智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材與資源建設(shè)研究

劉曉宇 吳剛山 嚴(yán)方 陳寅

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)具有綜合性與復(fù)雜性、危險(xiǎn)性與易損性、季節(jié)性與時(shí)效性的特點(diǎn)，為學(xué)校中的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)帶來問題與挑戰(zhàn)。虛擬仿真應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)中，可以很好地解決上述教學(xué)中面臨的問題。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?智慧農(nóng)業(yè);數(shù)字化仿真;資源建設(shè)

[中圖分類號] ?S126 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2021）41-0084-02

一、智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)的特點(diǎn)及面臨的問題

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的支柱之一。然而，我國農(nóng)業(yè)至今仍存在著生產(chǎn)效率低、化肥及農(nóng)藥過量使用造成污染等問題。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的興起與發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。智慧農(nóng)業(yè)利用傳感器和軟件通過移動平臺或者電腦平臺對農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行采集，對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”[1-2]。智慧農(nóng)業(yè)有望改變“靠天吃飯”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率，減少浪費(fèi)并降低污染。但我國智慧農(nóng)業(yè)正處于起步階段，具備該領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和能力的人才缺乏，需求量巨大[3]。同樣，智慧農(nóng)業(yè)的教學(xué)也剛剛起步，缺乏系統(tǒng)性的思想體系和教學(xué)體系，通過初步嘗試，我們認(rèn)為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)主要包括如下特點(diǎn)：（1）綜合性與復(fù)雜性。智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)內(nèi)容涉及多學(xué)科知識與技能及綜合利用，特別考驗(yàn)教學(xué)者的教學(xué)能力與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力。（2）危險(xiǎn)性與易損性。智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)涉及物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目內(nèi)容，操作內(nèi)容具有危險(xiǎn)性，且學(xué)習(xí)過程中設(shè)備易受損。（3）季節(jié)性與時(shí)效性。教學(xué)中涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有季節(jié)性和時(shí)效性，需要根據(jù)作物的生產(chǎn)季節(jié)與時(shí)間來安排教學(xué)。

因此，在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)教學(xué)中面臨以下問題：（1）如何合理表現(xiàn)教學(xué)中復(fù)雜抽象的項(xiàng)目過程，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣來提升教學(xué)效果？（2）如何完成具有危險(xiǎn)性的項(xiàng)目并重復(fù)利用易損耗的元器件，提高教學(xué)的安全性并減少元器件損耗？（3）如何突破對作物生產(chǎn)季節(jié)與時(shí)間等客觀條件的依賴性，滿足實(shí)際的課堂中隨時(shí)隨地都可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求，增大教學(xué)的靈活性？

二、虛擬仿真在智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真，實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，也可以是構(gòu)想中的世界[4]。具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點(diǎn)，就是通常所說的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如農(nóng)業(yè)虛擬仿真技術(shù)，可以模擬植物的生長環(huán)境和生長過程，重構(gòu)植物的生命過程，典型的有氣候模擬、溫室模擬、植物生長模擬等[6]。虛擬仿真應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)中，可以很好地解決上述教學(xué)中面臨的問題。虛擬仿真技術(shù)能夠合理、逼真的表現(xiàn)教學(xué)中復(fù)雜抽象的項(xiàng)目過程，以提升教學(xué)效果[7-8];學(xué)生可以借助虛擬仿真完成危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，并反復(fù)使用易耗損的元器件;借助作物模型突破對作物生產(chǎn)季節(jié)與時(shí)間等客觀條件的依賴性，充分滿足實(shí)際的課堂需求。

三、智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材與資源建設(shè)的研究內(nèi)容

本研究以藍(lán)莓智慧生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材與資源建設(shè)研究為例，主要提出了如下問題的設(shè)計(jì)與探討：（1）通過藍(lán)莓智慧生產(chǎn)作物模型、環(huán)境模型、系統(tǒng)設(shè)備模型等機(jī)理性數(shù)學(xué)模型，形成藍(lán)莓智慧生產(chǎn)過程虛擬仿真軟件。（2）通過藍(lán)莓智慧生產(chǎn)的工作任務(wù)分解建立數(shù)字化工作手冊、關(guān)鍵設(shè)備分解視頻等數(shù)字化教材資源。（3）通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在時(shí)間維度上仿真學(xué)生學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程并進(jìn)行評價(jià)，形成訓(xùn)練與測評反演評價(jià)系統(tǒng)、訓(xùn)練與測評積分系統(tǒng)。而研究的重點(diǎn)包括：（1）藍(lán)莓智慧生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材的框架設(shè)計(jì);藍(lán)莓智慧生產(chǎn)的虛擬仿真交互方式、對象、三維模型的動態(tài)表達(dá);仿真基本功能設(shè)計(jì)。（2）藍(lán)莓智慧生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材的核心算法，包含藍(lán)莓植株生長預(yù)測模型、藍(lán)莓生長狀況的七級模糊概率模型等，采用透傳協(xié)議思想建立物聯(lián)網(wǎng)模塊的信道傳遞通道的問詢與應(yīng)答模型（指令和反饋）等。（3）學(xué)員數(shù)字成長軌跡模型：通過作物模型、環(huán)境模型、系統(tǒng)設(shè)備模型等機(jī)理性數(shù)學(xué)模型，在線對學(xué)生實(shí)踐實(shí)訓(xùn)成果進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，將學(xué)習(xí)訓(xùn)練行為變成可視化的數(shù)字成長軌跡。

研究分為藍(lán)莓智慧生產(chǎn)仿真范圍界定、藍(lán)莓智慧生產(chǎn)仿真模型選擇、藍(lán)莓智慧生產(chǎn)四維數(shù)字化教材規(guī)劃、實(shí)施四維數(shù)字化教材成效四個階段（見圖1），最終完成智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仿真教材與資源建設(shè)。

四、本研究的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值

（一）從仿真資源建設(shè)的角度提出四維數(shù)字化仿真教材建設(shè)理念

四維數(shù)字化仿真是指通過數(shù)字仿真技術(shù)，在學(xué)生仿真訓(xùn)練實(shí)踐過程中，通過三維空間交互創(chuàng)設(shè)逼真的仿真實(shí)訓(xùn)情境，建立生產(chǎn)模型、環(huán)境模型、系統(tǒng)設(shè)備模型等，通過數(shù)字技術(shù)反演學(xué)生虛擬生產(chǎn)行為，通過學(xué)生虛擬實(shí)踐訓(xùn)練對虛擬生產(chǎn)實(shí)踐產(chǎn)生不可逆的影響，對學(xué)生虛擬生產(chǎn)行為進(jìn)行客觀評價(jià)和記錄，從而將學(xué)習(xí)訓(xùn)練行為變成可視化的數(shù)字成長軌跡。

（二）從教學(xué)的角度提出從“管學(xué)”到“促學(xué)”轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)評價(jià)與職業(yè)素質(zhì)考核大多是對訓(xùn)練結(jié)果、訓(xùn)練時(shí)間的統(tǒng)計(jì)與考核，學(xué)業(yè)評價(jià)更多的是課程教學(xué)管理的延伸。現(xiàn)代教育是以學(xué)生為主體，學(xué)業(yè)評價(jià)是為學(xué)生成長服務(wù)的一個重要監(jiān)控與校正手段，評學(xué)的目的是促學(xué)，而不是管學(xué)，是“測試”手段，而不是“考核”手段。智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材基于學(xué)生成長管理的評學(xué)新模式設(shè)計(jì)，將學(xué)生學(xué)習(xí)訓(xùn)練行為評價(jià)轉(zhuǎn)變成學(xué)生的可視化成長軌跡。從“結(jié)果評價(jià)”向“成長管理”轉(zhuǎn)變，將學(xué)習(xí)訓(xùn)練素養(yǎng)變成職業(yè)作業(yè)素養(yǎng)，將“管學(xué)思維”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按賹W(xué)思維”，增強(qiáng)學(xué)生知技學(xué)習(xí)與訓(xùn)練評價(jià)的功能與效用。

（三）從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度提出基于生長概率分布的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程仿真模型

在目前國內(nèi)作物生長模型與作物生長機(jī)理數(shù)學(xué)模型并不成熟的情況下：第一，建立基于生長概率分布的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程仿真模型：第二，建立水肥、光照、溫度、濕度等各因子網(wǎng)格模型：第三，建立各限制因子對作物生長影響的概率分布模型，形成對每一株作物的影響因子計(jì)算網(wǎng)格以及影響因子對作物生長影響的概率分布，從而獲得整個溫室作物的病蟲害概率分布、作物花蕾、掛果、產(chǎn)量預(yù)期等。這種仿真建模方式一方面使學(xué)生獲得了作物生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要素訓(xùn)練，以及這些要素對作物生長的影響以及產(chǎn)量影響的理論訓(xùn)練以及直觀三維體驗(yàn);另一方面避免了復(fù)雜建模在仿真訓(xùn)練過程中難以滿足實(shí)時(shí)性要求這一弊端。

綜上所述，本文提出的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)四維數(shù)字化仿真教材與資源建設(shè)的思路，能夠改進(jìn)教師的教學(xué)方法與手段，改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式與學(xué)習(xí)行為，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃成龍.人工智能及云計(jì)算在智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教文匯（上旬刊），2020（2）：71-72.

[2]欒嵐.一種基于虛擬仿真的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].科技資訊，2020，18（4）：11-12.

[3]王繼玥，石登紅，白禹，等.關(guān)于智慧農(nóng)場與農(nóng)業(yè)高校產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式的思考[J].貴陽學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，15（2）：92-95.

[4]馬艷秋，王瀠笛，張龍媛，等.虛擬仿真3D教學(xué)平臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索：以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例[J].輕工科技，2020，36（11）：183-184.

[5]陳浩磊，鄒湘軍，陳燕，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J].中國科技論文在線，2011，6（1）：1-5，14.

[6]錢猛，崔瑾，成丹，等.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[J].微生物學(xué)通報(bào)，2016，43（4）：861-866.

[7]李赫，史景釗，張開飛，等.農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬仿真教學(xué)探討[J].青年與社會，2018（36）：185-186.

[8]崔玉鑫，孫裕晶，姜珊，等.農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真系統(tǒng)在《拖拉機(jī)汽車駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016（39）：177-178.

◎編輯 魯翠紅