设施农业科学与工程专业增加设施机械化自动化课程改革建议

2020-12-01王宝龙刘建陈艳丽司成成

农业工程技术·温室园艺 2020年9期

王宝龙刘建陈艳丽司成成

|摘要|近年来，随着农业产业需求的提质升级，“智慧农业”这一概念被广泛关注，相比传统农业，设施农业生产环境相对可控，是最可能率先实现智慧农业的生产方式。本文结合设施农业未来发展方向，及海南大学设施专业办学特色，借鉴国内开设设施农业科学与工程专业院校的课程设置情况，对目前专业课程设置进行了剖析，对多学科交叉融合的设施农业科学与工程专业课程设置改革提出了建议。

目前，设施环境中的光照、温度、水分、气体环境和药肥喷施等环境调控已逐步向精细化、专业化、智能化和高效率等方向发展。在温室内环境信息获取方面，自动化调控装置的各种传感器，准确采集设施内光、温、水、气、肥等与作物生长状况相关的参数，并经数字电路转换后传回计算机进行统计分析及智能化处理，比对作物生长发育所需最佳条件，由自动化智能控制专家系统发出指令，使相关系统、装置及设备有规律运作，将温室内光、温、水、气、肥等诸因素调控到适于作物生长发育的最佳环境条件。

相比传统农业，设施农业生产环境相对可控，农业生产方式最易实现机械化、自动化和智能化。推进生产作业机械化和设施装备智能化离不开高校专业人才的输送，高校学科体系的建设也应紧跟时代潮流，契合行业发展趋势。教育部发文公布了2019年度普通高等学校本科专业备案和审批结果，华中农业大学申报的智慧农业专业获批，这是中国第一所开设智慧农业专业的院校，该专业的设置是主动服务国家新时代现代农业发展、生态文明建设、乡村振兴、绿色健康等战略需求的举措，同时对设施科学与工程专业课程建设具有一定指导性意义。

海南大学设施农业科学与工程专业（以下简称“设施专业”）是一个由园艺学、生物学、农业工程学、环境学等多学科有机结合的、以现代化农业设施为依托的专业，是国内少数授予工学学士学位的院校。设施专业在十多年的发展历程中，不断结合社会经济发展需要，创新培养工农结合交叉复合型人才，为服务海南省地方经济建设，培养新兴工科人才，促进设施农業发展做出了重大贡献。本文针对海南大学设施专业办学现状及学科发展趋势，结合海南省地域特色及国内兄弟院校先进办学经验，提出课程改革建议。

设施专业增设机械类、控制类

专业课程的必要性

设施专业作为“新农科”背景下和“智慧农业”产业需求下，交叉融合学科的典型代表，要求学生在掌握现代农业园艺生物技术之余还需掌握现代农业工程中农业建筑、农业机械、农业电气化等相关知识体系，增设机械类、控制类专业课程是行业发展的需要，也是人才培养的需要。

行业发展的需要

设施农业行业早期研究以温室结构为主，近年来则较多集中在温室环境调节和自动控制方面，但对自动化生产装备开发力度不够，致使中国当前设施生产装备技术的开发与应用水平大大落后于先进国家[1-3]。据农机部门统计，2017年，全国设施园艺总面积为204万hm2，机耕设施面积为150万hm2，达74%;机播设施面积为34万hm2，达17%;机采运设施面积为18万hm2，达9%;机械灌溉施肥设施面积为115万hm2，达56%;机械环控设施面积为52万hm2，达25%。按耕、播、收、灌溉、环控5个环节综合测算，设施园艺机械化水平33.12%，比2016年提高1.34个百分点。江苏最高达48%，海南最低为17%[4]。连栋温室机械化水平相对高，日光温室和大棚低。耕整地和水肥环节相对高，种和收环节低，环控居中。装备从基础层面升级的任务迫切[5]。

2020年6月29日，农业农村部印发《关于加快推进设施种植机械化发展的意见》（农机发〔2020〕3号），明确提出要大力推进设施布局标准化、设施建造宜机化、生产作业机械化、设施装备智能化和生产服务社会化。到2025年，设施蔬菜、花卉、果树、中药材的主要品种生产全程机械化技术装备体系和社会化服务体系基本建立，设施种植机械化水平总体达到50%以上。

与传统农机相比，设施园艺装备具有更高的精准性和更具针对性的环境协调性，在现状产品和服务无法满足产业发展的背景下，加大科研攻关力度的同时，重视人才培养，将培育有生力量摆在更加突出的位置，是具有战略意义的决策。

人才培养的需求

从学生就业角度分析，设施专业现有学科体系可培养农业工程类、农业建筑环境类、农业栽培类基本理论和技能，学生毕业后可从事现代农业设施结构设计、农业园区规划、工厂化种植、设施农业生产经营与管理等方面工作。在此基础上，增设机械类、控制类专业课程，使学生在一定程度上接受农业生产过程机械化工艺及相关装备的选型配套、装配制造、试验应用、设备维护、技术推广和经营管理等方面的基本训练，有助于培养适应设施机械化、自动化生产应用的复合型人才[6]。

从学生考研深造角度分析，设施农业科学与工程学科分类属于植物生产类，专业代码090106，近年来考研的热门方向为农业工程（一级学科代码0828），作物学（一级学科代码0901），园艺学（一级学科代码0902），其中农业工程类二级学科为农业机械化工程（082801）、农业水土工程（082802）、农业生物环境与能源工程（082803）、农业电气化与自动化（082804）。增设机械类、控制类专业课程，有助于学生完善学识结构，拓宽研究领域，为学生的科研之路创造了更多选择和更大可能性。

课程改革重难点分析

课程改革深度及针对性

目前海南大学设施专业以温室建筑与结构设计、农业设施学、设施农业工程工艺学、热工基础及流体力学、建筑概论、测量学、建筑制图、设施农业环境工程学、工程概预算、设施农业建筑施工与管理、农业园区规划与管理、设施农业节水灌溉、植物学、植物生理学、土壤肥料学、设施作物栽培学、无土栽培学、工厂化育苗原理与技术、园艺植物病理学、设施作物育种学等课程为主。专业培养方案中对于工科基础课理论力学、材料力学，专业基础课电工电子学、自动控制理论，应用型专业课农业机械化生产学等课程涉及较少，不利于学生实践能力的培养和社会竞争力的提升。

机械类、电气类、电子信息类、自动化类专业课程均自成一门体系，与设施专业课程架构相距甚远，直接参考借鉴的难度较大，农业机械化及其自动化（082302）专业（以下简称“农机专业”）属于农业工程类二级学科，课程架构与设施专业在设施农业领域有明显交叉，适宜作为课程教改方向参考。农机专业基础课以机械制图、理论力学、材料力学、电工学、电子学、液压与气动传动、发动机原理为主，专业核心课以机械设计基础、机械控制基础、机械制造基础、农业机械学、农业机械化生产学、汽车拖拉机学、农产品与食品加工机械为主。

设施机械化方向教学课程改革深度以达到设施机械化工艺及装备的选型配套、试验应用、设备维护为基本目标，设施自动化方向教学课程改革深度以达到设施装备控制，自动化仪表设备选型与应用，农业物联网及设施智能调控系统的运行管理与维护为基本目标。培养深度建议以应用为主，契合当地主流设施类型及主要经济作物品类。过深会加大学生课业负担，激发学生的畏难情绪，过浅无改革效果。

课程分工、衔接与教学体系的细化

课程的分工，教材的选用，教学的顺序均要遵循系统性原则，与培养目标相适相符，既无重叠也不留白，衔接得当，有利于培养目标的实现。

例如机械制图作为高校机械类专业的必修课程之一，也作为基础先修课程，对于后续开设的专业核心课程的教学至关重要。设施专业已开设建筑制图，该课程在讲授投影法的基本原理和应用的同时，侧重于建筑制图规则的介绍，教学目标以培养绘制和阅读建筑施工图和结构施工图的能力为主。由于画法几何和图学理论为制图学通用基础理论，增设机械类专业课程无需新增机械制图专业基础课，只需在原教学基础上，增设机械制图规则的介绍，标准件与常用件、零件图与装配图的教学即可。

各专业课程知识体系不可避免地存在重叠与交叉，且各专业教材的编排为适应不同高校教学侧重点，力求结构系统与内容全面。教师授课大多围绕教材由浅入深开展，课程教学如缺乏系统的规划，各任课老师之间缺乏必要的交流，教学实践中就易出现基础理论重复讲，延展内容无课时安排的局面。如开设以设施农业装备内容为主的课程，教材编排较为全面，但与当前开设的农业设施学、设施农业环境工程学、工厂化育苗、设施农业节水灌溉在知识体系上存在交叉;开设以农业机械内容为主的课程，教材编排较为深入，但涉及较多大田作物的机械类型，跨度太大学生不易理解。设施机械化的课程开设应围绕耕、播、收、灌溉、环控5大方向，鉴于已开设环控、灌溉、采后处理相关课程，课程改革应重点围绕耕、播、移栽、收与农业信息化等方面进行开展。

课程改革建议

课程体系是构建人才培养方案的核心内容，其构成差异是不同高校同类专业特色体现的最具体、最直观的因素之一。为更好的突出办学特色，针对设施机械化自动化方向课程改革提出几点建议如下：

立足本地辐射周边

正如各地由于气候条件差异，适宜的温室类型不一致，各地由于地块面积、土壤理化性质差异，适宜的农业装备类型也不一致，且各地的主要经济作物类型不一致等，在设施布局标准化，设施建造宜机化的基础上推进的设施作业机械化与装备智能化也应具备地域特色。国内北方以节能日光温室为主，华南热区以连栋塑料大棚、遮阳棚为主，设施机械化的发展也应重点匹配当地棚型，教学上有选择性地倾斜，不仅有助于学生了解设施农业产业实际，也有利于学生在未来的实践实习中学为所用。

博采众长学为己用

设施农业科学与工程专业是于2002年由西北农林科技大学邹志荣教授领衔申请创办的，目前全国共有40余所高等院校开设此专业。第四轮学科评估中，全国具有农业工程一级博士点授权的高校有24所，也有40余所高校具有农业工程一级硕士点。海南大学设施专业增设机械类、控制类相关课程，可借鉴参考其他院校办学经验。

江苏大学是国内最早开始进行设施农业领域研究的单位之一，该校农业工程学科在2017年学科评估中全国排名第3位，在设施农业生物环境智能化控制、农业电气装备与信息技术、果蔬采摘机器人和水肥精准动态调配等多个领域处于国内领先水平。设施农业科学与工程专业是江苏大学于2018年7月在整合农业工程学科科研与教学资源的基础上建设的新兴农学类本科专业。该专业的成立顺应了当前国家“新工科”与“新农科”的发展需要，于2019年8月开始招生。其设施专业机械化、自动化方向的核心课程开设如下：工程图学、电工电子学、农业机械学、工厂化育苗与植物工厂技术、农业机器人等。此外，学生还可以参加课程设计、实验、认知实习、工艺实习、生产实习和毕业设计等实践环节的锻炼，实践环节的课时占总课时的30%以上。

福建农林大学设有设施农业控制技术与装备课程，石河子大学设有自动化原理与控制实验，华南农业大学和河北工程大学等设有农业物联网相关课程，百色学院设有设施农业控制技术及装备、电工电子学等，菏泽学院设有园艺机械工程课程。

科学规划逐步实施

设施农业科学与工程毕竟是一门涉及生物、工程、环境等多学科的综合性专业，培养能在科教、产业、管理等领域从事现代设施农业的科研与教学、工程与设计、推广与开发、经营与管理等方面工作的复合型人才。设施装备自动化、智能化仅为其培养方向的一个分支。不可把设施专业当成农业机械化、电气化专业来培养，课程改革应避免大而全，要少而精，建议先以农业机械学、农业机械化生产学、农业机械化管理学和电工电子学等学科门类入手，充实学生用现代化技术手段改善和管理设施农业生产。

农业机械学讲述农业机械的一般构造、工作过程、作用原理及农业机械的设计构思，农机试验方法、仪器与数据处理等内容。农业机械化生产学着重介绍各类作業机械化的农业技术要求，及我国不同类型区主要作物的生产条件、作业工艺体系、作业机具系统的差异，通过学习不同区域机械化体系的特点和适应性，培养学生初步掌握选择、评价农业机械化生产工艺与机具的基本能力。农业机械化管理学是一门运用现代管理理论、方法和技术处理农业生产实际问题的科学，着重介绍农业机器的配备、使用、维护、技术诊断、折旧等原理和方法，及机械化生产的规划、计划、组织、控制，培养学生具备农业机械化宏观管理、技术管理和经济管理的能力。电工电子学作为工科非电专业必修的技术基础课程，着重介绍电工技术和电子技术的基本理论、基本定律、基本概念及分析方法，培养学生运用电工电子学理论与技术解决生产中遇到的设备、仪器方面的简单电气领域问题的能力。

思考

随着中国城镇化进程的加快和农村富余劳动力向非农产业的转移，劳动力成本将不断提高，我国农业发展正面临着从业人口老龄化，从业人员受教育程度偏低[7]，生产成本过高，产出率过低等一系列问题。设施农业本应凭借其高效、工厂化、周年性的生产模式和清洁、健康、适宜的工作环境吸引越来越多的年轻人加入，但限于设施农业装备落后，单位产出低，经济效益无明显优势等原因，当前的设施农业还属于劳动密集型产业，随着行业的飞速发展，专业性人才缺口也越来越大，对我国设施农业的人才培养提出了更高的要求。

海南大学设施农业科学与工程专业紧跟时代发展需要，目前专业培养方案中已开设C语言程序设计，园艺生产装备与技术，设施农业物联网等选修课程，暂未开设电工电子学、自动控制理论、农业机械学、农业機械化生产学、农业机械化管理学等课程。本专业在工科复合型人才的培养上，特色明显，但相对于“智慧农业”产业需求的培养目标还有差距。专业课程改革作为优化学科结构，创新人才培养，强化实践育人的先行举措，对于设施专业学科建设具有积极意义。

参考文献

[1] 辜松.我国设施园艺智能化生产装备发展现状[J].农业工程技术（温室园艺），2015，35（28）：46-50.

[2] 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所.我国设施园艺装备发展现状和建议[J].农机科技推广，2019（1）：27-28.

[3] 齐飞，魏晓明，张跃峰.中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向[J].农业工程学报，2017，33（24）：1-9.

[4] 齐飞，李恺，李邵，等.世界设施园艺智能化装备发展对中国的启示研究[J].农业工程学报，2019，35（2）：183-195.

[5] 汪小旵，蔡国芳，杨昊霖.设施农业农机装备现状与发展趋势分析[J].农业工程技术，2019，39（1）：46-49.

[6] 庞真真，王旭，陈艳丽，等.设施农业科学与工程专业工科课程综合实践教学平台建设的思考[J].热带农业工程，2015，39（1）：47-49.

[7] 国家统计局.第三次全国农业普查主要数据公报（第五号）

[EB/OL].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/nypcgb/qgnypcgb/201712/t20171215_1563599.html，2017-12-16.

*项目支持：“新农科”背景下设施农业科学与工程专业自动控制理论课程实践教学的模式创新研究（编号HDYYJG09）;基于卓越农林人才2.0背景下设施农业科学与工程专业实验实践平台建设的研究（HDYYJG08）;华南型园艺设施建造与系统安装（编号hdjk2020136）。

作者简介：王宝龙（1989-），男，黑龙江甘南人，博士，研究方向为设施农业智能装备与自动化控制。E-mail：wangbaolong0205@163.com。

**通信作者：司成成（1990-），男，山东济宁人，博士，研究方向为设施园艺栽培。E-mail：CCSi@hainanu.edu.cn。