系统工程设计思维视域下的智慧农业教育——以智慧蔬菜大棚为例*

何珍丽，蔡丛聪，李秋石*

（1.河北师范大学 生命科学学院，河北 石家庄 050024；2.河北师范大学 教师教育学院，河北 石家庄 050024）

2021年中共中央、国务院发布《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，文件指出为促进我国智慧农业大力发展，需大力培养农业科研创新、技术推广人才，以及农业产业化龙头企业带头人，为发展智慧农业提供必要的智力支持。

智慧农业是农业发展的新业态，是进一步解放生产力、激发农业转型的内生动力。它包括智慧科技、智慧生产、智慧组织和智慧生活等多个部分，以智慧生产为核心，运用集成应用传感和测量技术、计算机网络和通信技术、智能技术及自动控制技术等，实现农业生产过程的自动运行，农业管理过程的智能控制，农产品物流运输的系统化管理，农产品销售的电子交易，精细化、智能化、集约化、科学化生产促进农产品提质增效，使传统农业更具有“智慧”。[1]

目前，我国各高校开展的智慧农业教育，更多的指向劳动，而忽视了学习者的高级思维培养。教育内容以及教育形式单一，主要围绕传统的农业知识和技术，侧重于前期技术指导，缺乏后期的产品加工、营销等环节，缺乏农业生产经营管理和电子信息化的复合型人才，农业技术人员存在较大缺口，尤其是高职称、高层次的农业人才，特别是忽略了职业农民整体素质的提高，高素质农业人才匮乏已成为困扰我国智慧农业发展的重大难题。[2]

因此，亟需探索智慧农业教育实施策略，来培养一批具备较高农业素养、懂得智慧农业技术、会经营智慧农业产业、善于智慧农业生产管理等全面发展的农业人才。

1 系统工程设计思维视域下的智慧农业教育

1.1 系统工程设计思维

设计是用来解决问题的，包括同心理、定义、创想、原型化和测试五个阶段。[3]系统工程设计思维是系统化的工程设计思维方式，可以理解为以全局观进行工程设计，要求以人为本，全面系统地考察与设计方案相关的各种因素，创造性地对习惯性的思考方式和外部世界进行关联，利用各种技术手段实现系统各要素的有机结合，达到工程设计产品最优的目的。

它有以下特点：（1）综合性。注重各部分特征的联系。（2）以人为本。通过移情感知了解真实需求。（3）情境性。倡导通过与现实问题的联结来促进人们完善知能结构。（4）迭代性。强调重复反馈渐进达到最优化。（5）创造性。专注于设计产品的创新。它的根本特征在于从系统的整体性出发，针对某个具体的需要或者问题，从使用者或应用者角度出发，综合考虑各方面因素，研究要解决的问题，大胆进行头脑风暴，思考解决方案，通过迭代优化形成具有价值的产品，以期完成市场化。

1.2 系统设计思维视域下的智慧农业教育实施策略

1.2.1 以工程设计项目承载农业综合素养养成

工程设计项目常采用跨学科的方式，通过学科之间不可分割的联系，通过持续性的探究实践来达到对问题的解决。学习者通过问题解决的过程，来建构隐藏于问题背后的知识以形成解决问题的能力。智慧农业具有多层丰富的内涵，涉及多个行业领域，智慧农业生产需要多方面知识能力参与。通过工程项目整合利用资源，将多学科知识、多渠道信息、多元化技能、多层次能力与素质等进行有机整合，达成智慧农业生产技术，以及信息技术、智慧农业经营与管理综合素养的养成。通过校企合作工程项目、产学研协同，以多主体培训，拓宽学习者视野，提升创新创造能力与高阶思维能力，为智慧农业技术、运营、管理的创新提供基础，实现产教融合、合作育人。

1.2.2 以真实问题来感知智慧农业生产需求

系统工程设计思维视域下的工程设计项目遵循“人本主义”理念，提倡移情感知，以便理解服务诉求及消费感受，更贴近需要解决的问题。以解决现实世界或者真实情境中的棘手问题为导向，强调在问题情境中，通过提供清晰可循的解决问题的思路，引导设计者形成解决问题的能力。问题情境的创设不能只依靠多媒体呈现，需结合场景模拟、实地考察、角色扮演、互动采访等方式以走向多元化和生活化。例如，可借助增强现实、人机交互和深度学习等技术构建“真实”智慧农业场景，供学习者进行训练，借助简单的设计学习体验，逐步将已经形成的设计思维相关知能迁移到更加复杂的智慧农业场景中的问题解决。还可组织学习者去智慧农场，对智慧农场进行实地调查，真实感受智慧农业发展的现实需求，促进智慧农业生产。

1.2.3 以头脑风暴来解析智慧农业生产问题

头脑风暴作为培养创造性的一种重要途径，鼓励人们体验不同方法的价值，以多样化的思维去处理任务，往往在解决问题的过程中演绎出多种路径的解决方案。由于学习者社会经验的差异，以及思考维度的不同，会产生独特的、多维的和立体的思考方式，对于智慧农业存在的问题认识，会衍生出多样化的创意想法。学习者通过头脑风暴产生关于智慧农业生产多方面的问题，以及解决这些问题的多种可能方案。例如，如何科学管理智慧农业生产、如何获取市场变化与消费者需求信息、如何保证农产品质量、如何提升农业全产业链价值等问题。解决这些问题，开发相应的智能技术实现智慧农业的生产、加工和销售是必不可少的。比如，智能化灌溉利用手机就可以监控湿度、温度并适时浇灌。利用气象信息服务平台获取每年的气象信息大致情况，决定今年适合种植什么。利用信息交流平台，掌握把农产品卖到哪里去，而且大数据分析云平台使得农产品也利用“一带一路”的机遇把农产品卖到国外去。要智慧农业更快更好地发展，就需要利用好这些智能技术的信息资源开发，促进智慧农业的发展。

1.2.4 以原型迭代来实现智慧农业生产进步

一个产品从创造出来就要经历不断完善的过程，不断完善细节。通过不断迭代改进优化，制作出符合现实需要的创造性产品。通过对执行项目的环境进行模拟，包括智能技术和运营、环境和管理的模拟，初步依据方案构建原型。当开发出一个新的智慧农业技术、运营方式、管理模式原型，需要先在小范围内试用，根据相关用户的反馈、市场变化等暴露新的需求，解决当前存在的问题。然后下一次在更大范围内使用，更加深入地了解问题需求，继续修改。如此持续不断的打磨和优化迭代，最后再推向整个智慧农业。

2 系统工程设计思维视域下的智慧农业教育课程实施案例

2.1 内容选择

智慧蔬菜大棚可种植的作物多种多样，如何筛选出适合应用于课堂的作物对象，是智慧农业教育课程开展、实施所面临的第一个问题。近年来，我国的农业科学技术有了很大进步，其中食用菌工厂化无公害生产是一项新发展起来的现代农业和新兴产业。相较于其他果蔬，菌类作物工厂化程度高，具有发展的高效性、循环、绿色、空间利用率大等特点。[4]在课程学习中引导学生对模拟食用菌工厂进行构建，给培养学生系统工程设计思维创造了更大的空间。

考虑到菌类生长周期、课堂观察的便利性，以及其目前商品化开发程度，再结合比对，最终确定了本次课程的主题菌类：平菇。

平菇生长周期短，适应性强、温度范围广（分别有高温型、中温型、低温型可供不同季节选择），菌丝在-30-30℃范围内均能生存；栽培种类多、抗逆性强，利于学生对作物生长的直接性观察。且栽培原料广，其中涉及对农业废料（如：农业木屑、棉籽壳、作物秸秆、玉米芯、花生壳、禾本类杂草、动物粪便等）的二次应用。在课程实施的过程中培养学生循环利用的环保观念。且从各大购物平台可以购得平菇菌袋，在教室即可展开操作简便的“出菇实验”，利于学生对作物的生长进行直观地观察。目前国家食用菌产业正在兴起，市面上各种食用菌工厂逐渐工厂化、规范化，其自动化、流程化生产模式，相对统一的生产标准，为本次课程提供了基本框架。

2.2 课程实施案例

本节课以创建X年级X班“食用菌工厂”为切入点，围绕“如何创建智慧食用菌工厂”这一问题展开课程内容。最终班级小组分部门合作，使得课堂上构建的食用菌智慧大棚模型得以运行。

在课程开始前一周购得已有菇蕾的平菇菌袋，下发给各小组。说明栽培事项、布置栽培任务（就温度、湿度、CO2浓度、光照四个变量分别设置对照试验），要求学生完成观察记录笔记。

2.2.1 创设情境，确定问题

教师创设情境“随着智慧农业的发展，农业设施中植物不需要人工全天实时监控，智能化监控培养系统则可以完成这个任务。假如学校要建设一家食用菌大棚工厂，如何设计能使食用菌大棚自动化生产、最优化控制、智能化管理呢？”接着，教师播放某一智慧蔬菜大棚介绍视频，了解大棚的结构、种植植物类型、智能设备（如传感器等）的工作原理。

2.2.2 创新构想，制作模型

（1）平菇培养车间

教师提出问题“通过一周的观察，同学们发现平菇的生长离不开哪些因素？”带领学生分析对比实验总结出影响食用菌生长的几个关键因素：温度、湿度、CO2浓度、光照。那么能否通过运用一些智能设备，实现平菇栽培车间自动化呢？教师应要求学生们进行小组合作，并鼓励学生进行头脑风暴，尽可能多地提出实现平菇栽培车间自动化的方案，并通过讨论确定解决问题的实现方法，最后完成表1的填写，并通过3D模拟制图软件建构出平菇栽培车间基本构造。其中涉及各自动化机械设备的空间合理性的安排。

表1

（2）平菇菌袋制作车间

解决了平菇“住得好”的问题，那它在我们工厂能“吃得饱”吗？我们都知道生物的生长离不开营养物质，平菇生长所需的营养物质都来源于哪呢？发动各小组展开讨论。最后教师对班级同学的讨论进行总结：蘑菇是一种腐生菌，不能进行光合作用，完全依赖于培养料中的营养物质来维持生长发育，形成蘑菇子实体。看来平菇生长所需的物质都来源于含有培养料的菌包。

教师说明从购物平台上购得的菌棒均价在8元左右，而市面上的食用菌工厂自制菌包成本在2元左右。如果工厂想在市场中占据有利位置，获得更大的利润，是不是还得自产自销？咱们工厂能不能也建立一个菌包生产车间？既然自己制作培养料，就要知道它都有什么成分。请同学们开动脑筋，联系日常实际想一想制作菌包都需要什么材料？

a.碳水化合物

它来自植物体，可由植物茎叶供给。蘑菇体内含有大量的木质素、纤维素、半纤维素及某些有机酸，依靠这些物质，并利用蘑菇的细胞组成、营养物质的吸收和呼吸代谢嗜热及中温型微生物和蘑菇菌丝分泌的酶，分解成简单的碳水化合物为蘑菇所用。

b.含氮化合物

蘑菇生长发育需要少量的生长素和维生素，如平菇需要的含氮化合物有铵态氮、有机氮和尿素等，一般可由培养料中的微生物来提供，不必另外添加。氨态氮和有机态氮可以增加平菇产量，但是要适量。

c.矿物质

植物茎叶中含有钾、磷、钙、镁、硫等矿物质元素，它们是蘑菇不可缺少的营养，以及对菌丝体的生长和子实体的形成都是十分有益的。

d.维生素

蘑菇的生长需要少量的生长素和维生素，一般可由培养料中的微生物来提供，不必另外添加。[5]

播放食用菌菌袋生产过程的小视频，小组展开比赛指出视频中所用到的材料和生产工具（例如：木材粉碎机、拌料机、装袋机）。利用3D模拟仿真软件制作拌料机，并补充新的工厂板块/工厂的菌袋制作车间。

（3）平菇分级包装车间

平菇出菇之后，就到了“收获”的时刻。学生们作为“厂长”有什么办法对数量庞大的平菇进行快速采摘？学生们踊跃发言之后，教师给出参考条件：雇佣采摘工人所需经费和使用大型自动化设备所需经费之间的比对，采摘效率的比对，以及采摘质量的高低（采摘平菇品相）。由学生拟定方案，选择他们认为合适的采摘模式，并给出理由。经过比对，同学们发现自动化收割设备获得的利润相对更大。

收获了大量的平菇，包装速度与平菇生鲜质量成正比。但大小不同、品相各异的平菇的价格等级是有很大差异的。如何进行科学化的分离采摘？教师可播放科普视频资料，如荷兰食用菌工厂如何对采摘后的香菇分级，给学生提供一定的思路。然后让学生针对平菇的性状特点探讨平菇分离采摘解决方案，并运用3D制图软件绘制设备模型。

2.2.3 交流展示，迭代完善

各小组依次介绍模型作品的优缺点并汇报设计思路，讲述在制作过程中遇到的困难，以及通过怎样的方式从最初制作的模型到最终的模型作品。采取学生个人评价、教师评价、小组评价等相结合的形式，对各组整个模型设计过程和模型产品进行评价，根据评价建议进一步完善设计方案。

最后，总结各车间3D模型，完成工厂全面示图。播放食用菌工厂运营视频，全面了解食用菌工厂智能技术、运营、管理情况。带领学生们回顾课程内容，进行课堂成果与实际效果的比对，并要求学生们课后持续迭代改进产品。