù)4 年為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬學(xué)校固定開展“耕讀課堂”系列科普、勞動教學(xué)活動，2022 年成功為武漢市光谷第十一小學(xué)開設(shè)“校園農(nóng)場”并開展耕讀教學(xué)。

2 “三田”實習(xí)信息化實踐教學(xué)的未來與發(fā)展

2.1 完善系統(tǒng)功能

①繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)功能，整合設(shè)備，提高系統(tǒng)設(shè)備兼容性、提高設(shè)備運行穩(wěn)定性、提高人機交互水平。當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)是眾多行業(yè)技術(shù)的集成，發(fā)展迅速，硬件、軟件水平均有較大的發(fā)展，但仍存在著部分硬件設(shè)備運行穩(wěn)定性不夠、人機交互水平不優(yōu)等不足。在實際生產(chǎn)和教學(xué)實踐過程中，存在建設(shè)成本高，運行不穩(wěn)定、可靠性不足等問題。因此，教學(xué)團(tuán)隊需要繼續(xù)在實踐教學(xué)中及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的可靠性、人機交互的通暢性。

②現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，特別是信息化技術(shù)飛速發(fā)展，教學(xué)團(tuán)隊需要時刻關(guān)注現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)、新手段。如無人化智慧農(nóng)場、無人農(nóng)機等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，以及無人機巡航、多光譜監(jiān)測等新興技術(shù)。將新裝備、新技術(shù)、新手段引入實踐教學(xué)中，讓學(xué)生及時掌握和了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)手段。

2.2 更新培養(yǎng)計劃和實習(xí)大綱

實習(xí)大綱決定著“三田”實習(xí)信息化建設(shè)成果能否運用于教學(xué)實踐、決定著“三田”實習(xí)信息化的實踐成效。教學(xué)團(tuán)隊需要全面梳理教學(xué)實習(xí)整體過程，進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向，摒棄落后的、凝練合時宜的農(nóng)業(yè)技術(shù)和手段并精煉生成教學(xué)實習(xí)大綱。

在教學(xué)實踐中，應(yīng)突出綠色化、機械化、工廠化和無人化，無人機播種、大型機械播種、機插秧、機械收割等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)手段需強化；無人機打藥、水肥一體化等高效技術(shù)需加強、精準(zhǔn)施肥、生物防治等綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)手段需突出；傳統(tǒng)課堂上課模式、紙質(zhì)作業(yè)批改方式要改進(jìn)，雨課堂、微課等新興授課方式需加強；思政元素要進(jìn)一步融入課程教學(xué)。

2.3 師資能力提升

“三田”信息化實習(xí)是多學(xué)科、多門類技術(shù)的綜合實習(xí)，包含農(nóng)業(yè)種植技術(shù)、信號傳輸技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù)等眾多技術(shù)。學(xué)校多學(xué)科交叉，特別是跨學(xué)科門類交叉的師資力量較欠缺。需要現(xiàn)有“三田”實習(xí)教師在思想上跟進(jìn)時代潮流，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化能力水平上不斷提升。

首先，學(xué)校應(yīng)有相應(yīng)部署，開展提升教師信息化水平、提升教師綜合能力的相關(guān)培訓(xùn)，幫助教師提升基本的信息化能力；其次，學(xué)校應(yīng)為多學(xué)科交叉交流提供便利和支持，專業(yè)教師也應(yīng)主動與信息學(xué)院、工學(xué)院等學(xué)院開展多學(xué)科交叉交流，通過多學(xué)科交叉融合，達(dá)到優(yōu)勢互補、綜合能力顯著增強的目的；最后，豐富教師培養(yǎng)機制，鼓勵教師多進(jìn)企業(yè)，多下農(nóng)村，走進(jìn)生產(chǎn)一線，摸清行業(yè)發(fā)展基本脈絡(luò)，與生產(chǎn)實際接軌。還可以發(fā)揮優(yōu)秀校友、資深教授、行業(yè)帶頭人、首席專家等資源優(yōu)勢，結(jié)合黨支部活動、鄉(xiāng)村振興、社會服務(wù)等活動，為教師創(chuàng)造走進(jìn)一線學(xué)習(xí)的機會。

2.4 運用學(xué)校科研優(yōu)勢，助力教學(xué)內(nèi)容提升

近年來，學(xué)校農(nóng)業(yè)相關(guān)科學(xué)研究獨具特色，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。特別是在作物表型監(jiān)測、作物圖像監(jiān)測識別、智慧育種、稻田綠色綜合種養(yǎng)技術(shù)等方面具有顯著成效。將這些最新的科研成果通過課堂的形式供學(xué)生實踐，可以提高學(xué)生對農(nóng)業(yè)的興趣、加深學(xué)生對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的認(rèn)識。

信息化只是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個環(huán)節(jié)，未來農(nóng)業(yè)必定朝著無人化、智慧化方向發(fā)展。圖像分析、云計算及人工智能等技術(shù)將在未來農(nóng)業(yè)中起到?jīng)Q定性作用。培養(yǎng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)人才，就需要加強圖像分析、云計算及人工智能等技術(shù)在“三田”實習(xí)中的運用，促進(jìn)現(xiàn)代人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科技成果的融合，進(jìn)一步提高“三田”實習(xí)智慧化水平。