系統(tǒng)工程設(shè)計思維視域下的智慧農(nóng)業(yè)教育
——以智慧蔬菜大棚為例*

何珍麗，蔡叢聰，李秋石*

（1.河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.河北師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，河北 石家莊 050024）

2021年中共中央、國務(wù)院發(fā)布《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》，文件指出為促進(jìn)我國智慧農(nóng)業(yè)大力發(fā)展，需大力培養(yǎng)農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新、技術(shù)推廣人才，以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)帶頭人，為發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供必要的智力支持。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，是進(jìn)一步解放生產(chǎn)力、激發(fā)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的內(nèi)生動力。它包括智慧科技、智慧生產(chǎn)、智慧組織和智慧生活等多個部分，以智慧生產(chǎn)為核心，運(yùn)用集成應(yīng)用傳感和測量技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、智能技術(shù)及自動控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的自動運(yùn)行，農(nóng)業(yè)管理過程的智能控制，農(nóng)產(chǎn)品物流運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)化管理，農(nóng)產(chǎn)品銷售的電子交易，精細(xì)化、智能化、集約化、科學(xué)化生產(chǎn)促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品提質(zhì)增效，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。[1]

目前，我國各高校開展的智慧農(nóng)業(yè)教育，更多的指向勞動，而忽視了學(xué)習(xí)者的高級思維培養(yǎng)。教育內(nèi)容以及教育形式單一，主要圍繞傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)知識和技術(shù)，側(cè)重于前期技術(shù)指導(dǎo)，缺乏后期的產(chǎn)品加工、營銷等環(huán)節(jié)，缺乏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理和電子信息化的復(fù)合型人才，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員存在較大缺口，尤其是高職稱、高層次的農(nóng)業(yè)人才，特別是忽略了職業(yè)農(nóng)民整體素質(zhì)的提高，高素質(zhì)農(nóng)業(yè)人才匱乏已成為困擾我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大難題。[2]

因此，亟需探索智慧農(nóng)業(yè)教育實(shí)施策略，來培養(yǎng)一批具備較高農(nóng)業(yè)素養(yǎng)、懂得智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)、會經(jīng)營智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、善于智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等全面發(fā)展的農(nóng)業(yè)人才。

1 系統(tǒng)工程設(shè)計思維視域下的智慧農(nóng)業(yè)教育

1.1 系統(tǒng)工程設(shè)計思維

設(shè)計是用來解決問題的，包括同心理、定義、創(chuàng)想、原型化和測試五個階段。[3]系統(tǒng)工程設(shè)計思維是系統(tǒng)化的工程設(shè)計思維方式，可以理解為以全局觀進(jìn)行工程設(shè)計，要求以人為本，全面系統(tǒng)地考察與設(shè)計方案相關(guān)的各種因素，創(chuàng)造性地對習(xí)慣性的思考方式和外部世界進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用各種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各要素的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到工程設(shè)計產(chǎn)品最優(yōu)的目的。

它有以下特點(diǎn)：（1）綜合性。注重各部分特征的聯(lián)系。（2）以人為本。通過移情感知了解真實(shí)需求。（3）情境性。倡導(dǎo)通過與現(xiàn)實(shí)問題的聯(lián)結(jié)來促進(jìn)人們完善知能結(jié)構(gòu)。（4）迭代性。強(qiáng)調(diào)重復(fù)反饋漸進(jìn)達(dá)到最優(yōu)化。（5）創(chuàng)造性。專注于設(shè)計產(chǎn)品的創(chuàng)新。它的根本特征在于從系統(tǒng)的整體性出發(fā)，針對某個具體的需要或者問題，從使用者或應(yīng)用者角度出發(fā)，綜合考慮各方面因素，研究要解決的問題，大膽進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，思考解決方案，通過迭代優(yōu)化形成具有價值的產(chǎn)品，以期完成市場化。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計思維視域下的智慧農(nóng)業(yè)教育實(shí)施策略

1.2.1 以工程設(shè)計項(xiàng)目承載農(nóng)業(yè)綜合素養(yǎng)養(yǎng)成

工程設(shè)計項(xiàng)目常采用跨學(xué)科的方式，通過學(xué)科之間不可分割的聯(lián)系，通過持續(xù)性的探究實(shí)踐來達(dá)到對問題的解決。學(xué)習(xí)者通過問題解決的過程，來建構(gòu)隱藏于問題背后的知識以形成解決問題的能力。智慧農(nóng)業(yè)具有多層豐富的內(nèi)涵，涉及多個行業(yè)領(lǐng)域，智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要多方面知識能力參與。通過工程項(xiàng)目整合利用資源，將多學(xué)科知識、多渠道信息、多元化技能、多層次能力與素質(zhì)等進(jìn)行有機(jī)整合，達(dá)成智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，以及信息技術(shù)、智慧農(nóng)業(yè)經(jīng)營與管理綜合素養(yǎng)的養(yǎng)成。通過校企合作工程項(xiàng)目、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，以多主體培訓(xùn)，拓寬學(xué)習(xí)者視野，提升創(chuàng)新創(chuàng)造能力與高階思維能力，為智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)、運(yùn)營、管理的創(chuàng)新提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合、合作育人。

1.2.2 以真實(shí)問題來感知智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求

系統(tǒng)工程設(shè)計思維視域下的工程設(shè)計項(xiàng)目遵循“人本主義”理念，提倡移情感知，以便理解服務(wù)訴求及消費(fèi)感受，更貼近需要解決的問題。以解決現(xiàn)實(shí)世界或者真實(shí)情境中的棘手問題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)在問題情境中，通過提供清晰可循的解決問題的思路，引導(dǎo)設(shè)計者形成解決問題的能力。問題情境的創(chuàng)設(shè)不能只依靠多媒體呈現(xiàn)，需結(jié)合場景模擬、實(shí)地考察、角色扮演、互動采訪等方式以走向多元化和生活化。例如，可借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)構(gòu)建“真實(shí)”智慧農(nóng)業(yè)場景，供學(xué)習(xí)者進(jìn)行訓(xùn)練，借助簡單的設(shè)計學(xué)習(xí)體驗(yàn)，逐步將已經(jīng)形成的設(shè)計思維相關(guān)知能遷移到更加復(fù)雜的智慧農(nóng)業(yè)場景中的問題解決。還可組織學(xué)習(xí)者去智慧農(nóng)場，對智慧農(nóng)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，真實(shí)感受智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2.3 以頭腦風(fēng)暴來解析智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題

頭腦風(fēng)暴作為培養(yǎng)創(chuàng)造性的一種重要途徑，鼓勵人們體驗(yàn)不同方法的價值，以多樣化的思維去處理任務(wù)，往往在解決問題的過程中演繹出多種路徑的解決方案。由于學(xué)習(xí)者社會經(jīng)驗(yàn)的差異，以及思考維度的不同，會產(chǎn)生獨(dú)特的、多維的和立體的思考方式，對于智慧農(nóng)業(yè)存在的問題認(rèn)識，會衍生出多樣化的創(chuàng)意想法。學(xué)習(xí)者通過頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生關(guān)于智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多方面的問題，以及解決這些問題的多種可能方案。例如，如何科學(xué)管理智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、如何獲取市場變化與消費(fèi)者需求信息、如何保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、如何提升農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈價值等問題。解決這些問題，開發(fā)相應(yīng)的智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、加工和銷售是必不可少的。比如，智能化灌溉利用手機(jī)就可以監(jiān)控濕度、溫度并適時澆灌。利用氣象信息服務(wù)平臺獲取每年的氣象信息大致情況，決定今年適合種植什么。利用信息交流平臺，掌握把農(nóng)產(chǎn)品賣到哪里去，而且大數(shù)據(jù)分析云平臺使得農(nóng)產(chǎn)品也利用“一帶一路”的機(jī)遇把農(nóng)產(chǎn)品賣到國外去。要智慧農(nóng)業(yè)更快更好地發(fā)展，就需要利用好這些智能技術(shù)的信息資源開發(fā)，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1.2.4 以原型迭代來實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)步

一個產(chǎn)品從創(chuàng)造出來就要經(jīng)歷不斷完善的過程，不斷完善細(xì)節(jié)。通過不斷迭代改進(jìn)優(yōu)化，制作出符合現(xiàn)實(shí)需要的創(chuàng)造性產(chǎn)品。通過對執(zhí)行項(xiàng)目的環(huán)境進(jìn)行模擬，包括智能技術(shù)和運(yùn)營、環(huán)境和管理的模擬，初步依據(jù)方案構(gòu)建原型。當(dāng)開發(fā)出一個新的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)、運(yùn)營方式、管理模式原型，需要先在小范圍內(nèi)試用，根據(jù)相關(guān)用戶的反饋、市場變化等暴露新的需求，解決當(dāng)前存在的問題。然后下一次在更大范圍內(nèi)使用，更加深入地了解問題需求，繼續(xù)修改。如此持續(xù)不斷的打磨和優(yōu)化迭代，最后再推向整個智慧農(nóng)業(yè)。

2 系統(tǒng)工程設(shè)計思維視域下的智慧農(nóng)業(yè)教育課程實(shí)施案例

2.1 內(nèi)容選擇

智慧蔬菜大棚可種植的作物多種多樣，如何篩選出適合應(yīng)用于課堂的作物對象，是智慧農(nóng)業(yè)教育課程開展、實(shí)施所面臨的第一個問題。近年來，我國的農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)有了很大進(jìn)步，其中食用菌工廠化無公害生產(chǎn)是一項(xiàng)新發(fā)展起來的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)。相較于其他果蔬，菌類作物工廠化程度高，具有發(fā)展的高效性、循環(huán)、綠色、空間利用率大等特點(diǎn)。[4]在課程學(xué)習(xí)中引導(dǎo)學(xué)生對模擬食用菌工廠進(jìn)行構(gòu)建，給培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程設(shè)計思維創(chuàng)造了更大的空間。

考慮到菌類生長周期、課堂觀察的便利性，以及其目前商品化開發(fā)程度，再結(jié)合比對，最終確定了本次課程的主題菌類：平菇。

平菇生長周期短，適應(yīng)性強(qiáng)、溫度范圍廣（分別有高溫型、中溫型、低溫型可供不同季節(jié)選擇），菌絲在-30-30℃范圍內(nèi)均能生存；栽培種類多、抗逆性強(qiáng)，利于學(xué)生對作物生長的直接性觀察。且栽培原料廣，其中涉及對農(nóng)業(yè)廢料（如：農(nóng)業(yè)木屑、棉籽殼、作物秸稈、玉米芯、花生殼、禾本類雜草、動物糞便等）的二次應(yīng)用。在課程實(shí)施的過程中培養(yǎng)學(xué)生循環(huán)利用的環(huán)保觀念。且從各大購物平臺可以購得平菇菌袋，在教室即可展開操作簡便的“出菇實(shí)驗(yàn)”，利于學(xué)生對作物的生長進(jìn)行直觀地觀察。目前國家食用菌產(chǎn)業(yè)正在興起，市面上各種食用菌工廠逐漸工廠化、規(guī)范化，其自動化、流程化生產(chǎn)模式，相對統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，為本次課程提供了基本框架。

2.2 課程實(shí)施案例

本節(jié)課以創(chuàng)建X年級X班“食用菌工廠”為切入點(diǎn)，圍繞“如何創(chuàng)建智慧食用菌工廠”這一問題展開課程內(nèi)容。最終班級小組分部門合作，使得課堂上構(gòu)建的食用菌智慧大棚模型得以運(yùn)行。

在課程開始前一周購得已有菇蕾的平菇菌袋，下發(fā)給各小組。說明栽培事項(xiàng)、布置栽培任務(wù)（就溫度、濕度、CO2濃度、光照四個變量分別設(shè)置對照試驗(yàn)），要求學(xué)生完成觀察記錄筆記。

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境，確定問題

教師創(chuàng)設(shè)情境“隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)設(shè)施中植物不需要人工全天實(shí)時監(jiān)控，智能化監(jiān)控培養(yǎng)系統(tǒng)則可以完成這個任務(wù)。假如學(xué)校要建設(shè)一家食用菌大棚工廠，如何設(shè)計能使食用菌大棚自動化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理呢？”接著，教師播放某一智慧蔬菜大棚介紹視頻，了解大棚的結(jié)構(gòu)、種植植物類型、智能設(shè)備（如傳感器等）的工作原理。

2.2.2 創(chuàng)新構(gòu)想，制作模型

（1）平菇培養(yǎng)車間

教師提出問題“通過一周的觀察，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)平菇的生長離不開哪些因素？”帶領(lǐng)學(xué)生分析對比實(shí)驗(yàn)總結(jié)出影響食用菌生長的幾個關(guān)鍵因素：溫度、濕度、CO2濃度、光照。那么能否通過運(yùn)用一些智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)平菇栽培車間自動化呢？教師應(yīng)要求學(xué)生們進(jìn)行小組合作，并鼓勵學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，盡可能多地提出實(shí)現(xiàn)平菇栽培車間自動化的方案，并通過討論確定解決問題的實(shí)現(xiàn)方法，最后完成表1的填寫，并通過3D模擬制圖軟件建構(gòu)出平菇栽培車間基本構(gòu)造。其中涉及各自動化機(jī)械設(shè)備的空間合理性的安排。

表1

（2）平菇菌袋制作車間

解決了平菇“住得好”的問題，那它在我們工廠能“吃得飽”嗎？我們都知道生物的生長離不開營養(yǎng)物質(zhì)，平菇生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)都來源于哪呢？發(fā)動各小組展開討論。最后教師對班級同學(xué)的討論進(jìn)行總結(jié)：蘑菇是一種腐生菌，不能進(jìn)行光合作用，完全依賴于培養(yǎng)料中的營養(yǎng)物質(zhì)來維持生長發(fā)育，形成蘑菇子實(shí)體?？磥砥焦缴L所需的物質(zhì)都來源于含有培養(yǎng)料的菌包。

教師說明從購物平臺上購得的菌棒均價在8元左右，而市面上的食用菌工廠自制菌包成本在2元左右。如果工廠想在市場中占據(jù)有利位置，獲得更大的利潤，是不是還得自產(chǎn)自銷？咱們工廠能不能也建立一個菌包生產(chǎn)車間？既然自己制作培養(yǎng)料，就要知道它都有什么成分。請同學(xué)們開動腦筋，聯(lián)系日常實(shí)際想一想制作菌包都需要什么材料？

a.碳水化合物

它來自植物體，可由植物莖葉供給。蘑菇體內(nèi)含有大量的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素及某些有機(jī)酸，依靠這些物質(zhì)，并利用蘑菇的細(xì)胞組成、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和呼吸代謝嗜熱及中溫型微生物和蘑菇菌絲分泌的酶，分解成簡單的碳水化合物為蘑菇所用。

b.含氮化合物

蘑菇生長發(fā)育需要少量的生長素和維生素，如平菇需要的含氮化合物有銨態(tài)氮、有機(jī)氮和尿素等，一般可由培養(yǎng)料中的微生物來提供，不必另外添加。氨態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮可以增加平菇產(chǎn)量，但是要適量。

c.礦物質(zhì)

植物莖葉中含有鉀、磷、鈣、鎂、硫等礦物質(zhì)元素，它們是蘑菇不可缺少的營養(yǎng)，以及對菌絲體的生長和子實(shí)體的形成都是十分有益的。

d.維生素

蘑菇的生長需要少量的生長素和維生素，一般可由培養(yǎng)料中的微生物來提供，不必另外添加。[5]

播放食用菌菌袋生產(chǎn)過程的小視頻，小組展開比賽指出視頻中所用到的材料和生產(chǎn)工具（例如：木材粉碎機(jī)、拌料機(jī)、裝袋機(jī)）。利用3D模擬仿真軟件制作拌料機(jī)，并補(bǔ)充新的工廠板塊/工廠的菌袋制作車間。

（3）平菇分級包裝車間

平菇出菇之后，就到了“收獲”的時刻。學(xué)生們作為“廠長”有什么辦法對數(shù)量龐大的平菇進(jìn)行快速采摘？學(xué)生們踴躍發(fā)言之后，教師給出參考條件：雇傭采摘工人所需經(jīng)費(fèi)和使用大型自動化設(shè)備所需經(jīng)費(fèi)之間的比對，采摘效率的比對，以及采摘質(zhì)量的高低（采摘平菇品相）。由學(xué)生擬定方案，選擇他們認(rèn)為合適的采摘模式，并給出理由。經(jīng)過比對，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)自動化收割設(shè)備獲得的利潤相對更大。

收獲了大量的平菇，包裝速度與平菇生鮮質(zhì)量成正比。但大小不同、品相各異的平菇的價格等級是有很大差異的。如何進(jìn)行科學(xué)化的分離采摘？教師可播放科普視頻資料，如荷蘭食用菌工廠如何對采摘后的香菇分級，給學(xué)生提供一定的思路。然后讓學(xué)生針對平菇的性狀特點(diǎn)探討平菇分離采摘解決方案，并運(yùn)用3D制圖軟件繪制設(shè)備模型。

2.2.3 交流展示，迭代完善

各小組依次介紹模型作品的優(yōu)缺點(diǎn)并匯報設(shè)計思路，講述在制作過程中遇到的困難，以及通過怎樣的方式從最初制作的模型到最終的模型作品。采取學(xué)生個人評價、教師評價、小組評價等相結(jié)合的形式，對各組整個模型設(shè)計過程和模型產(chǎn)品進(jìn)行評價，根據(jù)評價建議進(jìn)一步完善設(shè)計方案。

最后，總結(jié)各車間3D模型，完成工廠全面示圖。播放食用菌工廠運(yùn)營視頻，全面了解食用菌工廠智能技術(shù)、運(yùn)營、管理情況。帶領(lǐng)學(xué)生們回顧課程內(nèi)容，進(jìn)行課堂成果與實(shí)際效果的比對，并要求學(xué)生們課后持續(xù)迭代改進(jìn)產(chǎn)品。