物联网背景下作物种植和管理系统学科融合案例课程内容建设与探索*

牟向阳，宋卫海，张光腾，杨硕林

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

随着新农村的建设，以及在中央大力倡导的脱贫攻坚与乡村振兴政策的支持下，农业形态发生了迅速的变化，科技兴农的理念深入人心，农业装备和农作物的种植管理迎来了巨大的发展机遇，需要将更多科技手段应用到农业种植和管理中，为乡村振兴插上腾飞的翅膀。

智慧农业有望改变现有的农业生产方式，促进农业发展，推动农业改革。但是由于我国智慧农业才刚刚起步，基层农村能够熟悉物联网技术、大数据方面的人才缺口很大，通常熟悉这些技术的人员对农学的了解很少，而熟悉农学的学生往往对这些新兴技术又不擅长。因此，如何在农学专业中普及现代信息技术成果，为我国培养农业工程领域具有工程应用能力和创新实践能力的综合型高素质人才是智慧农业教学所要思考的关键问题，对实现我国农业的智能化、无人化、智慧化发展有着举足轻重的意义。

目前，有部分农业院校开设了物联网、大数据等专业，但是，在实施过程存在很多难以解决的问题，例如，天津农学院开设了农业物联网技术相关课程，该课程主要为实践类课程，授课对象为硕士研究生，没有涉及应用型本科院校[1]，研究生的起点较高，数量相对较少，据走访调研得知，相关专业硕士研究生毕业后很少会回到农村从事研发并进行工作。杨森等人提出的农业物联网课程教学改革与探索——以农业院校为例，课程内容比较独立，没有将物联网、大数据、云计算与农业种植知识很好地融合起来[2-3]，没有提及具体的农业种植与管理案例课程建设。李世宝等人提出的“互联网+”背景下无线通信原理课程案例库的建设，没有关于农业种植领域的相关案例[4]。

目前，为解决农业院校课程内容普遍存在的问题，精准培育农业科技人才，山东农业工程学院设计了作物种植和管理系统课程，该课程为案例课程，电气工程及自动化、机械电子工程、机械工程、物联网工程、农业工程专业的学生为授课对象，以实际案例贯穿整个授课内容。

1 作物种植和管理系统课程案例教学目标与内容

结合农业院校物联网专业和农业专业的应用型人才培养目标，适应新时代创新性和综合型人才发展的需要，促进多学科融合，紧跟我国“应用、融合、素养、减负”教育改革的步伐，提高学生综合素养的教学思路，作物种植和管理系统课程案例旨在使学习者了解现代农业的最新政策、发展动态和发展趋势，了解现代信息技术基本知识及其技术原理，掌握“互联网+”时代农业装备技术、农业科技创新基本知识、基本原理和基本技能，实现普及智慧农业信息技术知识、提升实战能力的课程教学目标。改革传统课程教学目标和内容，解构原有教学体系，重构多学科融合的教学内容，主要包括智慧农业基本知识、信息技术常识、环境/长势监控——数据分析——远程可视（含手机端）现场种植情况等内容，开发基于作物种植和管理系统典型案例、搭建柔性实践教学与创新一体化平台、综合应用传感器教学，将理论知识与真实案例结合，结构上划分为三个大模块，分别为智能控制系统设计、智能信息采集系统、视频监控系统，每个大模块又可以细分为多个小模块，每一个小模块就是一个教学案例。

课程的授课内容，既有作物种植技术、农作物病虫害防治技术、节水灌溉，又有传感器技术、数据采集技术、通信技术、云计算技术，主要讲解作物种植技术，高效农业种植系统、精准农业管理系统结构、农业信息技术、农业传感器技术、现代农业通信技术。课程案例来自于企业真实案例，是融合农业、物联网、大数据、云计算的专业理论知识，构建了一门具有现代农业特色的实践课程，实验项目有可视化农业种植环境、作物管理系统、农业预警系统、云技术体验、基于植物工厂环境因子数据采集系统、基于植物工厂环境因子无线通信系统[5]，如表1所示。

2 案例教学内容建设

我校一直以来鼓励教师参与企业实践项目，依据教师参与的企业实践项目，将教师在企业项目中获得的经验、知识、技术应用到教学中，然后按照校企合作的办学模式，引进企业真实项目，结合我校人才培养目标，对接教学项目与学生实践课程凝练出六大课堂教学案例，在课堂教学活动中实施[6]，依托山东科大集团智慧农业示范园，山东绿跃川智慧农业发展有限公司、青岛佳垦农业服务有限公司，山东农业工程学院智能温室实验实训平台，设置课程案例，实施实践教学，进一步提升农业院校培育面向现代农业领域的综合型专业技术人才的质量。

2.1 作物种植技术教学内容建设

根据农作物种植生产环境，搭建可视化农业种植环境，改进农作物种植生产方式。设置种苗种区和无土栽培区，包括作物育苗过程、种植技术案例，引导学生既要学习农业种植相关知识，又要进行亲身实践。还包括无线灌溉控制系统、智能气象站、物联网虫情测报系统，开阔学生视野，激发学生对现代农业种植知识的好奇心，感受现代农业领域的基础设施、系统架构、管理方式、种植技术、科技力量、高效生产等拥有核心竞争力的内容。

2.2 高效农业种植系统教学内容建设

根据农作物种植生产方式，搭建作物管理系统、农作物生长环境调控系统、农作物病虫害防治系统，课程内容涵盖了种植方式与植物生产技术、主要病虫害及防治知识、管理技术等案例。引导学生自主学习智慧大棚控制系统，亲身实践远程获取农作物种植环境的温湿度、土壤或营养液的酸碱度、二氧化碳浓度、光照强度等实时数据，利用信号分析与处理的知识，通过大数据对获取的数据进行分析，构建系统模型，可以自动控制温室湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备；同时，还可以通过手机、触摸屏、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现现场环境的信息化、智能化远程管理。可减少人工成本，实现无人值守，精准调控，有效规避生产风险。

2.3 精准农业管理系统结构教学内容建设

利用电工电子技术、光通信技术、智能控制技术、无线传输技术、无线组网技术搭建农业预警系统。该系统包括农作物信息处理技术、节水灌溉系统、农作物网络监测平台三部分案例，引导学生学习农业环境作物的信息采集与处理、农作物数据传输、数据分析、农作物智能节水灌溉等知识和技术，实现园林、果园、农业、林业、牧业等领域作物信息分类统计、实时报传、远程检测、灌溉预警和防治指导的自动化、智能化。

2.4 农业信息技术教学内容建设

从实践出发，现场演示并让学生体验云技术，通过农业信息技术的重要应用等案例，凝练出信息处理技术常识、大数据基础知识、云计算技术，引导学生了解和掌握Hadoop平台搭建、虚拟化技术、海量数据分布式存储技术，掌握并施行编程模式及其程序的实现。结合案例教学使学生了解和体验几个经典的云计算案例，如Google、Amazon，Openstack等云计算平台，掌握典型虚拟机调用算法实现，掌握云计算的体系结构。

2.5 农业传感器技术教学内容建设

课程内容结合智慧农业传感器技术，以现代农业传感器的应用为案例，搭建基于植物工厂环境因子数据采集系统，涵盖传感器技术、设施农业传感器技术、种植环境数据采集技术；以典型传感器应用为案例，学习现代农业传感器的应用、信息采集方式、体验采集技术及成果，以实时采集新型智能大棚环境因子等参数为案例，对采集的数据进行量化和可视化，指导农户对温室进行监测，通过手机或电脑可以在家中、异地，及时了解温室作物的生长状况，智能提醒其浇水、除草、开窗等处理，实时观察温室的动态，避免了传统种植中收成靠天、靠人的弊端。让学生了解温度、光照、CO2浓度、土壤湿度等参数对现代农业的重要影响以及现代农业与传统农业的差异，激发学生学习新知识，掌握现代农业传感器在农业工程中的应用。现代农业传感器种类，如表2所示。

2.6 现代农业通信技术教学内容建设

利用物联网技术（IoT）在设施农业数据采集案例的基础上，学习传感器节点的分布式布局，通过节点间自组网的通信方式，搭建基于植物工厂环境因子无线通信系统，了解现代农业物联网的通信架构，掌握ZigBee技术、蓝牙技术、WiFi等本地无线通信技术及应用，以及4G/5G等远程通信技术[7]。

ZigBee通信案例硬件采用ZigBee CC2530设备，搭建本地局域网，包含一个协调器，多个节点。协调器布置在远程控制中心，本地分别安装温度、湿度、二氧化碳、光敏、酸碱度等传感器，每个传感器与Zigbee模块形成一个网络节点，组网方案通过协调器配置多个传感器节点加入，然后按照采集策略获取所属传感器数据。

蓝牙串口通信案例硬件采用HC-O6-M主机通信模块，每个传感器配置HC-06-S模块，让学生通过AT指令修改模块为从机作为一个从节点，然后将串口转换为蓝牙通信，获取环境数据，从而使学生掌握蓝牙通信技术和AT指令。

利用移远公司的EC20 4G模块，连接移动互联网，将传感器采集的数据及设备运行状态实时传输到控制器，通过控制器及平台软件实时感知环境信息和设备状态，实现作物种植环境数据采集和远程监测功能，让学生了解4G模块的工作原理、掌握通信方式、工作特点、4G入网技术、LTE协议，采集系统架构图如图1所示[8]。

图1 采集系统架构图

3 农业物联网技术课程案例教学方法设计

作物种植和管理系统课程教学以项目驱动，采取任务分解的教学模式，每个任务融入PBL教学模式，在理实一体化的物联网工程实验室进行，使学生完成理论+实践的学习。授课教师全部是具有丰富企业实践经验的双师型教师，以教师为主导、学生为主体，通过完成一个完整项目进行教学活动。利用课前设置引导预案，设置问题，学生提前预习理论知识点，课中先分组讨论，再通过讲练结合掌握理论知识和实践技能，课后发布案例视频，巩固理论知识，补充案例作业，充分利用校企合作的实验实训平台，锻炼实践技能，逐步实现学以致用的教学目标。

4 结束语

综上所述，跨学科课程建设打破了学科界限，可以吸引不同学科教师互助与合作，组建教学与科研团队，建设优质课程，有利于教师的发展提升，打造专业发展共同体。

案例课程能够让学生直面现实情境下的真实问题，能够帮助学生明晰作物种植和管理的知识以及学习物联网、大数据、云计算技术的意义，主动提高学习兴趣。参与案例实践的过程，使学生具有解决问题、提高思维能力的意识，以及综合应用各种知识、技术、工具解决实际问题的能力。

项目化的教学模式将在项目的研究与开发中培养项目思维，让学生以更高、更广、更多的视角去学习知识，分析问题，总结意见，联系实际，得出结论，最终提升学生的综合素养，达到学生工农兼修，学以致用，全面发展的目的。

通过以上探索分析可以看出，为实现农业院校学科交叉融合的目标，案例教学具有不错的效果。不同学科间横向协同，借助校企深度合作，对原有单一学科课程进行了重新设计，开发了一门作物种植和管理系统案例课程，改变了传统单一学科的教学模式，并在实际教学中进行了初步应用，效果明显，后续将在全校范围内推广，融合物联网、农学专业的跨学科课程内容建设，对提高农业工程领域人才培养质量具有重要意义。