契合新農(nóng)科理念的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建與實(shí)踐

0 引言

習(xí)近平總書記指出，“農(nóng)業(yè)強(qiáng)國是社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的根基，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。”[1]“強(qiáng)國必先強(qiáng)農(nóng)，農(nóng)強(qiáng)方能國強(qiáng)。”[2]高校立足農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和農(nóng)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，以人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，深入推動課程教學(xué)改革，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和課程體系，著力推進(jìn)體現(xiàn)學(xué)科交叉融合、產(chǎn)教融合的新課程建設(shè)，強(qiáng)化實(shí)踐類課程建設(shè)，大力推進(jìn)農(nóng)林教育教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，著力提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才[3]

知識交叉、知識融合已成為科學(xué)研究與高等教育發(fā)展的重要趨勢之一，面向深度學(xué)習(xí)[4、復(fù)雜問題解決的快速革新的跨學(xué)科學(xué)習(xí)受到全球關(guān)注，成為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才的重要手段。我國大力推動高校“人工智能 + 教育”深度融合，促進(jìn)教育變革創(chuàng)新，并啟動“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”專項(xiàng)部署工作[5]。在國家相關(guān)政策的指導(dǎo)下，高校在人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育領(lǐng)域提出一系列教育改革措施，例如：清華大學(xué)推出清華iCenter人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺，探索新時代的跨學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式；武漢大學(xué)整合跨學(xué)科研究平臺，成立人工智能研究院。

然而，涉農(nóng)高校在新農(nóng)科跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能課程體系建設(shè)方面卻明顯滯后。2022年成為“雙一流”建設(shè)高校，作物學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等學(xué)科進(jìn)入ESI排名全球前 1% ，計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科首次進(jìn)入ESI全球前 1% ，科研能力突出。其基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)中心（以下簡稱中心）是全國無幾的校一級的公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺，有11個不同科類的實(shí)驗(yàn)教研室，每年有60多個專業(yè)的1.5萬名本科生在中心開展計(jì)算機(jī)、數(shù)理化、農(nóng)林工類、農(nóng)事耕讀、工程訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，是進(jìn)行學(xué)科融合探究、探索跨學(xué)科人才培養(yǎng)的優(yōu)勢平臺。在中心以人工智能為切入點(diǎn)，構(gòu)建并實(shí)踐契合新農(nóng)科理念的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系大有增益。通過構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研育深度融合的教學(xué)模式，進(jìn)一步探索涉農(nóng)人才培養(yǎng)新路徑，是培養(yǎng)一大批知農(nóng)愛農(nóng)的創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型的農(nóng)林人才的有力舉措。

1構(gòu)建跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系的內(nèi)涵

當(dāng)前涉農(nóng)高校在“人工智能 + 新農(nóng)科”教學(xué)中存在教學(xué)建設(shè)不足，很難突破單一學(xué)科運(yùn)行的藩籬，多學(xué)科主題協(xié)同困難、資源整合困難等問題[6，具體表現(xiàn)為：學(xué)科交叉知識融合橫向不廣、縱向不深;教學(xué)目標(biāo)游離化、內(nèi)容拼盤化、形式雜糅化、方法研究化；教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)不完整，表現(xiàn)形式單一，吸引力不足；科教與產(chǎn)教割裂，導(dǎo)致實(shí)踐與理論之間存在較大落差[7-9]

針對上述問題，本文擬從產(chǎn)學(xué)研育角度構(gòu)建契合新農(nóng)科理念的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研育的有機(jī)統(tǒng)一，進(jìn)行“人工智能 + 新農(nóng)科”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新嘗試。構(gòu)建跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系，其內(nèi)涵主要基于以下六點(diǎn)。

1）以人工智能技術(shù)為切入點(diǎn)，構(gòu)建新農(nóng)科背景下的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課程體系，提升跨學(xué)科知識融合的準(zhǔn)入普適度。人工智能本身就是一個跨學(xué)科的領(lǐng)域，接受度高，在自然科學(xué)領(lǐng)域跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)中具有學(xué)科特性的高頻關(guān)鍵詞就包括人工智能，體現(xiàn)了以信息技術(shù)為取向的跨學(xué)科學(xué)習(xí)特征。作為一所農(nóng)科院校最大的校級實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺，中心從智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)兩個領(lǐng)域進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，無論是從學(xué)科角度還是從學(xué)生的興趣出發(fā)，都是契合的。

2）構(gòu)建跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課程體系，對于打破學(xué)科藩籬、實(shí)現(xiàn)課程的綜合化和實(shí)踐化具有重要意義。以學(xué)科為主線選取實(shí)驗(yàn)主題，厘清課程邏輯思路，構(gòu)建課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺，通過主題式案例庫、專業(yè)教師科研項(xiàng)目培育、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等實(shí)踐方式培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力，提升其二次學(xué)習(xí)的動力。人工智能跨學(xué)科知識融合見圖1。

3）構(gòu)建基于“目標(biāo)一內(nèi)容一實(shí)踐一評價”的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系（圖2），提升跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、適切性、操作性、實(shí)效性。課程目標(biāo)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，以培養(yǎng)一大批知農(nóng)愛農(nóng)的創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才為核心；以學(xué)科為主線選取學(xué)習(xí)內(nèi)容；以問題鏈為導(dǎo)向，以任務(wù)簇為內(nèi)驅(qū)，開展跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)；最終對學(xué)生在實(shí)踐過程中的核心素養(yǎng)和學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價[10]。擺脫當(dāng)前教學(xué)實(shí)施過程中存在的目標(biāo)游離化、內(nèi)容拼盤化、形式雜糅化、方法研究化等實(shí)踐落差。

4）構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研育深度融合的教學(xué)模式，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與綜合實(shí)踐能力。通過構(gòu)建“課堂學(xué)習(xí)一課后自主學(xué)習(xí)一科研項(xiàng)目培育一創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)一成果展示”的產(chǎn)學(xué)研育深度融合的教學(xué)模式，探索涉農(nóng)人才培養(yǎng)新路徑，助力產(chǎn)業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，具有加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的現(xiàn)實(shí)意義。

5）提升學(xué)生跨學(xué)科知識融合的能力，重構(gòu)學(xué)生知識體系。隨著經(jīng)濟(jì)、科技等各領(lǐng)域的快速發(fā)展，社會所面臨的諸多問題逐漸超出單一學(xué)科范疇，跨學(xué)科人才培養(yǎng)已成為世界高等教育發(fā)展的趨勢。在跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過理解、吸納、轉(zhuǎn)化、拓展知識，打破傳統(tǒng)界限、建立全新認(rèn)知，進(jìn)行知識迭代，促進(jìn)知識體系重構(gòu)，推動科技發(fā)展。

6）為跨學(xué)科知識創(chuàng)新與交叉融合提供案例研究，為探索新農(nóng)科、跨學(xué)科復(fù)合型農(nóng)林人才培養(yǎng)新路徑提供參考樣本。在校一級實(shí)驗(yàn)大平臺開展跨學(xué)科主題式學(xué)科交叉融合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，為探索創(chuàng)新型、復(fù)合型農(nóng)林人才培養(yǎng)新路徑提供具有普遍意義的案例樣本[11-15] 。

圖1人工智能跨學(xué)科知識融合

圖2跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系

2跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)

構(gòu)建契合新農(nóng)科理念的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，構(gòu)建“課堂互動一學(xué)生自主學(xué)習(xí)一知識內(nèi)化”的互為促進(jìn)、深化產(chǎn)出的產(chǎn)學(xué)研育深度融合的教學(xué)模式。運(yùn)用信息技術(shù)構(gòu)建線上線下混合式學(xué)習(xí)平臺：開發(fā)分科類跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程資源庫（基于學(xué)科文獻(xiàn)、科研課題、國內(nèi)外優(yōu)秀范例等的案例庫、數(shù)據(jù)集庫、知識儲備庫）和科研指導(dǎo)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、成果展示的學(xué)習(xí)平臺，并使二者有效對接，如圖3所示。

2.1分科類選取跨學(xué)科主題教學(xué)內(nèi)容

不同專業(yè)學(xué)科的學(xué)生對應(yīng)不同的跨學(xué)科主題實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。從專業(yè)學(xué)科來說，學(xué)校的專業(yè)可分為涉農(nóng)專業(yè)、工科類專業(yè)、文科專業(yè)等，不同專業(yè)的跨學(xué)科知識融合不同。因此，以學(xué)科為主線，構(gòu)建相應(yīng)內(nèi)容的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)主題，是教學(xué)內(nèi)容的主要組成部分。

2.2從學(xué)科角度設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)學(xué)科內(nèi)專業(yè)的不同設(shè)置一級子主題、二級子主題等多級子主題。緊扣學(xué)科專業(yè)知識，構(gòu)建圍繞大概念的知識融合的學(xué)習(xí)鏈路。如智慧農(nóng)場主題，對農(nóng)學(xué) + 氣象學(xué) + 種子科學(xué)專業(yè)可設(shè)置一級子主題“根據(jù)往年的降水?dāng)?shù)據(jù)，探究降水對今年大豆產(chǎn)量的影響”、二級子主題“根據(jù)您的結(jié)果，預(yù)測明年大豆產(chǎn)量”。

2.3構(gòu)建分科類跨學(xué)科主題案例庫

網(wǎng)上收集國內(nèi)外新農(nóng)科優(yōu)秀案例、文獻(xiàn)、科研課題及其數(shù)據(jù)集，并按學(xué)科分門別類，整理相應(yīng)的知識庫。學(xué)生能根據(jù)案例庫的資料進(jìn)行學(xué)術(shù)復(fù)現(xiàn)，能從文獻(xiàn)中吸取靈感，掌握實(shí)驗(yàn)原理與方法，夯實(shí)基礎(chǔ)知識，并進(jìn)行知識二次重構(gòu)。

2.4構(gòu)建專業(yè)教師科研項(xiàng)目培育庫、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目庫

在教中學(xué)，還需要在教中研，科教結(jié)合提升學(xué)生的知識應(yīng)用能力、知識轉(zhuǎn)化能力，拓寬知識面并產(chǎn)出成果，提高創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力。架好學(xué)生與專業(yè)教師間的橋梁，收集專業(yè)教師的科研項(xiàng)目情報，甚至主動尋找項(xiàng)目培育機(jī)會；對有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)想法的學(xué)生推薦匹配的優(yōu)秀指導(dǎo)教師與相關(guān)資料。

2.5構(gòu)建學(xué)生成果展示欄目

學(xué)生自愿在平臺展示學(xué)習(xí)成果，表現(xiàn)的形式可以多樣化，如設(shè)計(jì)方案、調(diào)研報告、設(shè)計(jì)圖、軟件系統(tǒng)、物化系統(tǒng)等，也可以是個人成果、小組成果甚至班級成果。

3跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系實(shí)踐：以農(nóng)學(xué)大豆分類為例

1）在實(shí)驗(yàn)課程開始時，教師首先講解深度學(xué)習(xí)的前置知識。以大豆分類為例，介紹深度學(xué)習(xí)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，也可延伸至葉片分類、魚苗分類等其他應(yīng)用場景。接著介紹多種經(jīng)典的分類算法及其應(yīng)用范圍，最后講解檢測方法及準(zhǔn)確率等相關(guān)內(nèi)容。

2）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程資源庫找到圖像分類主題（圖4），首先學(xué)習(xí)知識儲備庫的內(nèi)容，接著學(xué)習(xí)案例庫的農(nóng)科案例庫的文獻(xiàn)、案例、科研課題等內(nèi)容。學(xué)習(xí)這些前置知識后，到數(shù)據(jù)集庫下載大豆識別數(shù)據(jù)集，最后搭建環(huán)境，進(jìn)行圖片標(biāo)注、切割、調(diào)參、分類、檢測等操作，將得到的結(jié)果進(jìn)行類比分析和總結(jié)。

3）學(xué)生在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)后，科研能力和創(chuàng)新思維得到顯著提升，從而能夠開展自主創(chuàng)作，或積極參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（“大創(chuàng)”）課題和科研創(chuàng)新項(xiàng)目研究。這一過程有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研育深度融合的教學(xué)目標(biāo)。

4）學(xué)生自主課題案例分析：大豆分類實(shí)驗(yàn)。

第一步：設(shè)計(jì)工作路徑，如圖5所示。

圖5大豆分類實(shí)驗(yàn)工作路徑

第二步：使用佳能EOS6D制作數(shù)據(jù)集。實(shí)驗(yàn)材料256類豆子，樣本分布如表1所示；拍攝參數(shù)光圈值f/18、曝光時間1/15、IS0640；每次選取同種六粒大豆，分別拍攝其正面、反面及豆臍，如圖6（類6）所示。

表1大豆樣本分布表

注：以 25～35 粒大豆為中間數(shù)分段。

圖6大豆拍攝面 （類6）

第三步：LabelImg標(biāo)注，YOLOv5檢測切割樣本。切割到總樣本圖片22707張，類均88張（表2），切割樣本示例如圖7（類6）所示。

表2總樣本數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

第四步：設(shè)置訓(xùn)練集、驗(yàn)證集之比為 8：2 。從每類樣本抽取 20% 作為驗(yàn)證集， 80% 作為訓(xùn)練集，確保采樣集分布均衡，模型訓(xùn)練結(jié)果可信。

第五步：七種分類模型比較，得到結(jié)果。從圖8可見，模型RESNET5O、MOBILENET、SHUFFLENET、DENSENET這四種的訓(xùn)練結(jié)果均在 95.0% 內(nèi)；ResNeXt、REGNET的訓(xùn)練結(jié)果分別是 95.1% 、 95.0% ；訓(xùn)練效果最好的模型是EFFICIENTNET，達(dá)到 96.2% 。可見前六種模型的訓(xùn)練結(jié)果相差不大，大豆分類選取EFFICIENTNET模型更為合適。

圖4人工智能實(shí)驗(yàn)資源庫—一圖像分類主題

圖7YOL0v5 檢測切割樣本 （類6）

圖87種模型分類準(zhǔn)確率

4結(jié)束語

本文運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng) + 信息技術(shù)”重構(gòu)人工智能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)課程資源庫、在線學(xué)習(xí)平臺，具體措施包括建設(shè)充分的跨學(xué)科主題案例庫、科研培育項(xiàng)目庫、富有挑戰(zhàn)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目庫和學(xué)習(xí)成果展示欄目，構(gòu)建深度融合產(chǎn)學(xué)研育的教學(xué)模式。采取邊研究邊實(shí)踐的技術(shù)路線，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐訓(xùn)練中心計(jì)算機(jī)教學(xué)部每年近1.5萬名師生及24間實(shí)驗(yàn)室的日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用研究所構(gòu)建的體系模式開展應(yīng)用實(shí)踐，形成線上線下一體化良性運(yùn)行，開展跨學(xué)科主題式人工智能實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，有助于以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式實(shí)施，綜合運(yùn)用多種互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及方法，實(shí)現(xiàn)模塊化、智能信息化、綜合性、開放性的設(shè)計(jì)，不僅從學(xué)科交叉的角度吸引學(xué)生自覺參與，更在案例設(shè)計(jì)上引起學(xué)生的知識探究、創(chuàng)新興趣，擺脫傳統(tǒng)的單向傳授、被動接收的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，提升其創(chuàng)新能力。在學(xué)習(xí)過程中，產(chǎn)學(xué)研育深度融合，引導(dǎo)學(xué)生形成“知識內(nèi)化一重構(gòu)一再學(xué)習(xí)”的學(xué)習(xí)路徑，在“實(shí)踐一學(xué)習(xí)一創(chuàng)新”鏈路層提升競爭力。

概括而言，構(gòu)建契合新農(nóng)科理念的跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程體系，以學(xué)科為主線展開跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)，提升本科生的跨學(xué)科知識融合能力、綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、知識體系重構(gòu)能力，培養(yǎng)知農(nóng)愛農(nóng)的創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型的農(nóng)林人才。課程開設(shè)后，每年有1.5萬名以上的本科生受益，課程體系運(yùn)轉(zhuǎn)成熟后具有普遍的推廣意義，為涉農(nóng)高校探索跨學(xué)科知識創(chuàng)新與交叉融合提供案例研究，為新農(nóng)科、跨學(xué)科復(fù)合型農(nóng)林人才培養(yǎng)提供路徑參考。

5 參考文獻(xiàn)

[1]習(xí)近平：農(nóng)業(yè)強(qiáng)國是社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的根基[EB/OL].（2023-03-18）[2024-07-15].https：//news.cctv.com/2023/03/18/ARTIghcTnH21woRmBwbbZuGF230318.shtml.