应用型农业高校《农业生态学》课程实践能力模块化培养—智慧农业+生态模式设计

李海波 赵文若* 刘显臣

（吉林农业科技学院农学院 吉林 132101）

《农业生态学》是生态学在农业领域的分支，把农业生物与其自然环境作为一个有机整体--农业生态系统，研究其中的相互联系、协同演变、调节控制和平衡发展规律。《农业生态学》是应用型农业高等院校植物生产类专业的一门必修的专业基础课。要求学生能够掌握生态学的基本原理及其在农业上的应用规律，培养生态文明与环境保护理念，了解国内外可持续生态农业发展的模式，并了解我国目前所面临的主要农业环境问题及其产生、发展及危害，合理利用自然资源，有效保护农业环境，通过对农业自然资源结构的优化组合，达到农业生产集约化和可持续发展。

作为应用型专业，需紧密联系农业生产实际，培养学生系统分析问题，解决问题的能力。对后续专业课程的学习夯实必要的理论基础及实践技能，并培养学生认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。

教学大纲能力模块要求依据生态学的基本原理分析和解决农业生产中实际问题能力。本研究的目的是在原来大纲要求的基础上引进现代智慧农业的理念，探讨培养应用型农业高校植物生产类相关专业学生解决生产实际问题的能力。

1 智慧农业模式

1.1 智慧农业的概念

智慧农业（smart agriculture）是依托物联网、云计算以及3S技术等现代信息技术通过对农业生产环境的智能感知和数据分析，进而实现对农业生产的精准化管理和可视化诊断的一种农业发展的新模式[1]，特点是集约化生产、智能化远程控制、精细化调节、科学化管理、数据化分析和扁平化经营于一体[2]。智慧农业是现代信息技术与农业生产、经营、管理和服务全产业链的“生态融合”和“基因重组”而成的智慧农业产业链[2]。智慧农业以智慧生产为核心，智慧产业链提供信息化服务支撑，全产业链的营销、物流、消费成为智慧农业生产的可靠的信息支撑网络，引导农业生产信息化决策、高效化生产、差异化服务[1，2]。

1.2 智慧农业系统运行

智慧农业以智慧生产为核心，精细化、智能化、集约化、科学化生产促进农产品提质增效（图1）。通过云计算、大数据、“3S”技术、物联网技术利用科学智能的农业生产要素遥控设备实时遥控管理农产品生产状况，提高品质、产量，降低生产成本，最后通过大数据分析、农产品物流管理技术以及农产品品质检测技术[1，3]，信息化、透明化、数据化引导农业针对性、差异化生产，并直接、精准、高品质地服务农产品消费者，促进农业供给侧改革快速推进[1]。根据智慧农业生产决策系统[1]（图2）中农产品产业链的产品生产、营销、物流、需求信息定位目标费群体，确定农产品预期利润、规划生产量和生产销售期，以农产品供需高效衔接实现精准生产规划，防止农产品生产过剩和供给不足，降低市场风险[4]。

1.3 智慧设施农业应用

随着智慧农业的发展，农业设施中（图3）珍贵植物（花卉、蔬菜、果树、地道药材等）不能够人工全天实时监控，而智能化监控培养系统则可以完成这个任务。赵宇等[5]（2019）设计了一种远程监控植物生长发育的系统（Atmega328P-au为主控芯片），利用光照传感器、温湿度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器温室中环境的各项参数，并通过硬件部分的Wi-Fi模块将数据发送到自组建的网络中，使用Java Web语言进行Wi-Fi信息抓取和处理，将数据传输到云端，实现了由数据采集到网络传输，用户可通过浏览器对全部数据进行监控。

图1 智慧农业生产管理系统运行概述[2]

图2 智慧农业生产决策系统运行概述[1]

图3（A）甘肃张掖现代农业示范园物联网监控设备；（B）慧云信息自主研发平台—“葡萄管家”AI全自动化决策实验基地来源：https：//baike.baidu.com

1.4 课程目标

要求学生充分利用互联网资源查阅相关文献资料了解智慧农业的基本涵义及基本原理，掌握目前智慧农业在设施农业方面的应用，以便为后续的学习提供理论支撑。

2 生态农业模式

2.1 生态农业模式概述

生态农业（ecological agriculture）是重视使用生态方法协调农业的生态效益、社会效益和经济效益的一种农业方式，使用的生态方法包括生态农业模式和生态农业技术体系。生态农业模式（eco-agriculture pattern）是指在生态农业实践中经常使用、相对稳定、有良好生态效益、社会效益和经济效益的农业生态系统结构形式；生态农业技术体系（eco-agriculture technical package）是支撑生态农业模式顺利运作并达到预期目标的多个单项技术的组合。农业运用的各项技术在生态农业模式基础上进行筛选、改造、磨合形成生态农业技术体系，重点是对输入资源的保护、节约、替代与增殖技术，以及对输出污染的减量化、资源化和无害化处理，生产出生态、环保、绿色和有机的产品（图4）。通过理论课的学习，要求学生了解生态农业模式所普遍采用的在农业生产实践得到广泛应用的各个单项技术。

图4 生态农业模式与技术对农业生态系统的影响[6]

2.2 种养循环生态农业模式

按照教学大纲，通过理论课的学习要求学生掌握的种养循环生态农业模式设计包括两种：北方“四位一体”生态模式和南方“猪—沼—果”生态模式（图5）。北方“四位一体”庭院生态模式是畜禽粪便利用的典型模式，即在蔬菜大棚内将沼气池、畜禽舍、厕所在全封闭状态下整合在一起，充分利用太阳能，以沼气池为纽带与种植业、养殖业相结合，组成能源生态综合利用体系。南方“猪—沼—果”生态模式具有相似的功能。

图5 智慧农业+生态模式设计：（A）为Atmega328P-au为主控芯片的硬件系统[5]；（B）和（C）分别是北方“四位一体”生态模式和南方“猪—沼—果”生态模式[7]

3 案例I：智慧型—生态农业模式设计——北方“四位一体”模式

按照教学大纲，要求学生根据生态学的基本原理进行种养之间形成的循环型生态模式的设计；学会运用设施工程学的原理和技术进行设施农业模式设计，实现物质和能量良性循环；掌握大棚温室的设计原理和方法和步骤，理解生态循环农业模式对农业可持续发展的重要意义。

3.1 地点选择

引领学生参观吉林农业科技学院园艺场智能型日光温室，了解温室的结构、种植植物类型（草莓、番茄、黄瓜以及花卉等）、智能设备（如传感器等）的工作原理。

3.2 确定系统生物组分与环境组分

通过现场参观设计种植作物的种类和品种，种植的面积、密度或者数量，并确定养殖家畜禽的种类和品种，以及数量和密度；确定设施内对生物因子具有明显影响和作用的环境因子如光照、温度、水分、通气性和土壤类型。

3.3 大棚温室设计

根据所要种植和养殖的农业生物特征特性，在了解生物生长发育的光、温、水、气、肥等生态条件的基础上，通过查阅文献资料获得光照、温湿度、土壤湿度等传感器在温室中环境的各项参数（图5），设计并计算温室大棚、家畜禽舍、厕所及沼气池的面积、体积的大小。

4 案例II：智慧型—生态农业模式设计——南方“猪—沼—果”模式

4.1 地点选择

要求：实验地点要求具有一定的土地面积、土壤肥力较高且均匀一致、排灌良好、远离住宅的山坡地果园。

4.2 确定系统生物组分与环境组分

确定种植果树的种类和品种，种植的面积、密度或者数量，并确定养殖家畜禽的种类和品种，以及数量和密度；确定园区内对生物因子具有明显影响和作用的环境因子如光照、温度、水分、通气性和土壤类型。

4.3 智能型猪养殖舍设计

因北方没有这种现成的生态模式，可引领学生到吉林农业科技学院动物科技学院东北特种动物养殖场现场参观，然后查阅相关的文献资料，确定光照、温湿度、土壤湿度等传感器在温室中环境的各项参数，进行模式设计（详见图5）。