從“技術驅(qū)動”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)教育改革

摘" 要：隨著智慧農(nóng)業(yè)信息化、數(shù)字化和智能化技術的迅猛發(fā)展，如何從“技術驅(qū)動”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)教育改革成為亟需解決的問題。針對涉農(nóng)專業(yè)學生多數(shù)呈現(xiàn)低迷學習狀態(tài)，對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)基礎知識與生產(chǎn)技術不感興趣等現(xiàn)實問題。該文利用深度學習技術，對智慧農(nóng)業(yè)教學模式、實例、教學方式及學生學習成績評定等方面進行教改創(chuàng)新探索。例如，圍繞智能溫室病蟲害防治等關鍵技術問題，引導學生查閱數(shù)據(jù)，提出病蟲害防治的立項與設計方案；觀看課外教學視頻的“微課件”，學生與教師實時交互探討問題；將農(nóng)業(yè)相關數(shù)據(jù)、資料匯集、整理，建立數(shù)據(jù)模型、構建病蟲害防治預警方案。這種“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的教學模式，為學生創(chuàng)造出多樣化的學習環(huán)境，提升學習體驗，使學生認識到掌握智慧農(nóng)業(yè)先進科學技術、知識的實用價值，從而提高教學效果與涉農(nóng)教育的“適切性”。

關鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；病蟲害防治；涉農(nóng)專業(yè)學生；技術驅(qū)動；數(shù)據(jù)驅(qū)動

中圖分類號：F323" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）04-0011-04

Abstract： With the rapid development of information， digital and intelligent technology in smart agriculture， how to change from \"technology-driven\" to \"data-driven\" smart agricultural education reform has become an urgent problem to be solved. In view of the practical problems such as most of the students majoring in agriculture are in a depressed learning state and are not interested in traditional agricultural basic knowledge and production technology. By using the technology of deep learning， this paper makes an innovative exploration on the teaching reform of smart agriculture in the aspects of teaching model， examples， teaching methods and students' learning achievement evaluation. For example， around the key technical issues such as the prevention and control of diseases and insect pests in the smart greenhouse， this paper guides the students to consult the data and puts forward the project and design plan for the prevention and control of diseases and insect pests; guides the students to watch the \"micro-courseware\" of extracurricular teaching videos and discuss the problems with teachers in real time; collects and organizes agricultural data and materials， establishes a data model， and builds an early warning scheme for pest control. This \"data-driven\" teaching model creates a diversified learning environment for students， enhances their learning experience， and makes students realize the practical value of mastering advanced science and technology and the knowledge of smart agriculture， so as to improve the \"appropriateness\" of teaching effect and agriculture-related education.

Keywords： smart agriculture; pest control; agriculture-related students; technology-driven; data-driven

智慧農(nóng)業(yè)是集信息技術、生物技術、先進制造等科學技術綜合應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村建設中，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的新引擎。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級技術階段，是利用智能化高科技手段，針對農(nóng)田土壤、肥力、農(nóng)作物生長、健康狀況，采取現(xiàn)代化施肥、病蟲害防治等技術措施，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準化[1-2]。由于計算機與網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和無線通信技術等新技術，不斷深入到農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，有利地促進智慧農(nóng)業(yè)更好的發(fā)展，推進傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效[3]。隨著智慧農(nóng)業(yè)信息化、數(shù)字化和智能化技術深入、普及到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)、農(nóng)村亟需大量具備較高農(nóng)業(yè)素養(yǎng)[4]，既掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識與技術，又掌握信息化技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等復合技能性人才。但是我國目前大多數(shù)涉農(nóng)專業(yè)教學，仍以傳統(tǒng)的農(nóng)作物耕種、管理方法及畜牧養(yǎng)殖技術的通識教育為主，與我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化等產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展不相符合[5-6]。農(nóng)業(yè)教育要適應智慧農(nóng)業(yè)對人才的需求，必須引進新觀念，積極探索新型人才培養(yǎng)模式，在教育觀念、人才培養(yǎng)目標和培養(yǎng)模式等方面進行探索、改革與創(chuàng)新[7]。如何使新時代農(nóng)科教育體系高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興戰(zhàn)略，就成為農(nóng)業(yè)教育亟待探討與解決的問題。

1" “數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)教學模式

“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)教學模式，旨在培養(yǎng)學生對植物與環(huán)境相互作用的認識和理解，以及掌握植物生長發(fā)育、適應環(huán)境的基本原理和方法。植物與環(huán)境課程通過改變傳統(tǒng)授課模式，在教學內(nèi)容中納入智慧農(nóng)業(yè)的最新研究成果；采用實例教學方式，教師由“演員”變?yōu)椤皩а荨?，引導學生到附近地區(qū)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地進行實地考察學習，使學生對智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程建立起感性認識；由教師與企業(yè)技術人員共同提出智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的關鍵技術問題；指導學生小組查閱科技大數(shù)據(jù)，確定各小組的立項題目、設計研究內(nèi)容、確定實施方案；將智慧農(nóng)業(yè)關鍵技術、知識點制作成“微課件”成為學生課外教學視頻，學生與教師實時交互討論智慧農(nóng)業(yè)技術問題；教師在課堂上對作業(yè)、實施方案以及學生提出的關鍵技術問題進行解答，與學生共同探討、解決智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關鍵技術的途徑；多元化評定學生的學習成績。將“技術驅(qū)動”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)知識的講授模式，轉(zhuǎn)向由“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)實操技術的教學模式。真正實現(xiàn)以學生為中心的自主、個性化學習，同時也拓展、豐富了專業(yè)課的教學內(nèi)容，為學生創(chuàng)造出多元化的學習環(huán)境，激發(fā)出學生探討智慧農(nóng)業(yè)技術知識的熱情，提高了教學效果。

2" “數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智慧農(nóng)業(yè)病蟲害防治教學實例

作者在植物與環(huán)境課程教學中，選擇江蘇省泰州市大泗鎮(zhèn)中藥科技園智能溫室為教學實訓基地；選取溫室植物常發(fā)生的蚜蟲、癭螨、木虱和白粉病等主要病蟲害防治為教學實例，收集主要病蟲害移動發(fā)生規(guī)律的相關數(shù)據(jù)；分析氣候、小地形、近地光譜和植被指數(shù)等，與病蟲害發(fā)生發(fā)展間的相互關系；構建智能溫室病蟲害監(jiān)測預警平臺，對病蟲害的發(fā)生發(fā)展進行快速監(jiān)測預警。針對智能溫室病蟲害監(jiān)測預警項目，提出一系列智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術方面問題，以及植物病蟲害發(fā)生危害與溫室內(nèi)環(huán)境相互關系等問題。在智能溫室主要病蟲害的監(jiān)測和預警中引入先進而實用的遙感監(jiān)控技術手段。然而，傳統(tǒng)的病蟲害測報主要通過實地目測手查，既花費大量人力和時間，取樣的范圍和樣本量有限，難以獲得大范圍的真實資料。同時，也沒有考慮到溫室內(nèi)小氣候變化對植物病蟲害發(fā)生移動規(guī)律的影響及空間分布等情況。而遙感監(jiān)控技術可監(jiān)測植物受到病蟲危害后，其葉片形態(tài)結構的非正常變化、葉片內(nèi)部組織結構和功能的變異，使受病蟲危害植物在光譜特性上發(fā)生明顯變化，根據(jù)光譜反射率的差異和結構異常，通過圖像增強處理和模式識別，實施對植被感染病蟲害的監(jiān)測和預警。通過這種問題解答講解方式，加深學生對植物生長與病蟲害發(fā)生發(fā)展的相互關系的理解。同時，聘請企業(yè)科研技術人員講解病蟲害移動采集軟件及構建監(jiān)測及預警平臺。讓學生親自利用計算機視覺識別技術，實現(xiàn)病蟲害的自動識別與計數(shù)，并分析溫室內(nèi)氣溫、濕度、土壤水分、近地光譜和植被指數(shù)等大數(shù)據(jù)與病蟲害發(fā)生發(fā)展的相互關系，建立植物病蟲害生態(tài)位預測模型，使學生體會到智能溫室病蟲害大面積發(fā)生監(jiān)測和預警與種植環(huán)境之間密不可分的關系。

由于學生親自參加智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的精準化種植、可視化技術管理、智能化決策等一系列智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，讓“愛農(nóng)為農(nóng)”精神更好地滲透到課程學習過程，提高學生智慧農(nóng)業(yè)知識與實操技術水平、道德素質(zhì)和社會責任感，調(diào)動起學生要學習掌握智慧農(nóng)業(yè)知識、技術的積極性，真正體會到學習、掌握智慧農(nóng)業(yè)技術的實用價值，顯示出智慧農(nóng)業(yè)教育與生產(chǎn)實踐相結合的活力，從而提高教學效果與學生從事智慧農(nóng)業(yè)的技術才能。

2.1" 收集智能溫室種植作物、環(huán)境與病蟲害發(fā)生的相關數(shù)據(jù)

指導學生到智能溫室觀測記錄以下幾方面數(shù)據(jù)：溫室內(nèi)種植作物的生理、生化特性，作物生長、發(fā)育規(guī)律及物候期等相關數(shù)據(jù)；智能溫室中光照強度，空氣溫、濕度，土壤溫度、水分、養(yǎng)分含量等相關數(shù)據(jù)；作物病害表現(xiàn)特征，粘蟲板上昆蟲種類、數(shù)量等相關資料。與教師、企業(yè)技術人員一起集成研發(fā)溫室病蟲害田間自動采集器，實現(xiàn)病蟲害的田間自動采集和遠程監(jiān)控，以及氣象因子的自動記錄和顯示等科技大數(shù)據(jù)。

2.2" 收集利用昆蟲本身信息素的聚集樣本

昆蟲信息素是調(diào)節(jié)和控制昆蟲行為的一種重要信息化學物質(zhì)，其對昆蟲的定向、召喚、交尾、產(chǎn)卵和聚集等行為均具有重要的作用。動物依靠分泌物招引同種其他個體前來一起棲息，共同取食，攻擊異種對象，從而形成種群聚集，這種分泌物叫做聚集信息素，可用來召喚同類。指導學生收集粘蟲板上昆蟲種類與數(shù)量等活動，以便學生掌握智能溫室內(nèi)主要害蟲種類、數(shù)量變化。將收集昆蟲本身信息素聚集數(shù)據(jù)，應用在害蟲測報、防治、檢疫等方面。與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比，利用信息素數(shù)據(jù)防治病蟲害，具有靈敏度高、準確性強、減少農(nóng)藥使用量與環(huán)境污染，顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3" 充分認識環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的功能

利用空氣溫、濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤水量傳感器[8]，集成氣象、土壤因子傳感器進行溫室田間環(huán)境監(jiān)測；顯示實時數(shù)據(jù)并存儲歷史數(shù)據(jù)，病蟲害發(fā)生狀況和氣象土壤因子監(jiān)測相結合，便于進一步研究病蟲害發(fā)生發(fā)展與氣象和土壤因子的關系，為溫室病蟲害早期預警提供數(shù)據(jù)支持。

2.4" 計算機自動圖像識別及構建病蟲害監(jiān)測預警平臺

通過溫室病蟲害田間自動采集器結合數(shù)碼相機，獲取病蟲害在粘蟲板與植株上的圖像信息，綜合運用圖像識別、深度學習等技術，建立溫室病蟲害識別模型。同時，還可以分析氣象、地形、近地光譜和植被指數(shù)等與病蟲害發(fā)生發(fā)展間的相關關系，建立起主要病蟲害生態(tài)位預測模型，利用預測模型對智能溫室的病蟲害進行較大面積、快速監(jiān)測預警，及時指導生產(chǎn)者采取積極的防治措施，為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供了有力的技術保障。

3" 基于深度學習技術的“數(shù)據(jù)驅(qū)動”教學方式

隨著人工智能技術的發(fā)展，深度學習技術推動智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。深度學習技術具有學習能力強、覆蓋范圍廣、適應力強、可移植性好等優(yōu)點，其開發(fā)模擬數(shù)據(jù)集可以解決實際問題，在智慧農(nóng)業(yè)病蟲害防治監(jiān)測預警中的應用越來越廣泛[8]。深度學習技術有計算機圖像、文字、語音等識別，預測與風險評估和智能監(jiān)控等。如何利用深度學習技術、探索運用數(shù)字技術和資源創(chuàng)設教學場景，解決實習實訓難題，促進數(shù)字技術與傳統(tǒng)教育融合發(fā)展[9-10]均為棘手問題。智能溫室生產(chǎn)中植物主要病蟲害智能監(jiān)測是智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵技術之一。其囊括了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等現(xiàn)代技術，可實現(xiàn)溫室農(nóng)作物主要病蟲害的智能采集、監(jiān)測及預警模型。其中自動采集病蟲害數(shù)據(jù)、傳輸、基于計算機視覺的病蟲害識別，直接影響著病蟲害監(jiān)測預警模型的準確性。調(diào)研國內(nèi)外主要農(nóng)作物病蟲害公開數(shù)據(jù)集、農(nóng)作物數(shù)據(jù)集圖像達到擴充訓練數(shù)據(jù)集目的[11-12]。深度學習技術在農(nóng)作物病蟲害檢測任務中相較于傳統(tǒng)方法表現(xiàn)更出色、計算復雜度較高[13]。例如，運用計算機圖片識別技術，可提高病蟲害甄辨速度；借鑒病蟲害數(shù)據(jù)庫，可提高監(jiān)測圖片的樣本容量；對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行具體分析、提取特征，可以擴充訓練數(shù)據(jù)集；利用實操圖片分析數(shù)據(jù)、考慮植物病蟲害的特征和影響，能診斷出分類病蟲害準確發(fā)生時間，從而選擇最優(yōu)病蟲害防治的方案[14]。

教師可利用ChatGPT技術提供一個關于特定主題的教案——建立智能溫室病蟲害監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，布置不同數(shù)量的攝像頭監(jiān)測器并與溫室小氣候信息采集系統(tǒng)、蟲情測報燈、病蟲調(diào)查統(tǒng)計器和光電數(shù)碼顯微成像系統(tǒng)等配合使用，設定多個可視化通道實時監(jiān)測作物的生長、病蟲害發(fā)生發(fā)展動態(tài)、環(huán)境因子等，實現(xiàn)農(nóng)作物病蟲害遠程實時監(jiān)測。隨后根據(jù)病蟲害分類網(wǎng)絡結構，分析基于深度學習的農(nóng)作物病蟲害檢測方法，包括分類網(wǎng)絡、檢測網(wǎng)絡和分割網(wǎng)絡等，收到一個各類要素協(xié)同優(yōu)化后的專業(yè)性極強的優(yōu)質(zhì)教案。教師對該教案按照智慧農(nóng)業(yè)技術知識點進行組織和管理，精選教學過程中的重、難點進行專題講解，利用智能平臺完成對學生學習特點的個性化分析，綜合學生認知規(guī)律、結合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)需求，設置對應的導向問題。從而充分調(diào)動起學生探索學習智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的知識與技術的積極性。

4" 多元化評定學生學習成績

“數(shù)據(jù)驅(qū)動”教學模式加強了學生的參與度和技術操作能力，沿用傳統(tǒng)方式來評定學生學習成績顯然不行，必須創(chuàng)新評估學生成績的新方法，即：從在線可視化了解學生表現(xiàn)，得知學生線上的學習、作業(yè)完成情況；從學生小組立項、確定解決技術問題的方案了解學生課堂知識的掌握程度；期終測試答卷是對學生學習掌握技術、知識的綜合測試。具體學習成績分數(shù)比例見表1。

這種多元化評定學習成績方式，激發(fā)出學生積極參與智慧農(nóng)業(yè)教學活動的熱情，使學生能充分發(fā)揚團隊協(xié)作精神，提高涉農(nóng)專業(yè)學生的綜合素養(yǎng)，增強學生共同協(xié)作工作與學習體驗。

5" 結論

5.1" “四位一體”教學形式是夯實學生掌握智慧農(nóng)業(yè)技術的關鍵

智慧農(nóng)業(yè)是當代農(nóng)業(yè)競爭的制高點。根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術特點，緊扣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，將企業(yè)+學生+教師+科研小組學生有機結合，引導學生參加智能溫室數(shù)據(jù)的收集、處理，溫室聯(lián)動機械設備等操作實踐。通過“四位一體”教學形式，共同夯實涉農(nóng)專業(yè)學生掌握智慧農(nóng)業(yè)技術基本知識與操作技能；智慧農(nóng)業(yè)的教學目標主要是培養(yǎng)學生利用物聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)采集終端與云端服務器互聯(lián)互通的能力；教師主要講授串口通信原理及調(diào)試方法、網(wǎng)絡通信原理及調(diào)試方法及網(wǎng)關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序；督促學生查閱串口及網(wǎng)絡調(diào)試說明書，培養(yǎng)學生獲取信息的能力，串口及網(wǎng)絡通信調(diào)試能力等。通過學生分組收集、匯總、分析及總結相關技術資料，使每名學生能初步掌握全套智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及病蟲害防控技術的數(shù)據(jù)與資料。激發(fā)出廣大學生積極學習智慧農(nóng)業(yè)知識、掌握操作技能的興趣，其教學過程也由老師一言堂轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生主動研討的教學方式，提升農(nóng)業(yè)專業(yè)課程的創(chuàng)新性與實踐性?？朔腔坜r(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的實踐教學困難。在校外生產(chǎn)性實訓基地中，可建立起具有真實職業(yè)氛圍，充分滿足“教、學、做”所需要的試驗、實踐場地，形成先進教學基地與強大的技術服務平臺。

5.2" 培養(yǎng)學生自主、個性化學習能力是改變低迷學習狀態(tài)的途徑

以植物與環(huán)境課程中智慧農(nóng)業(yè)病蟲害防治的教學實踐為例，重點培養(yǎng)了學生對多源農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)融合、關聯(lián)分析和預測等能力，加強了學生發(fā)現(xiàn)、解決智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中問題的能力，培養(yǎng)了學生自主學習與創(chuàng)新能力。真正實現(xiàn)以學生為中心的自主、個性化學習，徹底改變了學生對農(nóng)業(yè)專業(yè)課程學習的低迷狀態(tài)。

目前，涉農(nóng)專業(yè)課教學中，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)知識傳授包括土地、種植、養(yǎng)殖和生產(chǎn)工具等生產(chǎn)要素；智慧農(nóng)業(yè)是融入大數(shù)據(jù)、計算機系統(tǒng)及智能裝備等生產(chǎn)要素。因此，教學內(nèi)容的豐富與復雜程度給涉農(nóng)高等教育帶來很大沖擊，智慧農(nóng)業(yè)是以新技術為基礎，融合多門學科知識，實現(xiàn)生產(chǎn)和管理的智能化，這就需要教師、學生不斷學習和提升自身的學識水平與操作能力。作為教師，一是要做到與時俱進，不斷創(chuàng)新、探索新的教學方法，樹立攻克新技術、新知識的信心，在掌握傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術、知識的基礎上，積極提高綜合應用現(xiàn)代信息化技術及不同學科知識的能力；二是關注學生學習智慧農(nóng)業(yè)知識的主動性及實踐操作能力的培養(yǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等現(xiàn)代信息技術融入教學內(nèi)容，為培養(yǎng)出復合型農(nóng)業(yè)實用技術人才奠定基礎。

5.3" 教學基地是智慧農(nóng)業(yè)教育的物質(zhì)保障

智慧農(nóng)業(yè)的實踐教學組織，選擇學校附近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的智能溫室，作為農(nóng)科學生專業(yè)實踐的場地，由教師帶隊，集中實習與學生分小組觀測相互結合。依托智慧農(nóng)業(yè)種植的生產(chǎn)企業(yè)，定期召開技術交流會議，共同討論涉及智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)的技術問題、學校專業(yè)人才培養(yǎng)方案、編寫智慧農(nóng)業(yè)的專業(yè)教材等，為農(nóng)業(yè)院校智慧農(nóng)業(yè)的實踐教學提供了更大的操作平臺。在這個平臺上教師可收集到許多教學資源，制作微課視頻、收集文本資源、演示文稿等。同時，教師帶領學生從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中還可發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。再根據(jù)該學科特點，優(yōu)化智慧農(nóng)業(yè)相關技術教學過程，是培養(yǎng)不僅會種地而且“慧”種地復合型技能人才的重要步驟。通過以上教學實踐活動，使農(nóng)科專業(yè)學生普遍提高應用智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術的能力。大大促進以教師主講的模式向?qū)W生主動探索學習的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了廣大學生學習、掌握農(nóng)業(yè)專業(yè)知識的積極性。智慧農(nóng)業(yè)人才的培養(yǎng)模式應不斷進行完善與創(chuàng)新，這將是一項長期而艱巨的使命。通過以上教學改革探索，2022年第二屆全國職業(yè)院校智慧農(nóng)業(yè)種植大賽（預賽）中，學生榮獲全國二等獎。

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