基于自主性实验设计的“农业信息技术”教学探索

    张晓明 魏雅鹛

    [摘 要]本文结合安徽农业大学信息与计算机学院开设的“农业信息技术”课程的学时情况和实验条件，以充分发挥学生主观能动性为教学导向，构建结合教学内容与实验室条件自主设计实验内容的主动创新性实验设计环节，以改善“农业信息技术”课程教学效果，促进学生对所学理论知识与现代农业工程应用的融会贯通。

    [关键词]农业信息技术；自主性实验设计；教学改革

    [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号]1005-5843（2018）11-0089-04

    [DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2018.11.017

    农业信息技术是现代农业发展的重要技术支撑， 农业信息化是农业现代化的重要标志。当前，计算机技术、人工智能技术和“3S”技术发展迅速，并且已经广泛应用于现代农业生产中，对传统农业产生了巨大的影响[1]。对于农业类大学的学生而言，在学习农业类专业知识的同时，需要进一步学习现代信息技术和人工智能技术，并将两类技术有机的结合，提升自身对现代农业的认识[2][3]。因此开展农业信息化教育，培育未来新农人，不仅是农业类课程改革面临的一个重要课题，同时也是农业类高等院校人才培养面临的巨大挑战[4][5]。

    农业信息化课程在我国农业高等教育中开展较晚。目前，中国农业大学、南京农业大学、山东农业大学等农业类高校在农学、植物保护等专业开设了农业信息技术相关课程[6]。安徽农业大学也在种子科学与工程、测绘工程、设施农业工程等专业开设了农业信息技术相关的专业课程。在当前严重缺乏既精通农业技术又擅长计算机技术和人工智能技术专门人才的情况下[7]，快速和高质量的培养出精通农业信息技术人才，对农业类高等院校的改革和社会的发展都具有重要意义。

    一、课程地位

    “农业信息技术”课程的传统教学方式跟普通的高等教育课程一样，普遍存在以“教”为主、理论授课的常规问题，往往会忽视学生学习能力、科研能力和动手实验能力的培养。农业信息技术是现代信息技术在农业中的应用，是一门交叉学科，不同于很多成熟的理论课程，因此有必要开展研究性实验教学探索。研究性教学改变了传统的以知识传授为主的理论教学，主要是在教师的引导和指导下，以学生自己探索、发现认知为主，在给定的科研场景中，进行问题的发现、问题的思考和问题的解决[8]，其重点在于学生的创新精神和实践能力的培养，特别适合快速发展变化中的学科教学。目前，我国部分高等院校已经在一些学科中进行了研究性实验教学的探索和实践，尤其是在研究生教育教学中，正在逐步扩大研究性教学在人才培养中的比重[9]。但在农业类高等院校“农业信息技术”课程的自主性实验教学的探索和实践鲜有所闻。

    在“农业信息技术”课程实施自主性实验教学的过程中，为了达到预期的教学效果，任课教师需要在前期花费更大的精力，开展课程教学研讨，进行研究性实验教学内容的讨论和规划、实验设备和方案的准备，而不是对学生放任不管。同时，从学生的角度，自主性实验教学相比传统的听课学习，需要学生们对学习的内容进行更多的思考，需要发挥更多的主观能动性，通过老师的指导和同学们的相互配合，完成对课程知识的学习和掌握。虽然没有老师讲课，但是这类学习并非变得轻松了，而是将会变得更辛苦了。

    安徽农业大学是一所办学历史悠久、以农林生命学科为优势和特色的省政府与农业部、国家林业局合作共建高校，学校始终坚持服务“三农”的办学方向，致力于科教兴农、科教兴皖事业，走出了一条享誉全国的育人兴校、富民强农、校地协同的“大别山道路”，为推动现代农业发展和地方经济社会建设做出了突出贡献。近年来，计算机技术、人工智能技术在安徽农业中的应用也取得了显著的成績，从农业专家系统和精准农业技术在安徽省内的推广和应用，到当前的农机、农艺、农信三融合，安徽农业大学始终是安徽现代农业的引领者和践行者。然而，随着信息技术和人工智能的快速发展和就业形势的日益严峻，传统的农业生产管理已经不能满足现代农业生产发展的要求，现代农业生产迫切需要既具备基础农业生产专业知识，又精通现代信息技术的高素质复合型科技管理人才。因此，安徽农业大学面向农学部分专业、理学部分专业和信息专业开设了“农业信息技术”和“农业信息化与数字农业”课程，希望通过农业信息类课程的学习，帮助学生掌握和了解现代计算机技术和人工智能技术在农业生产中的应用情况，满足国家和安徽省对农业创新人才的迫切需要。因此，农业信息技术课程的开设是非常必要的，不断完善和更新农业信息课程内容、深入开展农业信息课程改革是适应社会发展、满足社会需求的有效途径。

    二、课程现状简介

    “农业信息技术”这门课最早在安徽农业大学是选修课，为了更好地满足社会对人才的需求，目前本课程在2017级信息与计算机学院电子信息类专业已经改为基础必修课，修订后的大纲总学时32，其中理论课32学时，实验课0学时，课程教学内容包括农业信息采集、农业数据库系统、农业遥感监测、地理信息系统、作物模拟模型、农业专家系统、精确农业技术和农业信息网络等重要的农业信息技术。

    目前本课程所用教材为李军编写的《农业信息技术（第二版）》，后期将逐渐考虑使用安徽农业大学自主编写的农业信息技术教材，参考书目前主要选用曹卫星编写的《农业信息学》[10]，和王玉洁编写的《农业信息化导论》。目前的授课方式主要采用理论讲授，部分内容学生参与讨论。本课程已基本构建了相对完善的传统授课体系，但仍存在一些问题：（1）没有形成固定的教学团队和教学讨论组；（2）针对大学新生而言，部分内容的专业性较强；（3）缺少相应的实验或实践教学环节，有待进一步优化应用性课程的教学效果。因此，有必要结合目前“农业信息技术”课程的学时情况和学院的实验条件，在教学方法上力求体现农业信息类课程特点。（1）实验条件的有效构建：通过整理、统计和整合实验室资源，搭建农业信息技术课程切实可行的实验环境，为实验任务命题提供基础，为学生的实验设计提供明确条件，进一步调动学生结合所学理论知识进行实验方案设计的积极性。（2）实验任务的合理设计：以农业信息技术课程的教学目标为导向，将农业信息产业和智慧农业的发展与教学内容融为一体，理论与实践相结合。教师根据最新和典型实际应用案例设计实验任务，使学生将已学知识与本门课程知识充分结合，促进其对课程体系的一体化理论学习与实践应用。（3）考核方式的改进型优化：通过引入实验设计的考核环节，可以直接对学生的工程实践能力、表达交流沟通能力和团队合作精神进行考核；通过合理设置其所占学生成绩比重，可有效反应学生的综合能力及对本课程的掌握程度。此外，通过考核方式向技能和综合素质部分的侧重，向学生传达农业信息技术课程，同时注重工程实践应用与理论知识的教学思想，提升学生勤于思考、善于动手的实践技能训练意识。

    三、课程教学改革建议

    （一） 整合实验教学资源

    分析目前农业信息化和智慧农业领域典型工程应用案例，结合“农业信息技术”课程的教学内容与基础教学实验室的实验条件，对实验室教学资源进行整合，根据当前已有农业信息化相关的实验教学资源以及实验条件已经初步具备但尚未开设实验的相关情况，分大类整合农业信息化实验系统环境，为“农业信息技术”课程实验任务命题提供物质保障。通过整理、统计和整合实验室资源，搭建农业信息技术课程切实可行的实验环境，为实验任务命题提供基础，为学生的实验设计提供明确的实验条件，进一步调动学生结合所学理论知识进行实验方案设计的积极性。以安徽农业大学为例，目前“农业信息技术”课程实验依托公共实验室开展，主要是将物联网实验室和机房的部分资源进行整合。物联网实验室主要提供传感器、射频识别、通信等硬件设备；机房主要提供计算机，并在计算机中安装数据库、GIS软件、图像处理软件和高级语言编程环境，二者的组合可以满足“农业信息技术”课程的实验需求，并且可以开展农业物联网等较大型的实验。

    （二）设计实验任务

    课程教研组教师根据选课学生专业及年级情况，系统研究培养方案，了解学生已掌握课程基础，结合“农业信息技术”课程的主要内容以及实验室整合资源，设计实验任务命题。在设计课程实验任务的命题时，参考近几年农业信息技术在农业领域的典型应用案例，将其抽象为几类典型的农业信息技术实验方向，并结合教学内容以及实验室条件，设计相关实验任务，以供学生选题。实验任务设计力求做到前沿发展方向与教学内容的紧密结合。以农业信息技术课程的教学目标为导向，将农业信息产业和智慧农业的发展与教学内容融为一体，理论与实践相结合，教师根据最新和典型实际应用案例设计实验任务，使学生将已学知识与本门课程知识充分结合，提升其对课程体系的一体化理论学习与实践应用能力。以安徽农业大学为例，课程教研组初步设计了5个农业信息技术实验方向，分别是：农业信息采集、农业数据库、农业GIS、农业专家系统与虚拟作物、综合实验（农业物联网）。教师应结合教学进度，分别提供多个实验任务供学生选择。比如在农业信息采集方向中，可以设置农田生物信息采集（图像采集）、农田气候采集（基于空气温、湿度等传感器）和土壤信息采集（基于土壤温、湿度等传感器）三个实验任务，学生根据兴趣选择任务，完成任务设置目标，在动手实验的同时，能够加深对农业信息采集的认识。课程教研组教师目前普遍都承担或参与了农业信息化方向的研究课题，可以从中选取部分研究内容或者基础内容开展实验任务命题设计。当前的研究课题往往是该学科方向比较前沿的研究内容或者非常“接地气”工程设计实验。因此这种教学策略可以在提高学习兴趣的同时，进一步扩展学生的知识视野，让其了解国内外农业信息技术的前沿和发展方向，同时还可以筛选出较为优秀的学生在课余时间参与课题的研究，提升教学效果。

    （三） 调整考核方式

    “农业信息技术”是讲授电子技术、计算机技术和人工智能等在农业中如何发挥作用，促进农业发展的课程，其学科交叉的理念和应用重于理论内容。应结合课程的实际教学对考核方式进行调整，减少理论测试部分在学生成绩评价中所占比重，添加实验方案设计答辩环节，增加学生综合素质部分考核比重，将平时成绩、实验成绩与实验方案设计的总体比重增加到学生成绩的40%—60%，并围绕各部分考核环节与具体评价标准的相关内容展开研究，确保考核方式的可行性与考核指标的合理性。通过引入实验设计的考核环节，可以直接对学生的工程实践能力、表达交流沟通能力和团队合作精神进行考核；通过合理设置其所占学生成绩比重，可有效反应学生的综合能力及对本课程的掌握程度。此外，通过考核方式向技能和综合素质部分的侧重，可向学生传达农业信息技术课程十分注重农业工程实践应用与理论知识的教学思想，提升学生勤于思考、善于动手的农业工程实践技能训练意识。

    （四） 评估改革效果

    对于“农业信息技术”课程改革效果进行评估分析，一要在实验课中增设障碍性实验，考核学生解决问题能力；二要在期末考试中加大综合性题目比重，以考察学生的理论知识与工程实际运用水平。对障碍性实验的设置，应根据综合实验内容与农业信息技術的教学内容，设置故障类、实验系统延伸类和实验方案调整类题目，考核学生对所学知识的掌握程度与解决实际问题的能力；对综合性题目主要采用笔试客观题的方式进行考核，教师设计农业信息化综合类题目，要求学生写出整个农业信息系统的基本组成与各部分的解决方案，根据其答题的完整性和对于各部分解决方案的详细程度，对学生的实践能力给出评价。以安徽农业大学为例，在“农业专家系统与虚拟作物方向”的实验中，只要学生增加和完善基于“IF-THEN”的产生式规则，就可以进行推理，得出系统结果，以“土地产出量”推理为例，可以分别通过“地力水平”和“肥力水平”进行推理。在考核实验的时候，通过加入可信度的概念，增加实验的障碍性，能够让学生思考如何设置可信度值，得出可信度最高的推理结果，加深对专家系统解决问题的认识。在期末笔试中，可以根据学生的专业，设置综合题，让学生在答题的时候阐述更加自如，从而体现“农业信息技术”课程的学科交叉特点。

    “农业信息技术”课程实践性要求较强，应在教学内容中增加实验设计环节，让学生根据课程的教学内容、实验任务、实验室条件以及前期已掌握的专业基础知识，自主设计实验方案，并以分组汇报的形式进行考核，以此构建相关教学环节，实现学生对所学理论知识与实际农业工程应用能力的融会贯通。此外，在教学考核方式中应增加实验方案设计分组答辩环节，以增加授课教师与学生的互动交流，有效提升学生的口头表述能力与团队协作能力。同时应通过理论与应用并重的考核方式，促进学生多动脑多动手，综合考察学生对课程的掌握程度。

    展望未来，农业信息技术作为当前智慧农业的基础，必将对我国农业节本丰产增效起到重要的作用，探索高等农业院校如何培养出高素质的农业信息技术人才具有重要的意义，值得高等教育单位，尤其是农业高等院校深入思考。

    参考文献：

    [1]张艳， 孙海峰.基于资源整合的农业信息服务平台构建与实现[J]. 农业与技术， 2017 （2）：244-244.

    [2]冯雷， 何勇， 史舟等.现代农业信息技术课程教学与实践应用研究[J].教育教学论坛， 2012（25）：151-152.

    [3][9]崔静， 王海江.《农业信息技术》课程教学改革的思考[J]. 教育教学论坛， 2017（36）：117-118.

    [4]余建桥， 梁颖.现代农业信息技术课程教学改革的探索与实践[J].西南师范大学学报（自然科学版）， 2012 （3）：162-165.

    [5]周桂生， 林岩， 左青松.《作物栽培学》研究性教学的探索[J]. 科技创新导报， 2010（33）：155-156.

    [6]王建军， 李媛媛， 周桂生等.关于“农业信息技术”课程研究性教学的思考[J].兰州教育学院学报， 2015 （12）：99-100.

    [7]张亚芳， 左示敏， 陈宗祥等.加强农业信息技术专业学生实践技能初探[J].科技创新导报， 2013（16）：244-245.

    [8]朱新开， 王云翠， 李春燕等.研究性教学在《作物栽培学》教学中的应用[J].扬州大学学报（高教研究版）， 2012（s1）：102-104.

    [10]田永超， 朱艳， 姚霞，等.《农业信息学》课程建设的实践与思考[J].中国农业教育， 2007（4）：59-61.

    （责任编辑：刘 爽）