智慧農(nóng)業(yè)數(shù)字化人才培養(yǎng)探索與實踐

摘" 要：隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)人才緊缺問題嚴峻，技術(shù)性人才寥寥無幾，導(dǎo)致推廣舉步維艱、發(fā)展遭遇瓶頸。該文利用虛擬仿真的形式，模擬智慧農(nóng)業(yè)在實際中的運作方式，并且結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)實際套件的運用，對學(xué)生進行技術(shù)方面的培養(yǎng)，利用生活中具體案例，加強學(xué)生對具體農(nóng)業(yè)傳感器的運用，以及對數(shù)據(jù)的收集、分析與決策方面的操作技能，打破人才緊缺壁壘。通過對該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在農(nóng)業(yè)傳感器運用與數(shù)據(jù)分析方面有很大提高。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；虛擬仿真；數(shù)據(jù)分析；人才培養(yǎng)；傳感器；數(shù)字化

中圖分類號：C961" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）24-0001-04

Abstracts： With the continuous development of agriculture， the shortage of talents in the smart agriculture industry is severe， and there are few technical talents， which makes it difficult to promote and encounter bottlenecks in development. This paper uses the form of virtual simulation to simulate the operation of smart agriculture in practice， and combines the application of smart agriculture practical kit to train students in technology， use specific cases in life， strengthen students' use of specific agricultural sensors， as well as data collection， analysis and decision-making skills， and break the barriers of talent shortage. Through the study of this course， students have greatly improved in the application of agricultural sensors and data analysis.

Keywords： smart agriculture; virtual simulation; data analysis; talent training; sensor; digitization

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于我國這樣一個人口眾多的國家來說，農(nóng)業(yè)的重要性更是不言而喻。智慧農(nóng)業(yè)的提出和發(fā)展，為信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的綜合集成應(yīng)用、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的創(chuàng)新、核心技術(shù)的自主研發(fā)，以及專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)均創(chuàng)造了難得的機遇[1]。根據(jù)相關(guān)報告得知，中國的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)駛?cè)肟燔嚨?，展現(xiàn)出廣闊前景。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合發(fā)展，農(nóng)業(yè)的第三次革命——“農(nóng)業(yè)數(shù)字革命”已經(jīng)到來，國家必然要有一批交叉學(xué)科型的創(chuàng)新和實踐隊伍，因此迫切需要高校加快智慧農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)[2]。本文旨在對智慧農(nóng)業(yè)課堂人才培養(yǎng)方法進行了深入研究，解決智慧農(nóng)業(yè)人才缺乏難題，培養(yǎng)專業(yè)的技術(shù)性人才，輸送到農(nóng)業(yè)發(fā)展中去，培養(yǎng)更適合農(nóng)業(yè)發(fā)展的高質(zhì)量人才。

1" 學(xué)情分析

授課之前，對學(xué)生進行了學(xué)情分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的高職學(xué)生思維非?；钴S清晰，喜歡動手實操，太多的理論他們會覺得非常無趣，而更喜歡在實操中加深對理論的理解與鞏固，他們對生活實例表現(xiàn)出極大的興趣，利用企業(yè)的案例作為例子他們會表現(xiàn)得更熱情與認真。上課之前有一些學(xué)生自行了解過智慧農(nóng)業(yè)，并且興趣相對高漲，對課程的展開有一定的幫助，但是其理論知識相對薄弱，對于農(nóng)作物方面的知識以及各類農(nóng)業(yè)傳感器，數(shù)據(jù)的收集、整合和分析等有所了解但是實踐少；自主學(xué)習(xí)性不高，比較依賴于之前的學(xué)習(xí)方式，需要有人去監(jiān)督提醒；價值觀容易受到影響，因為這個年齡段的孩子思想還不是很成熟，對于是非對錯的判斷，很容易受到外界的影響，所以對于這些年輕人，需要教師不斷地挖掘其興趣，提升其學(xué)習(xí)動力，根據(jù)不同的學(xué)生的不同基礎(chǔ)因材施教，并且不斷地進行引導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生走上正確的道路，培養(yǎng)正確的價值觀。

2" 教學(xué)方法與手段

根據(jù)對學(xué)生的學(xué)情分析，教學(xué)手段也是豐富多樣的，摒棄了之前的純理論、純講授的傳統(tǒng)教學(xué)方式，運用了更適合學(xué)生的項目教學(xué)法，比如案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、分組合作教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂和視頻教學(xué)等多種方法相結(jié)合，通過多樣的教學(xué)方法與手段，加深學(xué)生對知識點的理解和掌握，最大限度地把課堂還給學(xué)生上，發(fā)揮學(xué)生的主體性、主動性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生“身動、心動、神動”，通俗地說就是讓學(xué)習(xí)、進步和成長“發(fā)生”在學(xué)生身上[3]，學(xué)生才不會被動學(xué)習(xí)，而是掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)。教學(xué)內(nèi)容利用虛實結(jié)合，由淺入深的方式，會根據(jù)學(xué)生不同的學(xué)生基礎(chǔ)調(diào)節(jié)為一個學(xué)習(xí)進度，比如對于一些基礎(chǔ)比較弱的，會抓基礎(chǔ)再提高；對于一些基礎(chǔ)比較好的學(xué)生，會給他們足夠創(chuàng)新的機會，讓他們充分地展現(xiàn)自己，因材施教，讓學(xué)生愛上學(xué)習(xí)，并且布置對應(yīng)的課后作業(yè)，讓學(xué)生對所學(xué)的知識進行鞏固。

3" 教學(xué)內(nèi)容

3.1" 虛擬仿真

3.1.1" 仿真軟件FS_AIOTSIM

因?qū)W生之前大部分都沒有真正接觸過智慧農(nóng)業(yè)，因此第一部分切入點是先進行虛擬仿真的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在仿真中了解到農(nóng)業(yè)傳感器的運用，以及一些協(xié)議、數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行器的執(zhí)行。本課程用到的虛擬仿真軟件為物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真系統(tǒng)FS_AIOTSIM，該系統(tǒng)為華清遠見的一套系統(tǒng)，內(nèi)容全面，獨有的、開創(chuàng)性的功能可開展理論教學(xué)、編程、實驗?zāi)M、成果展示和創(chuàng)新實驗等一系列物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)活動，可有效解決物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)復(fù)雜、實驗操作難、對硬件依賴高等系列專業(yè)建設(shè)問題[4]，是個非常好用的教學(xué)平臺。

3.1.2" 仿真實驗

1）智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)仿真實驗。實現(xiàn)功能：該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是空氣溫濕度傳感器進行模擬數(shù)據(jù)的收集之后上傳到云端（MQTT），硬件的模擬數(shù)據(jù)會通過MQTT跟Scratch（軟件）進行數(shù)據(jù)的訂閱和發(fā)布實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，即軟件部分根據(jù)這個模擬數(shù)據(jù)進行代碼的處理和數(shù)據(jù)的分析，然后對風(fēng)扇做出對應(yīng)執(zhí)行操作，也就是說當(dāng)檢測到空氣溫濕度的溫度超過設(shè)定的溫度時，風(fēng)扇會自動打開進行降溫，溫度正常時則關(guān)閉風(fēng)扇。

器件的選擇：在該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，首先學(xué)生要學(xué)會進行虛擬器件的選擇，即對電源、傳感器、執(zhí)行器、節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進行選擇，那么這個實驗選擇的就是12 V電源、空氣溫濕度傳感器、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點和風(fēng)扇這5個器件。

硬件電路的搭建：選擇好器件之后，要把各個器件進行連接并進行電路的搭建，各個器件都要連接電源，節(jié)點和傳感器或者執(zhí)行器的連接方式是根據(jù)器件的傳感器接口類型進行有線連接，需要注意的是，如果器件的傳感器接口類型是RS485，則連接之后要遵循modbus（485有線）協(xié)議來進行協(xié)議填寫；網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的通信方式可以通過有線和無線2種方式，有線是通過485總線接口進行連接，無線方式可以通過WIFI、藍牙、Zigbee和Lora等多種方式連接，有線協(xié)議用的是Modbus（485有線）協(xié)議，無線協(xié)議用的是30無線協(xié)議，學(xué)生在操作的時候可以自行選擇使用有線或者無線的方式進行器件的連接。

云平臺數(shù)據(jù)交互（MTQQ協(xié)議配置）：硬件部分連接完成之后，要進行MQTT協(xié)議的配置才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與軟件的交互，MQTT協(xié)議配置如圖1所示。

首先，要設(shè)置對應(yīng)的IP地址，一般情況下是進行本地的連接，則IP地址設(shè)置為127.0.0.1，端口設(shè)置為9001；如果不是本地連接，則需要用戶進行確認。ClientID以及用戶名和密碼系統(tǒng)會自動生成，只需要確保IP和端口正確即可，確認后進行連接。連接之后，就可以訂閱主題，從圖1看到有2個可以訂閱的主題，與軟件交互的部分就是與應(yīng)用層、云端交互的Topic，選擇訂閱之后，軟件那邊也訂閱和發(fā)布同一主題，就可以實現(xiàn)硬件和軟件的數(shù)據(jù)交互。

軟件數(shù)據(jù)處理：軟件部分用的是Scratch面板，使用Python語言進行編寫，代碼主要內(nèi)容是連接MQTT，確保IP和端口的設(shè)置與硬件的設(shè)置內(nèi)容一致，同樣要訂閱MQTT的主題，需要注意的是，這里訂閱的主題就是硬件發(fā)布的主題，而軟件發(fā)布的主題就是硬件訂閱的主題；連接傳感器，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)設(shè)定某個風(fēng)扇打開或者關(guān)閉的溫度，而這里的模擬數(shù)據(jù)就是在硬件完成連接之后，在硬件系統(tǒng)界面打開的一個模擬空氣溫濕度數(shù)據(jù)，有了這個模擬溫度數(shù)據(jù)之后，代碼就可以設(shè)置為當(dāng)虛擬溫度大于設(shè)定溫度時系統(tǒng)發(fā)出過熱提醒，然后發(fā)布主題到硬件，硬件訂閱到打開風(fēng)扇的消息，就會打開風(fēng)扇，當(dāng)虛擬溫度小于設(shè)定溫度時系統(tǒng)提示溫度正常，關(guān)閉風(fēng)扇，至此，軟件和硬件就通過了MQTT訂閱和發(fā)布消息，從而完成了數(shù)據(jù)交互。

實驗效果：該實驗讓學(xué)生在動手實踐中完成對空氣溫濕度傳感器的掌握，以及熟悉它在實際智慧農(nóng)業(yè)中的實際運用，讓學(xué)生真正做到在學(xué)中做，在做中學(xué)，讓學(xué)習(xí)、進步和成長“發(fā)生”在學(xué)生身上，每個小組都完成得非常出色，并且真正掌握了實際教學(xué)內(nèi)容。圖2為某個學(xué)生團隊的作品。

2）智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仿真實驗。實驗實施與結(jié)果：該系統(tǒng)實現(xiàn)的是至少5個以上的傳感器同時進行工作，比如空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2傳感器等同時工作，相當(dāng)于模擬一個真正的智慧農(nóng)業(yè)大棚。在上一個實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生已經(jīng)掌握了器件的選擇、通信方式，以及通信協(xié)議、數(shù)據(jù)的分析和與云端交互等內(nèi)容，那這一次實踐的重點就是怎么把多個傳感器結(jié)合起來運用，以及怎么進行多個數(shù)據(jù)的交互，同樣器件的選擇跟上個實踐是類似的，器件的選擇這一部分讓學(xué)生自由發(fā)揮，符合常理即可；軟件部分只要學(xué)會了并列的思想，就可以實現(xiàn)多個傳感器的虛擬數(shù)據(jù)得到檢測，然后把數(shù)據(jù)上傳云端，連接MQTT實現(xiàn)硬件和軟件的數(shù)據(jù)交互，并做出對應(yīng)的決策，比如，一個循環(huán)結(jié)構(gòu)里，當(dāng)空氣溫濕度的溫度超過8 ℃就打開風(fēng)扇，同時當(dāng)光照達到30 000 lx時就打開遮陽板等，就可以實現(xiàn)把多個傳感器結(jié)合起來使用，模擬一個智慧大棚在實際中的一個運用場景，軟件部分介紹完之后也是交給學(xué)生自主發(fā)揮。本次的仿真實驗是給學(xué)生布置一個大作業(yè)，限時一周的時間，讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，最后大家完成得都很出色，紛紛交出了自己的作品。

這部分實踐做完之后，學(xué)生對智慧農(nóng)業(yè)有了一個比較全面的理解，并且跟實際的生活息息相關(guān)，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，為后面要學(xué)習(xí)的實際套件的運用奠定了基礎(chǔ)。

3.2" 仿真實驗優(yōu)勢

為什么要用仿真？上面介紹的智慧農(nóng)業(yè)綜合運用如果用實際套件該如何實現(xiàn)？

首先要把所有硬件以及節(jié)點網(wǎng)關(guān)電路全部連接好。其次，要根據(jù)每個節(jié)點控制的不同傳感器，對傳感器進行代碼的編輯與修改，分別利用STM32CubeMx軟件進行串口的連接導(dǎo)出半成品代碼，然后利用MDK-Keil5工具軟件進行代碼的修改更新，即在main函數(shù)中初始化GPIO、串口、定時器、RTC和OLED等外設(shè)，然后在while循環(huán)中進行按鍵掃描和事件處理，包括ZigBee數(shù)據(jù)解析、傳感器數(shù)據(jù)解析、傳感器數(shù)據(jù)查詢、命令發(fā)送、ZigBee上報數(shù)據(jù)、指示燈操作和RTC時間更新等操作。

硬件和代碼完成之后，要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作，需要使用VNC及WinSCP等遠程操作軟件，設(shè)計屏幕界面各項參數(shù)；如還需把數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到云端，還需要連接MQTT，進入百度云物聯(lián)網(wǎng)核心套件系統(tǒng)進行賬號的申請，創(chuàng)建IoT Core，創(chuàng)建設(shè)備模版，訂閱主題等，最后得到MQTT連接信息，登錄到MQTT軟件填入連接信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訂閱和發(fā)布，如果要實現(xiàn)手機進行傳感器的實時監(jiān)控，還需要進行微信小程序的開發(fā)等操作，過程非常復(fù)雜。圖3為設(shè)計生成的硬件控制傳感器界面。

跟實際套件的運用相比，仿真的綜合實驗就顯得簡單易懂，如上所述，只需要在畫布上完成所有的操作即可直觀地看到整個智慧農(nóng)業(yè)的運作過程，簡單易上手，并且容錯率高、成本低、靈活度高，非常適合入門學(xué)習(xí)。

所以，這就是為什么要用仿真的原因，大多數(shù)學(xué)生對于智慧農(nóng)業(yè)了解不多，對于這么一批基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生來說，如果一開始就直接使用實際套件進行教學(xué)，學(xué)生會覺得很難學(xué)，并且會產(chǎn)生厭學(xué)的心理，對即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容沒有興趣，學(xué)不進去，這就會導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣，適得其反。所以，選擇先從易上手的仿真實驗開始導(dǎo)入，學(xué)生覺得比較簡單，容易理解，慢慢得心應(yīng)手，更容易進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，后續(xù)再進行實際套件的學(xué)習(xí)，相對來說就顯得沒那么難學(xué)了，學(xué)生也更有興趣進行學(xué)習(xí)。

4" 教學(xué)特色

一是利用虛擬仿真的形式進行教學(xué)導(dǎo)入：操作簡單，易上手，受實際環(huán)境因素影響小，比直接進行實際操作更直觀、更易懂，增加學(xué)生的自信心。

二是分組團隊合作：對學(xué)生進行了分組，分組合作不僅能鍛煉學(xué)生的團隊能力，還能增進學(xué)生的溝通交流以及項目的策劃與管理，培養(yǎng)學(xué)生的團隊管理能力。

三是項目結(jié)果展示和答辯：學(xué)生完成項目之后，要對項目進行講解與答辯，教師會根據(jù)項目的要求以及實現(xiàn)的成果、實現(xiàn)的過程進行提問點評，讓學(xué)生真正掌握項目的核心，加深學(xué)生對項目知識點的掌握。

四是對優(yōu)秀團隊現(xiàn)場進行獎勵：全部團隊完成答辯后，對各個團隊進行排名，給予對應(yīng)獎勵，增加團隊的競爭意識，這種方式增加了學(xué)生的成就感和獲得感，學(xué)生會對項目更感興趣。

五是翻轉(zhuǎn)課堂：老師與學(xué)生進行角色互換，促進學(xué)生的思維，加深對知識的理解，也提高了他們的表達能力和總結(jié)能力，角色的互換也讓學(xué)生從慣性思維中脫離出來，從被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?，調(diào)動其積極性，并且讓他們更具有責(zé)任心。

5" 教學(xué)效果

通過本次課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的進步有目共睹，從剛開始大多數(shù)對智慧農(nóng)業(yè)不太熟悉，到最后可以自己完成所有實驗，并且能通過翻轉(zhuǎn)課堂把所學(xué)的知識講授出來；在各項技能競賽，比如物聯(lián)網(wǎng)技能競賽，全國電子設(shè)計大賽上都獲得了非常不錯的成績，學(xué)生也很喜歡這門課程，期末的學(xué)生評教分數(shù)都在98分以上，由此可見，學(xué)生對課堂教學(xué)以及教學(xué)內(nèi)容都非常滿意并且興趣極高，為后續(xù)課程的拓展和改進提供了很大的參考價值。本次的虛擬仿真只是一個導(dǎo)入的過程，后續(xù)教學(xué)還有實際的智慧農(nóng)業(yè)套件提供給學(xué)生進行練習(xí)，做到虛實結(jié)合，增加學(xué)生的操作能力，以及傳感器的具體實際應(yīng)用，讓學(xué)生真正能學(xué)以致用，融會貫通。

6" 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化的高級階段[5]，作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，其人才培養(yǎng)與實踐是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。本文通過深入探討智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)方法、實踐模式，以及與產(chǎn)業(yè)的實際應(yīng)用結(jié)合，旨在為培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和實踐技能的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)人才提供理論支持和實踐指導(dǎo)。

實踐教學(xué)是智慧農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心環(huán)節(jié)。通過與農(nóng)業(yè)企業(yè)的深度合作，建立實踐基地，讓學(xué)生在真實的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中學(xué)習(xí)和應(yīng)用智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)，提高解決實際問題的能力，這部分也是后續(xù)我們要提高和慢慢完善的部分。

人才培養(yǎng)是一個長久的過程，只有通過不斷的教育創(chuàng)新和實踐探索，才能培養(yǎng)出更多具有國際視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)智慧農(nóng)業(yè)人才，為推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施貢獻力量。

參考文獻：

[1] 楊瑛，崔運鵬.我國智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與未來發(fā)展[J].信息技術(shù)與標準化，2015（6）：34-37.

[2] 郭彩麗.智慧農(nóng)業(yè)人才需求調(diào)研報告[EB/OL].http：//newsadmin.njau.edu.cn/_s20/2020/0923/c799a109685/page.psp.

[3] 高效課堂教學(xué)18種方法匯編[EB/OL].https：//www.fjsmu.edu.cn/jsjxfczx/2020/0520/c1606a95136/page.htm.

[4] 李文娟，方武，盧愛紅，等.“1+X”證書制度下“課證賽研”的人才培養(yǎng)模式——以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)為例[J].生活教育，2021（33）：71-73.

[5] 趙春江．智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[Ｊ]．中國農(nóng)業(yè)文摘-農(nóng)業(yè)工程，２０２１，33（6）：4-8.

基金項目：廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（高等教育專項）（2022GXJK499）；粵高職電子信息與通信教指委教育教學(xué)改革研究與實踐項目（04）

第一作者簡介：韋彩仁（1995-），女，助教。研究方向為信息通信與物聯(lián)網(wǎng)。