新農(nóng)科背景下大學(xué)物理緒論課設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

李忠秀 王建波 李 萍

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 江西 南昌 330045)

2019年6月28日，《安吉共識(shí)——中國新農(nóng)科建設(shè)宣言》中指出：“開創(chuàng)農(nóng)林教育新格局，走融合發(fā)展之路，打破固有學(xué)科邊界，破除原有專業(yè)壁壘，推進(jìn)農(nóng)工、農(nóng)理、農(nóng)醫(yī)、農(nóng)文深度交叉融合創(chuàng)新發(fā)展[1]”.新農(nóng)科建設(shè)強(qiáng)調(diào)整體思維和系統(tǒng)認(rèn)知分析，用現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)、工程技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)改造提升現(xiàn)有涉農(nóng)專業(yè)，布局新建智能農(nóng)業(yè)，業(yè)已成為新時(shí)期農(nóng)業(yè)高校教育教學(xué)改革的重要方向[2,3].對(duì)比這一新要求，我國現(xiàn)在的普通高校課程設(shè)置和教學(xué)上普遍存在重專業(yè)教育輕通識(shí)教育，學(xué)科交叉融合欠缺，造成學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力不足等問題[4,5].

大學(xué)物理作為涉農(nóng)專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)理論基礎(chǔ)深厚、視野開闊、知識(shí)結(jié)構(gòu)完整、創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)軍人才，起著重要的支撐作用.而緒論作為開宗明義、提綱挈領(lǐng)的第一課，教學(xué)成功與否將直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)大學(xué)物理課程后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣和重視程度.本文在“新農(nóng)科”建設(shè)的大背景、大趨勢下，為加強(qiáng)學(xué)科交叉融合，進(jìn)一步提升大學(xué)物理課程對(duì)涉農(nóng)專業(yè)起到應(yīng)有的支撐作用，以“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”這一國家發(fā)展戰(zhàn)略為主線，介紹其中涉及的相關(guān)現(xiàn)代技術(shù)問題，挖掘背后隱含的物理學(xué)原理，使大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)知識(shí)交叉融合，以期增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程的積極性.同時(shí)，適時(shí)介紹國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和我國發(fā)展“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的必要性和緊迫性，激發(fā)學(xué)生獻(xiàn)身農(nóng)業(yè)和科技報(bào)國的熱忱，培養(yǎng)愛國主義情懷，使大學(xué)物理課程與思政同向同行，形成協(xié)同效應(yīng).

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)簡介

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度交叉融合的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，是一項(xiàng)復(fù)雜的、綜合性極強(qiáng)的系統(tǒng)工程[6].一般來說，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)由10個(gè)系統(tǒng)組成，其中遙感檢測系統(tǒng)(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)分別獲取農(nóng)田環(huán)境信息和地理位置信息，環(huán)境檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、光照度等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行快速、可靠的遠(yuǎn)程采集和傳輸；農(nóng)田信息采集系統(tǒng)接收來自RS和GPS的信息與農(nóng)田地理信息系統(tǒng)(GIS)共同完成農(nóng)田信息數(shù)據(jù)處理、管理和分析；決策支持系統(tǒng)(DSS)和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(ES)是決策形成支持系統(tǒng)的核心；決策的田間實(shí)施則由智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)完成；再加上系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)成了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的基本內(nèi)容，其中又以“3S”(即GPS，GIS，RS)技術(shù)為核心.

2 基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的大學(xué)物理緒論課設(shè)計(jì)與實(shí)踐

教學(xué)實(shí)踐中，緒論課一般安排2個(gè)課時(shí)，教學(xué)對(duì)象為農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專業(yè)，涉及近千名學(xué)生.通常大學(xué)物理緒論課的目的是要解決為什么要學(xué)、學(xué)什么、怎樣學(xué)這幾個(gè)問題[7,8].在解決前兩個(gè)問題時(shí)，引入與涉農(nóng)專業(yè)緊密關(guān)聯(lián)的國家在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)推動(dòng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)為組織線索，闡明蘊(yùn)含的相關(guān)物理理論，對(duì)即將學(xué)習(xí)的大學(xué)物理課程內(nèi)容做出概括，勾勒出力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代基礎(chǔ)物理(相對(duì)論、原子和量子部分)框架.對(duì)于涉及的這些物理理論相關(guān)點(diǎn)做一簡單介紹，不需深入展開，目的是讓學(xué)生清楚大學(xué)物理與其專業(yè)的關(guān)聯(lián)和對(duì)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性，引起學(xué)生對(duì)大學(xué)物理課程的重視，把學(xué)科交叉融合的理念進(jìn)行“潤物細(xì)無聲”的滲透.授課方式以PPT課件、小視頻、圖片等為信息載體，教師講述、引導(dǎo)、設(shè)問，學(xué)生回答，進(jìn)而討論互動(dòng).

限于篇幅，本文僅給出部分講稿與課件以作交流.表1列出了與本課相關(guān)的“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)和關(guān)聯(lián)的物理知識(shí)”.

表1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)及關(guān)聯(lián)物理學(xué)知識(shí)

首先對(duì)大學(xué)物理課程簡略介紹，說明本節(jié)緒論課的思路.引入圖1講解精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概況.

圖1 現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系

(1)我國和發(fā)達(dá)國家在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的進(jìn)展和差距(美國已有80%以上的農(nóng)場采用了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)的滲透率只有6.5%[9])，說明發(fā)展?jié)摿薮笄胰沃氐肋h(yuǎn).

(2)我國已經(jīng)具備發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基本條件(北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、國產(chǎn)超圖GIS軟件、試點(diǎn)探索——新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)).

(3)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是中央決策方向和國家戰(zhàn)略部署，是未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢. 使學(xué)生了解在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以大有可為，大有作為，也讓學(xué)生們明白形勢逼人，事業(yè)催人，增強(qiáng)學(xué)農(nóng)、興農(nóng)、愛農(nóng)的責(zé)任意識(shí).

圖2幻燈片展示了全球定位系統(tǒng)(GPS)的組成、定位原理.

圖2 全球定位系統(tǒng)(GPS)

首先向?qū)W生介紹GPS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的作用和地位， 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求精確定位作物和土壤的水、肥、土、長勢和病蟲草害等要素的空間分布，自動(dòng)導(dǎo)航田間作業(yè)機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)變量施肥、灌溉、噴藥等作業(yè).GPS可以快速準(zhǔn)確地提供大量常規(guī)手段難以獲取的研究區(qū)域內(nèi)上述農(nóng)業(yè)資源空間定位信息，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)和先決條件.目的是讓學(xué)生了解GPS這一現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)物和農(nóng)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，引起學(xué)生的關(guān)注和興趣.然后結(jié)合衛(wèi)星軌道圖和定位圖，提出問題：GPS如何定位地表某一位置？衛(wèi)星軌道怎么確定？運(yùn)轉(zhuǎn)速度有什么要求？由此引出運(yùn)動(dòng)學(xué)中相關(guān)概念并加以簡略介紹，如坐標(biāo)、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等.GPS系統(tǒng)要求各個(gè)衛(wèi)星上的原子鐘應(yīng)該同步.若要導(dǎo)航誤差小于1 m，鐘的走時(shí)與理想同步偏離不能超過4 ns，穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于10-13，而狹義相對(duì)論引起的鐘頻變慢效應(yīng)、引力藍(lán)移引起的鐘頻變快效應(yīng)均在10-10數(shù)量級(jí)[10].為了讓不同衛(wèi)星上的時(shí)鐘保持同步，就必須考慮相對(duì)論效應(yīng)，關(guān)于狹義相對(duì)論初步知識(shí)以及原子鐘所利用的能級(jí)躍遷原理我們將在近代物理部分有所涉及.

圖3幻燈片為我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，可提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，精度達(dá)到厘米級(jí).通過講述北斗系統(tǒng)這一國之重器的建設(shè)原因、發(fā)展歷程及其政治、經(jīng)濟(jì)、軍事意義，弘揚(yáng)和激發(fā)學(xué)生的家國情懷、愛國熱情和報(bào)國志向.達(dá)到大學(xué)物理課程教學(xué)與思政教育的有機(jī)統(tǒng)一(筆者講述的1993年“銀河號(hào)”事件，引起了學(xué)生的強(qiáng)烈共鳴).

圖3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星

遙感系統(tǒng)(RS)如圖4所示，可運(yùn)用遙感技術(shù)裝備接受、記錄目標(biāo)物電磁波特性、光學(xué)特性及熱學(xué)特性.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施需了解農(nóng)作物長勢、病蟲害、養(yǎng)分、土壤水分含量和分布等信息，這些信息都源于監(jiān)測對(duì)象的輻射波長，而輻射波長又與溫度相關(guān).比如植被種類、土壤的光譜效應(yīng)發(fā)生的光譜段為0.63～0.69 μm的紅光波段，植被、生物量和作物長勢監(jiān)測的光譜段為0.76～0.90 μm的近紅外波段，土壤濕度與類型、植物含水量則在1.55～1.75 μm的近紅外波段.這些內(nèi)容與大學(xué)物理中的光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等知識(shí)點(diǎn)緊密關(guān)聯(lián).在此向?qū)W生提問，電磁波在大氣中傳播時(shí)發(fā)生的反射、折射、透射、吸收等現(xiàn)象的規(guī)律如何？地球作為溫度為300 K的黑體，輻射特征和輻射規(guī)律是怎樣的？在此需向?qū)W生點(diǎn)明：本課程雖然不能完全解決這些問題，但我們將要學(xué)到的物理理論是解決這些問題的基石，縱觀自科學(xué)發(fā)展史，從放射性發(fā)現(xiàn)到核能利用，從晶體管效應(yīng)到半導(dǎo)體電子工業(yè)的發(fā)展，從受激發(fā)射理論到激光在制造業(yè)、通信、國防、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，每一次應(yīng)用技術(shù)的革命都源自物理理論的突破，從而傳遞理論和應(yīng)用實(shí)踐是相輔相成、不可截然分割的整體這一唯物主義辯證法觀點(diǎn)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神.

圖4 遙感系統(tǒng)(RS)

3 結(jié)束語

本文針對(duì)涉農(nóng)專業(yè)學(xué)生，在大學(xué)物理緒論課中，以“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”為主線，闡明了大學(xué)物理學(xué)課程對(duì)其專業(yè)的支撐作用，使得大學(xué)物理教學(xué)更生動(dòng)、導(dǎo)向性更科學(xué)，學(xué)科交叉性更鮮明.實(shí)踐結(jié)果表明教學(xué)效果良好，有利于學(xué)生對(duì)整個(gè)物理理論體系的理解，有助于培養(yǎng)學(xué)生打破固有思維、實(shí)現(xiàn)理論和方法的交叉創(chuàng)新能力，在一定程度上提高了學(xué)生們對(duì)這門課程的重視度和學(xué)習(xí)極積性.