探析農林院校實驗室建設對智慧農業人才培養的推動作用

郝王麗 韓猛 李富忠

摘?要：近年來，國家倡導加強現代農業設施建設，依托現有資源建設農業農村大數據中心，加快物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、第五代移動通信網絡、智慧氣象等現代信息技術在農業領域的應用，開展國家數字鄉村試點。然而，智慧農業的發展需要智慧農業人才的培養，而智慧農業人才的培養首先需要好的實踐實驗環境。因此，在農業院校建設人工智能實驗室具有迫切性和必要性。本文針對此現狀探討農業院校人工智能實驗室建設方案及其對智慧農業人才培養的推動作用。

關鍵詞：農業院校；人工智能；實驗室建設；智慧農業人才

Abstract：In?recent?years，the?country?has?advocated?strengthening?the?construction?of?modern?agricultural?facilities，relying?on?existing?resources?to?build?agricultural?and?rural?big?data?centers，accelerating?the?application?of?modern?information?technologies?such?as?the?Internet?of?Things，big?data，blockchain，artificial?intelligence，fifthgeneration?mobile?communication?networks，and?smart?weather?in?the?agricultural?sector，and?carrying?out?national?digital?rural?pilot?projects.However，the?development?of?smart?agriculture?requires?the?training?of?smart?agricultural?talents，and?the?training?of?smart?agricultural?talents?first?requires?a?good?practical?experimental?environment.Therefore，it?is?urgent?and?necessary?to?build?artificial?intelligence?laboratories?in?agricultural?colleges?and?universities.This?paperexplores?the?construction?plan?of?artificial?intelligence?laboratories?in?agricultural?universities?and?its?role?in?promoting?the?cultivation?of?talents?in?smart?agriculture?in?response?to?this?situation.

Keywords：Agriculture?and?Forestry?College；Artificial?intelligence；Laboratory?construction；Smart?agriculture?talents

隨著國家對三農問題關注度的持續提升，以及對數字鄉村發展［13］與鄉村振興產業的聚焦，智慧農業、精準農業、數字化農業已經成為國家、政府及高校重點關注的領域［4］。其中，智慧農業生產領域中的植物表型分析、動物表型分析、植物病害、蟲害識別與分析、農業保險理賠、農業溯源、智慧養殖等應用都需要大量的“農業+人工智能”的復合型立體化人才。然而在現階段，此類人才缺口仍然非常大［5］。目前我國已進入加快推進農業現代化發展的新階段，電商平臺的發展更是加速了這個進程。我國農業正在逐步走向智慧化、數字化和現代化，為了滿足這一需求，農林院校肩負著培養高素質智慧農業人才的重要使命。其中，德、智、體、美、勞全面發展的人才培養是關鍵。人工智能實驗室作為一種智能化的實踐能力培養場所，可以為學生提供良好的學習環境和資源，助力他們更好地掌握智慧農業的相關知識和技能。

一、研究意義

本文的研究意義是建立專業的農業院校人工智能實驗室，滿足當下農林院校學生對人工智能實訓系統的需求。輔助學院順利高效地開展農林院校人工智能方向的實踐教學，增強學生的動手能力，拓展學生的思維能力，培養學生的創新意識，提升學生解決復雜工程問題的能力。為人工智能工程及科研人才提供強大的實踐基礎，為山西乃至全國的人工智能領域、智慧農業領域提供富有競爭力的人才資源。

二、建設目標

本方案的建設目標共有兩個：其一，依托人工智能實驗室培養德智體美勞全面發展的智慧農業人才；其二，探究如何建成國內一流的農林院校智慧農業教學+實踐基地。

（一）培養德智體美勞全面發展的智慧農業人才

（1）以德為先——樹立道德觀念，培養責任感。在智慧農業人才培養中，道德教育是至關重要的。學生需要具備正確的價值觀和責任感，才能在未來的工作中遵循職業道德規范，為我國農業的發展做出貢獻。人工智能實驗室可以為學生提供模擬實踐的機會，讓他們在實踐中體驗職業道德的重要性，培養對行業的敬畏之心。

（2）以智育人——提高智能水平，掌握先進技術。智慧農業是以人工智能技術為支撐的現代化農業形態，學生需要具備扎實的計算機基礎和人工智能理論知識，同時還要有較高的智能水平，才能更好地應對復雜多變的實際問題。人工智能實驗室可以為學生提供豐富的學習資源和實踐機會，讓他們在實踐中掌握人工智能技術的原理和應用，提高解決問題的能力。

（3）以體為重——注重身心健康，培養綜合素質。智慧農業人才不僅要有扎實的專業知識和技能，還要具備健康的身體和良好的心理素質。人工智能實驗室可以為學生提供多樣化的實踐項目，讓他們在實踐中鍛煉身體素質和心理素質，提高應對挫折和困難的能力。

（4）以美為美——強化審美意識，培養創新能力。智慧農業人才還需要具備一定的審美意識和創新能力。在實際工作中，他們需要運用美學原理對農業景觀進行規劃設計，同時還要不斷創新思路和方法，提高農業生產效率和質量。人工智能實驗室可以為學生提供創新實踐平臺，讓他們在實踐中發揮自己的想象力和創造力，強化審美意識和創新能力。

（5）以勞為榮——培養勞動精神，強化實踐能力。智慧農業人才需要具備勤勞、踏實、肯干的勞動精神和實踐能力。在人工智能實驗室中，學生可以通過參與實踐項目和解決問題的方式，鍛煉自己的實踐能力。同時還可以通過與同學、教師之間的交流合作，培養團隊合作能力和溝通能力。這種學習方式可以幫助學生更好地適應未來工作的需要。

總之，依托人工智能實驗室培養智慧農業人才是可行的，為培養出更多高素質的智慧農業人才提供了重要保障，也為推動我國智慧農業、數字農業、現代農業的快速發展注入了新的動力。

（二）探究如何建成國內一流的農林院校智慧農業教學+實踐基地

目前，我們處于人工智能、大數據快速發展與壯大的時代，大部分農林院校也在致力于“農業+人工智能”的探索。然而，智慧農業的理論離不開實踐。因此，農林院校人工智能理論教學也需要依托于相應的實驗實踐基地，該基地需要具備如下一些特點：

（1）該實踐基地要有獨立的實驗室。該實驗室因為要承載農業院校大學四年的教學和實驗，而且需要涵蓋智慧農業不同方向，且需要有各類硬件設備，所以需要擁有獨立的可容納一到兩個班同學的實驗室。

（2）實驗室中要有完善的各類硬件設施。學生做任何實驗離不開實物，因此實驗室中要有完善的各類硬件設施，比如顯示器、服務器、GPU、植物表型成像儀、網線、攝像機等設備，要能夠承載不同的實驗。

（3）實驗室中要有GPU顯卡服務器。人工智能的三大主線任務包括計算機視覺、自然語言處理、語音識別，這類任務都需要依托大數據的支撐，而大數據的處理需要用到性能良好且快速的GPU服務器。為滿足人工智能學生的實踐需求，同時提高人工智能學生的培養質量，實驗室中要配有GPU顯卡服務器集群。如此，學生便可實時進行實踐訓練，合作完成較復雜的應用場景任務，如現在研究較熱門的生成式人工智能。

（4）實驗室中要有實驗軟件平臺。實驗室除了硬件之外，還需有穩定、健壯、效率可觀的軟件平臺，該平臺不但可以滿足學生做各類實驗，也可滿足教師教學使用。比如，機器學習軟件案例平臺，數字圖像處理軟件案例平臺，神經網絡與深度學習案例平臺。在這些案例平臺上，學生可以將自己所學的理論知識通過實驗案例進行鞏固與增強。另一方面，教師可以在這些案例平臺上對案例進行廣度與深度的擴展，使案例緊跟科學發展的前沿，使學生所學知識不會與社會脫節，如此可以提升學生解決實際問題的能力。

（5）實驗室中需要有相應的課程體系。實驗室中的課程體系需要滿足以下兩個要求：一是能夠支持學生理論課程的學習，二是能支持學生實驗課程的學習與探索。實驗室中的課程體系按人工智能三大主線任務分為計算機視覺課程群、自然語言處理課程群和語音識別課程群。計算機視覺課程群內需要要基礎性的數字圖像處理實踐課程與應用性質較強的神經網絡實踐；自然語言處理課程群內包含自然語言處理基礎與自然語言處理實踐；語音識別課程群內包含語音處理基礎與語音識別實踐。同時，除了這三個主線任務課程群外，還需要有支撐三大任務的基礎算法課程群，該群內包含算法導論實踐、運籌學基礎、數據挖掘實踐、機器學習實踐。基于課程體系中的這些課程群，學生們通過學習有助于他們構建自己的課程體系與知識體系，為之后的工作或科研創新提供堅實的基礎。

（6）具有分階段、環環相扣、層層遞進開展智慧農業教學實驗的能力。該實驗室需要具有分階段、環環相扣、層層遞進開展教學和實驗的能力，要能夠承載大學四年時間的教學、實踐及探索。

（7）開設的實驗要有創新性。該實驗室開設的實驗（以及配套的課程體系）要有創新性，所設實驗（及所設課程）要能夠緊隨智慧農業發展新動向，緊隨智慧農業的前沿技術。

（8）要有可拓展性。人工智能發展迅速，所以實驗室的設備要具有可拓展性，可方便地實現設備的更新換代。不但硬件實驗設施可以方便更新、軟件實驗平臺及課程也要便于更新。

三、建設方案

經多方考察并結合多年的實際教學經驗，搭建農林院校人工智能教學實驗平臺需借助Kubernetes這一系統來實現管理GPU服務器集群。此種設計可保證整體架構的穩定性。通過Kubernetes平臺來管理容器化的平臺，不但能讓學生更好地使用GPU資源，而且能讓學生相互獨立、互不干擾地進行“人工智能+智慧農業”的實驗，而且通過數據存儲服務器做到了一次部署，持續調用的數據資源使用效果。在GPU服務器集群之上搭建Kubernetes集群，通過Kubernetes來分割GPU服務器資源，細化到每個實驗平臺，使用者都擁有自己獨立的Docker鏡像來進行實驗。整個實驗平臺的底層均從教學角度出發，保證了讓學生有更好的實驗體驗，也能讓教師更好地去教學。

四、建設內容

（一）智慧農業的功能模塊

該實驗平臺提供若干個智慧農業模塊，比如人工智能輔助的植物表型應用系統，人工智能輔助的動物表型應用系統，病蟲害識別、氣象土壤、農業溯源及理賠等。這些模塊可幫助學生更好地掌握智慧農業和人工智能的理論及實踐知識，還進一步夯實學生的學習基礎，還能為農村提供一定的智慧農業服務功能。

（二）集成課程資源+實驗案例+實驗數據+算力資源——提供一站式智慧農業實驗平臺

實驗平臺采取實驗案例說明+實驗手冊+實驗數據+實驗基礎知識+實驗代碼+實驗算力資源的方法，讓學生通過實驗案例說明及實驗手冊學習實驗數據的采集、標注及預處理、實驗所需的基礎知識，起到鞏固知識及運用知識的能力，同時可以方便地定位、查看和修改、提交及測試實驗相關代碼，最后該實驗平臺提供了基于V100的GPU服務器算力，學生可以直接在該服務器上完成自己代碼的設計、運行及測試，可修改代碼，同時可共享代碼。整個智慧農業實驗平臺集成了實驗所需的說明、數據、代碼及算力，為“人工智能+農業”教育提供一站式的服務。

結語

農林院校人工智能實驗室的建設可為社會提供智慧農業實驗、實踐及人才培養基地，可助力培養智慧農業領域高、精、尖的人才，可賦能智慧農業企業及產業，對我國農業的智能化、現代化與數字化起著非常重要的推動作用。未來應更關注農林院校人工智能實驗室在助力智慧種植、智慧養殖、鄉村振興等產業方面的配置及推動作用。

參考文獻：

［1］中共中央辦公廳?國務院辦公廳印發《數字鄉村發展戰略綱要》［EB/OL］.（20190516）.http：//www.gov.cn/zhengce/201905/16/content_5392269.htm.

［2］中央網信辦等十部門印發《數字鄉村發展行動計劃（2022—2025年）》［EB/OL］.（20200126）.http：//www.gov.cn/xinwen/202201/26/content_5670637.htm.

［3］張源清，何熠陽，郭曉麗，等.數字鄉村背景下智慧農業學科發展困境及紓解［J］.農業工程，2022，12（10）：120125.

［4］智慧農業建設方案［20200903］.人民智庫，http：//www.qianjia.com/html/202009/03_370285.html.

［5］丁允超，汪憶.中國人工智能行業市場現狀及發展前景分析［J］.科學咨詢，2021（21）：1.

基金項目：2022年度山西省高等學校教學改革創新項目（課題編號：J20220274）；2022年度山西省研究生教育教學改革項目（課題編號：2022YJJG094）；2021年度山西省教育科學“十四五”規劃項目+農林院校“產學研”驅動的智慧農業人才培養模式探究（課題編號：GH21006）；2020年度山西農業大學教改項目《農業院校人工智能實驗室建設研究》（課題編號：J202098572）；2020年度山西省教改項目《計算機類專業本科人才培養共同體建設研究》（課題編號：J202082078）

作者簡介：郝王麗（1988—?），女，漢族，山西運城人，博士，副教授，碩士生導師，教學科研辦主任，主要從事人工智能、智慧農業研究；韓猛（1988—?），男，漢族，碩士，講師，主要從事人工智能、大數據研究；李富忠（1969—?），男，漢族，博士，院長，教授，主要從事人工智能、智慧農業研究。