新农科背景下涉农高校智慧农业专业的实践教学体系构建——以东北农业大学为例

张伟

(东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030)

一、 引言

随着农业科技的快速发展，新科学和新技术对提高农业生产力的贡献越来越引起人们的关注，为农业的快速发展提供了新的支撑。改革开放40多年来，我国农业在产业结构、生产方式、组织方式上发生了深刻变革。现代农业产业链大幅延伸，农村向多功能多空间演变,但农业现代化水平仍然偏低，成为新形势下农业快速发展的短板之一。当前，我国正处于向第二个百年奋斗目标迈进的历史关口，农业由传统农业生产方式转向大力发展智慧农业时期。习近平总书记强调，“大力推进农业机械化、智能化，给农业现代化插上科技的翅膀”[1]。因此，加速推进乡村振兴，发展智慧农业是我国农业高质量发展的重要内容。随着计算机互联网的迅猛发展和普及，智慧农业深入农业生产和销售的诸多环节。据中研产业研究院发布的《2019—2025年中国现代农业行业全景调研与发展战略研究咨询报告》统计数据显示，2016—2018年，中国现代农业行业从业人数呈现逐年增加的趋势，2017年较2016年上升19.94%，2018年较2016年上升19.90%，说明对智慧农业人才的需求呈现逐年增加的趋势[2-3]。但是，目前总体上高素质智慧农业科技人才严重匮乏，已成为制约我国乡村振兴、农业高质量发展的重要因素。

黑龙江是我国的大粮仓，智慧农业人才短缺尤为突出，如黑龙江省象屿集团，胜利农场和红卫农场等大型农场，大庆、肇东、宾县、甘南、林甸等市县农业技术推广部门，黑龙江省农科院、黑龙江省科学院、哈尔滨市农业科学院等农业科研院所对智慧农业专业人才的年需求量激增，近5年每年智慧农业专业人才需求在50～100人之间。预计在5至10年后，每年专业人才需求将增加到300～500人之间[3-4]。为此，培养高质量智慧农业人才是农业院校面临的一个新的巨大挑战。

二、 国内涉农高校智慧农业新专业课程比较分析

智慧农业本科专业是2020年教育部首批列入的新农科本科专业。本课题调研了我国6所涉农高校(包括中国农业大学、南京农业大学、华中农业大学、华南农业大学、吉林农业大学、东北农业大学)智慧农业相关专业人才培养方案的理论课程和实践教学环节课程的设置，结果发现南京农业大学、华中农业大学、吉林农业大学和东北农业大学四所大学，在农学院设置了智慧农业专业，授予农学学位，于2019年获批创建，后开始招生。中国农业大学和华南农业大学在电子信息学院设置了人工智能专业，授予工学学位。我们进一步比较分析发现，华中农业大学、南京农业大学、东北农业大学、吉林农业大学四校都开设了智慧农业专业导论、C/C++语言程序设计及实验、数据库原理与技术及实验、大数据统计分析与数据挖掘、模式识别与机器学习、生物信息学、农业遥感与精准农业、基因学组学概论、深度学习、Python语言程序设计及实验、机器人技术基础课程。不同高校有各自的特色，比如南京农业大学的智慧农业专业偏重农业领域的人工智能人才的培养，计算机类课程多一些，开设了计算机导论及实验、计算机网络及设计、计算机系统概论、JAVA程序设计及实验、分布式系统与云计算技术、人工智能农业问题解决方案设计、农业空间信息管理与分析、软件工程及农业应用、农业系统模拟与智能决策、精准农业原理与实践、农业高通量测序技术与数据分析课程。华中农业大学建设的智慧农业包括三个模块 (作物信息学模块、农业智慧生产模块及农业产业链运营与管理模块)，开设了生物技术综合实验、单片机原理与应用、经济学原理、电气控制基础与可编程控制器、网络营销、金融学、投资学、农业推广学、运营管理学、现代农场运营、电子商务、物流与供应链管理、产业经济学和国际企业与跨国文化管理课程。

吉林农业大学的智慧农业农学专业相关课程的设置多些，开设了设施农业、模拟模型及决策支持技术实验、农业气象学课程。东北农业大学智慧农业专业的建设目标是融合多组学、大数据、人工智能、区块链等先进技术，提升农学育种、栽培和植保水平，开设了作物研究法、植物分子育种及实验、智能农业装备、农业生产机械化及实验、智慧农场规划与实践、智慧农业数据分析综合大实验、R语言程序设计及实验、光谱成像技术与实践、智慧农业Seminar、OpenCV、作物表型分析综合大实验(分散)、3S技术、Linux Shell命令和脚本编程课程。智慧农业新专业的建设与人才培养模式尚在探索、形成之中，目前国内涉农高校存在迫切需要智慧农业专业人才培养方案理论体系与实践课程体系的研究与探索。为此，东北农业大学智慧农业专业基于农学学科的基础，加强计算机科学、智能装备等学科的融入，注重多学科师资搭配，在重视理论教学同时，加强实践教学环节建设力度,提供多学科交叉系统实践训练，促进人才培养与前沿研究紧密结合，走在了新农科人才培养的前列,可以为涉农院校培养符合当代智慧化农业需求的高质量人才培养提供借鉴。

三、 东北农业大学智慧农业课程体系建设

(一) 东北农业大学智慧农业专业的课程设置

东北农业大学地处我国黑龙江省，是我国“双一流”建设高校，在农业领域拥有较雄厚的师资力量，同时也是黑龙江省涉农人才培养院校的领军者[4]。目前，东北农业大学的农学、植物保护、种子科学与技术、植物科学与技术、园艺、风景园林、设施农业科学与工程、农业机械化工程、计算机科学与技术、物联网工程等学科具有优良的办学基础，农业科学和植物学与动物学进入ESI全球排名前1%，跻身世界一流学科行列；拥有作物学博士点和作物学博士后流动站，作物学和植物保护为省级重点一级学科。东北农业大学园艺专业为国家级A类特色专业、国家一流本科专业建设点和省重点专业，园艺学为一级博士学位授权点和博士后科研流动站，蔬菜学和果树学为二级硕士学位授权点，蔬菜学科为国家重点(培育)学科和省优秀重点学科，拥有黑龙江省茄科蔬菜创新研究中心1个；拥有农业人工智能二级学科博士点，计算机科学与技术一级学科硕士点、国家级特色专业和国家级一流本科专业；拥有黑龙江省农业信息化工程技术研究中心(教育部(培养)中心)，农业工程博士点和农业工程博士后流动站，农业机械化工程为国家重点学科。东北农业大学依托以上优势学科，于2018年筹建智慧农业专业，新专业建设呼之欲出。

1948年，东北农业大学成立农学院，现拥有1个教育部创新团队，2个农业科研杰出人才及其创新团队，5个黑龙江省省级领军人才梯队，1个黑龙江省“535工程”第二层次省级领军人才梯队，1个黑龙江省“头雁”团队；主办期刊《中国马铃薯》。在新形势下，东北农业大学农学院于2019年5月在东北地区首次举办植物表型论坛，2020年11月举办了第一届智慧农业与科技创新国际会议。东北农业大学以农学院为牵头单位，2020年申请并获批建立智慧农业专业，2021年顺利招收了第一批智慧农业专业本科生。

东北农业大学根据智慧农业专业特点和培养目标，结合寒地农业的特点，充分依托和挖掘以上平台的优势，设置了具有北方寒地特色的课程体系。通过四所涉农院校智慧农业专业课程设置的比较，东北农业大学智慧农业专业人才培养方案设置的理念是侧重于相关产业对于人才能力的要求，强化农学、植物保护学、信息科学和统计学基础，以智慧育种(将作物遗传育种与信息科学、智慧装备相结合)、智慧栽培、智慧生产(将作物栽培学、耕作学与信息科学、智慧监测、智慧装备相结合)为课程设置主线，以农学类核心课程(作物生产学、作物育种学、植物保护学)和计算机科学与技术类核心课程(程序设计基础、Python程序设计、深度学习、数据挖掘)等学科交叉融合为特色，探索跨学科、跨学院、跨学校、国际化的“三跨一化”的人才培养新模式，以将现代农业技术、信息技术、生物技术和现代工程技术等学科深度交叉和融合的现代农科专业为基础，带动农业多组学联合分析、农业机械化与自动化和数据科学与大数据技术协同发展，培养高素质创新性复合人才[2,5-6]。

(二) 东北农业大学智慧农业专业实践教学体系的构建

1. 加大实践教学环节学时比例，强化实践能力

东北农业大学智慧农业人才培养方案依据专业认证标准和理念制定人才培养目标和毕业要求，遵循农业产业自身的特点，以强化实践能力、科研能力与创新能力为核心[4]。东北农业大学智慧农业专业毕业要求为163.5学分，其中通识教育体系47学分，数理化类课程20学分，专业基础课程31学分，专业必修课程19.5学分，专业限选课12学分，学生跨学院跨专业自行选课4学分，实践教学环节总周数51周，共30学分，主要包括植物学野外实习(1周)、公益劳动、军事技能训练、社会实践(各2周)、智慧农业数据分析综合实践(5周)、基础科研训练、生产实习、作物表型分析综合大实验、智慧农场规划与实践、毕业实习、毕业设计(各8周)。突出实践教学环节，实践能力、应用能力是构成农科人才素质能力体系的核心，加大实践教学学时数在教学中的比例，要求做到学生在实习基地从事与实践教学的时间达到一个完整的作物生长季。同时，要求学生在校期间加强专业认知实践课、生产技能课、综合大实验课、课程试验课及毕业实习等相关课程的学习，形成“一年看、二年干、三年边学边试验、四年岗前有锻炼”的专业实践体系，使学生综合专业实践能力达到复合应用型农业人才培养的要求。

以校企合作教学为人才培养手段，强调科研院所、企业参与人才培养过程，定期邀请相关领域专家进行专题讲座，让学生了解科技前沿信息，开设形式多样的专题研讨课,培养学生主动探索知识的能力，使学生适应日后新技术和新产业的快速发展的形势，指导学生完成实践课程与毕业设计环节，利用智慧农业思维解决现代大农业问题[7-8]。

2. 东北农业大学智慧农业专业实践教学体系优势

东北农业大学智慧农业专业拥有强大的实践教学平台和实习基地，能够充分保证人才培养方案的实践教学活动的正常开展，达到课程(环节)的要求。

(1) 科研平台与实践实习相结合。智慧农业专业的实践实习，利用现代农业技术、信息农业等相关的表型科研平台，在第六学期安排5周2.5学分集中形式的智慧农业数据分析综合实践，锻炼学生使用现代信息工具采集、整理和分析作物科学相关领域数据的能力，全面提升学生在智慧农业作物生产过程中信息化、智慧化、机械化联动机制方面的实践能力[9-11]。

(2) 产学研融合模式。利用科研平台和企业平台(北大荒信息有限公司)，安排学生进科研团队、进实验室及参加生产实践，设置本科生导师制，完成8周4学分分散形式的基础科研训练，强化学生创新能力与团队合作、自主学习的意识，同时推动完善研究生产学研教育培养模式。

(3) 精炼专业选修课程。根据专业特色将课程进行模块化分类，如作物信息学模块、农业智慧生产模块、农业产业链运营与管理模块等；加强对学生选修课程的指导，使其明确课程选修对完成培养目标的作用，结合个人兴趣，有针对性地选择相应模块课程的选修课程。

(4) 构建温室、室内、田间三级实验实训平台。完成第六学期8周4学分的集中加分散的作物表型分析综合大实验。主要依靠智慧农业实验平台、温室传送型高通量植物表型平台和作物田间智能管理实训平台，为模式识别与机器学习、数字图像处理与分析、大数据统计分析与数据挖掘、深度学习等提供支撑，更好地完成传送系统、自动灌溉称重装置、可见光成像单元、光合荧光成像单元试验，完成土壤检测、作物生长检测、系统模拟、精确管理、无人机搭载成像一系列实践课程[3，10]。

3. 搭建实践教学平台，开展第二课堂创新实践活动

(1) 利用科研成果转化平台。聘请东北农业大学电信学院苏中滨教授为智慧农业专业学生做“智慧农业大数据应用服务平台”专题讲座。该平台能够实时监测农场所有的耕地卫星图，并不断更新数据，大数据分析系统会根据所有作物的生长变化，自动生成田间管理建议，为农户提供科学的依据和参考。苏教授与同学们围绕智慧农业和农业人工智能技术，农业要素数据化可视化技术、空天地农情监测体系、农业智慧大脑、无人农场等主题展开座谈。目前苏中滨教授负责的黑龙江省农业信息技术重点实验室有智慧农业专业及相关专业本科生50～70人、硕士研究生10人左右，已经与黑龙江省方正、同江、桦南县在内的多个市县政府以及北大荒集团国有农场进行合作，科技成果得到推广和转化[9]。

(2) 利用科研、教学平台，开展专业竞赛。东北农业大学农学院拥有大豆生物学教育部重点实验室、寒地粮食作物品种改良与生理生态教育部重点实验室、农业农村部东北地区作物栽培科学观测实验站、国家级农作物品种区域试验站科研平台。这些实验室拥有全套的基因组学、分子生物学、作物遗传育种学、作物栽培生理学、农业信息化等仪器设备；拥有植物科学与技术国家级实验教学示范中心，国家级精品在线课程2门，省级虚拟仿真项目2项课程资源；拥有校内、阿城和向阳三处实验实习基地，有农科教合作人才培养国家级大学生校外实践教育基地15个，校外企业、科研院所联合基地21个；与俄罗斯远东国立农业大学实现了国际间的人才培养与科研交流。以上科研教学平台为智慧农业专业的学生提供良好的实践场所，农学院积极举办各种创新技能专业竞赛，2021年10月举办第一届中国大学生“智慧农业与智能设备”创新设计大赛东北农业大学初赛，智慧农业专业学子们积极参加，拓宽了学生学术视野，促进了学生自主钻研，培养了学生创新能力和团队合作精神。

(3) 加强校企合作办学实习基地建设。为扎实推动研究、生产、学研教育培养，2021年9月29日，东北农业大学职能部门、农学院智慧农业系与北大荒信息有限公司在智慧农业领域进行深度交流合作，举行“智慧农业研发中心”与“研究生联合培养基地”签约授牌仪式。同时，邀请北大荒信息有限公司董事长张允海为智慧农业专业学生做专题讲座，讲述北大荒半个世纪发生的沧桑巨变，机械化、信息化、智能化的发展过程，激励广大学生传承北大荒精神，担当时代责任，鼓励智慧农业专业学子勇于奉献、干事创业，在黑土地上勇于作为。

四、 结语

虽然我国的涉农高校智慧农业专业为新办专业，但随着高校对学生培养实践的深入，将为智慧农业发展提供宝贵的理论支持和经验支持。东北农业大学为智慧农业人才培养方案所制定的实践教学课程体系和特色做法为我国智慧农业教育提供了理论和实践探索，随着各个院校相互借鉴学习和交流，经过实践证明后，将会形成完整的、成熟的可推广可复制的智慧农业专业实践教学体系。东北农业大学面对智慧农业的迅猛发展和区域经济发展需求，结合自身办学特色优势、资源条件，坚持有所为、有所不为的原则，及时调整人才培养方向，增设智慧农业专业，系统地综合运用生命科学、信息技术和智能装备技术等方面的科学知识，目的是为培养高素质创新性复合人才提供实践经验，助力我国乡村振兴和新一轮东北振兴战略，服务东北粮食主产区和黑龙江省率先实现农业现代化需求。力争通过4～5年的建设，使智慧农业专业成为东北农业大学的特色优势专业，为农业科研单位及涉农大专院校、农场系统、涉农企业、农业管理部门输送高质量的智慧农业人才。