新农科背景下智能农业装备专业项目化教学设计与实施——以智能苹果园施肥机为例

刘明明，孙居彦，张光腾，贾孝伟，刘印增

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

基于国家乡村振兴战略需求，2019 年教育部积极推进“新农科”建设，形成了“安吉共识—中国新农科建设宣言”， 宣言中指出：“新时代新使命要求高等农林教育必须创新发展，没有农业农村现代化，就没有整个国家现代化，新时代对高等农林教育提出了前所未有的重要使命[1]”。在新农科建设背景下，人工智能、5G、大数据、物联网等交叉融合技术在农业生产中加速应用，智能化全面融入农业农村现代化，同样传统的农业机械化装备也亟需向智能化方向转型升级[2-3]。党的二十大报告指出：“建设农业农村现代化和实施乡村振兴战略，要强化农业科技和装备支撑，大力发展现代农业装备， 提高农机作业的信息化、智能化水平”。 现代农机装备也被列为 《中国制造2025》重点突破的十大领域之一，这些新形势对新时代农林院校智能农业装备专业人才培养提出了新要求。

山东农业工程学院为适应国家乡村振兴战略需求，开设了机械电子工程专业（智能农业装备方向），并组建了智能农业装备课程群，旨在培养具有智能农业装备工程素养，能够从事农业装备工程领域的科研、工程技术和管理等方面工作的应用型、创新型人才。

1 智能农业装备课程教学现状与问题

山东农业工程学院智能农业装备课程群以农业机械学、农学概论、自动控制技术、人工智能、大数据、农业物联网等学科为主体，构建了智能农业装备专业课程培养体系。课程系统内容涵盖了耕、种、管、收、运、储等环节的典型现代农业装备。 智能农业装备课程群具有：课程内容多、学科交叉融合深、对智能农业装备人才的创新能力、工程实践能力、专业融合能力要求高等特点[4-5]。目前，课程现状和存在问题主要有以下几点：

1.1 课程内容多且分散，系统性不强。

智能农业装备不同于传统的农业机械，课程内容涉及机械、信息、控制、智能等多方面知识，具有学科跨度大，课程内容多、学科交叉融合深，对专业课老师的专业综合能力要求高等特点，目前教学实践过程中存在着各专业课讲授时课程相对独立，知识的连续性、衔接性、系统性不够强等问题。

1.2 课程资源相对少， 教学内容与农业特色结合不紧密。

智能农业装备专业作为新兴专业， 存在着配套专业课程教材资源少， 而且课程内容农机农艺农信的融合度低等问题。人工智能、机器视觉、物联网等技术发展迅速，而课程内容的更新相对滞后。

1.3 课堂教学方式单一，学生学习兴趣低、工程实践能力弱。

课堂教学以传统的讲授为主，且部分同学生活在城市， 对农业生产方面的知识相对欠缺，这些情况造成学生学习兴趣低、 学生创新性不足，利用所学知识解决实际问题的能力不足。

1.4 课程思政元素挖掘少， 知农爱农强农情怀不深。

很多同学普遍存在“在农村与农机、农业生产打交道，技术含量低，工作环境恶劣，收入有限”的认知误区，毕业后从事农业农村现代化建设社会理想和社会责任感趋向平实、平淡。然而，当前我国工业化、城镇化快速推进，农村空心化、农民老龄化现象日趋明显，使得“谁来种地、谁来务农”的问题日益突出，实现农业农村现代化建设和乡村振兴战略实施亟需大量身怀 “知农、爱农、践农”情怀，以强农兴农为己任的高素质创新型智能农业装备科技人才，因此，课程思政育人亟需加强。

2 基于CDIO 模式的项目化教学实施

CDIO 工程教育模式是一种依托于实践项目的创新性教学理念，强调以具体项目作为教学组织方式、以实践作为主要学习方式、以任务作为驱使学生展开学习的动力[4-5]。 CDIO 包括：构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运行（operation）四个阶段，CDIO 教学模式以具体项目为载体，通过四个环节的实施，培养学生的自主学习能力、工程实践能力、团队协作能力、创新意识等，实现学生综合能力的提升[6]。结合新农科建设的内涵和要求， 本文借鉴CDIO 工程教育理念，以“智能苹果园施肥机”项目教学为例，探索新农科背景下智能农业装备专业项目化教学设计与实施，智能苹果园施肥机CDIO 项目教学模式与实施框架，如图1 所示。

图1 智能苹果园施肥机CDIO 项目教学模式与实施框架

2.1 项目构思

我国苹果产量居世界第一，但是果园综合机械化率仅为5.75%，随着城镇化的发展，农村劳动力转移加快，从事果园生产的劳动力短缺，“谁来种果树、谁会种果树”已经成为制约苹果产业发展的重要因素，特别是在果园施肥作业环节体现得尤为突出，目前果园施肥存在施肥劳动强度大、劳动力成本高、施肥效果差、施肥不均匀等亟需解决的问题。 课程通过一系列项目背景导入，使同学们深刻地认识到果农对果园施肥机需求的紧迫性，进一步激发学生利用所学知识解决果农实际问题的兴趣和成就感， 增强学生知农爱农，科技报国的责任感和使命感。 项目教学实施以6-8 人一个小组的方式进行，首先完成智能苹果园施肥机需求项目任务，任务包括：调研智能苹果园施肥机的应用现状，与潜在果农用户沟通并记录具体施肥农艺需求，编制并填写智能苹果园施肥机性能参数表，如图1 所示。

表1 智能苹果园施肥机性能参数

2.2 项目设计

2.2.1 方案设计

方案设计包括：总体方案设计、施肥机械部分设计、施肥控制系统设计。 智能苹果园施肥机带有GPS 定位系统， 通过STM32 单片机控制整机运行， 当机器行驶到到苹果园不同位置时，施肥机按照苹果园施肥作业处方图的要求由施肥机械部分开出肥沟，施肥控制系统控制排肥器完成变量施肥，智能苹果园施肥机项目开发设计流程，如图2 所示。 项目实施分工为：2 名同学负责机械结构设计，2 名同学负责施肥控制系统设计，1-2 名同学负责样机调试和测试，1 名负责成本控制、进度控制、质量控制等任务。项目实施开展过程中，小组成员需团结协作、合理分工、充分论证完成智能苹果园施肥机方案设计，教师协助论证设计方案的可行性，及时为学生答疑解惑。

图2 智能苹果园施肥机项目开发设计流程图

2.2.2 详细设计

详细设计是对总体方案设计的技术细化，主要任务是对每个模块进行详细设计。小组成员需按照总体方案设计要求， 运用所学的专业知识，利用相应的工具和平台进行详细技术设计。下面以施肥控制系统为例进行说明，施肥控制系统由STM32 单片机来控制整个系统的运行，当机器行驶到苹果园不同位置时，施肥机按照苹果园施肥作业处方图的要求由施肥机械部分开出肥沟，施肥控制系统控制排肥器完成变量施肥，该任务需要学生完成控制系统的硬件设计、 软件系统设计。硬件系统设计包括：单片机选型、电源模块设计、稳压模块设计、通信模块、排肥控制、GPS 模块、超声波等硬件设计选型及电路板绘制。 软件系统设计包括：主程序、变量施肥控制、超声波测距、GPS 定位等程序编写、调试、测试等任务。 教师在项目实施过程中提供项目资源及技术支持，同时，各项目小组成员在项目任务驱动下自主学习，通过项目实践锻炼自主学习和专业知识的工程实践能力。

2.3 项目实现

项目实现阶段是整个项目教学的中心环节，项目小组通过构思、设计等环节的锻炼，接下来需要完成项目的实现，即将设计的产品图纸转换成具体的实物产品。此阶段项目小组需共同协作完成开沟施肥机械零部件组装， 电气元件安装、接线、程序调试等工作，并对安装调试的智能苹果园施肥机进行田间试验，根据试验过程出现的问题进行优化改进。通过整个项目实现过程锻炼学生动手实践能力、培养创新精神以及严谨细致精益求精的工匠精神。

2.4 项目运行

项目运行阶段主要任务要求是保证智能苹果园开沟施肥机工作时运行顺畅， 施肥作业效果达到项目任务中规定的性能参数， 在条件允许的情况下在苹果试验园内对果农进行样机技术推广应用示范，模拟编写产品说明书，进行市场推广。

2.5 项目实施效果

通过对学生访谈、填写调查问卷、考核关键知识点等方式， 证明了 “智能苹果园施肥机”CDIO 项目教学模式能有效激发学生学习兴趣，学生的知识综合应用能力、自主学习能力、工程实践能力等得到有效提升。 教学实施过程中，通过CDIO 项目教学与学科竞赛相结合，“以赛促练、以赛促学”做到课赛融合，在参与竞赛过程中，锻炼学生理论知识转化为实践的能力，例如笔者利用 “智能苹果园施肥机” 项目产品参加2023 年山东省机电产品创新设计竞赛并获得一等奖， 参与学生申请并授权实用新型专利1 项，并发表科研论文1 篇。

3 结语

结合新农科建设的内涵和要求，本文积极探索新农科背景下智能农业装备专业项目化教学设计与实施，借鉴CDIO 工程教育理念，以“智能苹果园施肥机”项目教学为例，开展项目的“构思—设计—实现—运行” 四个环节教学改革论述，同时，结合新时代国家对农林院校学生的要求，教学实施过程中融入课程思政要素，实现课程思政育人。 教学实践表明：新农科背景下智能农业装备专业项目化教学设计与实施，能够有效提升学生自主学习和工程实践能力， 创新思维、团队协作精神、 知农爱农情怀显著增强， 通过CDIO 项目式教学积极探索培养高素质创新型智能农业装备科技人才，为国家乡村振兴战略需求提供人才保障。