以应用能力训练为导向的农业信息化研究生培养研究

2024-12-31付迎顺毕振波

智慧农业导刊 2024年15期

摘" 要：该研究旨在探讨以应用能力训练为导向的农业信息化研究生培养模式，重点关注PBL（Problem-Based Learning）和CBL（Case-Based Learning）等讨论式教学方法、OBE（Outcome-Based Education）理念以及翻转课堂等策略在农业信息化技术课程教学的应用。通过对比传统教学模式和基于应用能力的教学模式，该研究试图揭示前者在培养学生综合运用所学知识解决实际问题方面的不足，并提出一种更加贴近现实需求、能够有效提升学生应用能力的教学模式。

关键词：应用能力训练;讨论式教学;翻转课堂;农业信息化;研究生教育

中图分类号：G642" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）15-0006-05

Abstract： This study aims to explore the training model for Agricultural Informatization graduate students oriented by application-oriented ability training， focusing on discussion-based teaching methods such as PBL （Problem-Based Learning） and CBL （Case-Based Learning）， the OBE （Outcome-Based Education） concept， and the Flipped Classroom strategy in the teaching of Agricultural Informatization Technology courses. By comparing traditional teaching models with application-based teaching models， this study attempts to reveal the shortcomings of the former in cultivating students' comprehensive ability to apply knowledge to solve practical problems， and proposes a teaching model which is based on the actual needs and can effectively improve students' application-oriented ability.

Keywords： application ability training; discussion-based teaching; Flipped Classroom; Agricultural Informatization; postgraduate education

农科学子肩负着实现中华民族伟大复兴的重任。2019年9月，习近平总书记给全国涉农高校的书记校长和专家代表的回信强调：“中国现代化离不开农业农村现代化，农业农村现代化关键在科技、在人才。新时代，农村是充满希望的田野，是干事创业的广阔舞台，我国高等农林教育大有可为。希望你们继续以立德树人为根本，以强农兴农为己任，拿出更多科技成果，培养更多知农爱农新型人才，为推进农业农村现代化、确保国家粮食安全、提高亿万农民生活水平和思想道德素质、促进山水林田湖草系统治理，为打赢脱贫攻坚战、推进乡村全面振兴不断作出新的更大的贡献”[1]。在2016年10月，国务院学位委员会批准了对农业硕士学位课程的调整，将原有的15个专业方向减少并整合为8个新的领域。这些新设置的领域包括农艺与种业、资源利用与植物保护、畜牧学、渔业发展、食品加工与安全、农业工程与信息技术、农业管理以及农村发展。在这次结构调整中，原先的农业机械化、农业信息化和设施农业3个专业方向被融合成了“农业工程与信息技术”这一新领域，它融合了工程技术和农业科学的特色[2]。这项改革的目标是为了更好地适应现代农业革新和乡村振兴的需要，培养出既具有实操能力又拥有跨学科知识和技能的高级专业人才。当前中国在这一领域的专业人才十分缺乏。鉴于此，我们需要对现行的人才培养情况进行深入分析，进一步完善教育体系和培养机制，革新培养模式，提高专业人才的实践技能，加深他们对农业及农村问题的了解和投入，推动他们更积极地参与乡村建设与发展。这对于促进农村产业的兴旺和加快农业及农村现代化进程至关重要。本文以浙江海洋大学信息工程学院农业工程与信息技术专业学位农业信息化方向研究生为对象，面向农信专业学位硕士研究生的工程实践能力培养要求，结合教师农业信息化技术课程教学经历和已有研究生培养经验，以应用能力训练为导向，进行培养模式研究和实践探索。

1" 学情分析

农业工程与信息技术领域作为一个多学科交叉的专业，拥有一个复杂且多元化的知识体系。它不仅包括编程和嵌入式系统技术，还可能涉及到数据分析、机器学习、物联网和自动化控制等多个高技术领域。然而，当前在该专业的教学过程中发现，学生们对于学科知识的深入学习的主动性和参与度不足。创新素养是研究生培养必须具备的基本技能，是衡量研究生综合素质和充分挖掘研究生创造性潜力的一个重要标志。然而，目前国内农业信息化研究生的创新素养普遍存在着一些问题。主要包含文化底蕴不深、科研素质不高、实践创新能力较差等[3]。由于浙江海洋大学硕士层次的学生来源于国内众多不同的高校，他们的专业背景主要集中在计算机科学、电子信息、电气工程等相关领域。虽然这些背景为他们在农业工程与信息技术领域的学习和研究提供了一定的基础，但同时也导致学生们在编程和嵌入式技术等专业知识的掌握程度上存在较大的差异。有的学生可能已经具备了相对扎实的编程能力和嵌入式系统开发经验，而另一些学生则可能需要在这些方面进行额外的学习和强化。同时基于浙江海洋大学的优势学科，学校对于该专业培养方向偏向渔业水产养殖、海洋遥感、海洋通信等方向，需要学生对于渔业、海洋科学拥有一定的知识储备，而绝大多数同学没有相关的知识背景，需要在课程教学中对对应知识进行补足。

2" 改进教学策略

2.1" 基于CBL的教学模式

基于CBL（Case-Based Learning）和PBL（Problem-Based Learning）的讨论式教学是近几十年来在世界各国高等院校日益受到重视的教学模式。随着我国教学改革的不断深入，国内众多院校均将这2类讨论式教学作为教学改革的重要内容之一。CBL作为传统教学方式的补充在研究生课程中被经常采用。CBL教学程序较为简单，学生可以从讨论一个案例开始经过一次或二次课堂讨论即可达到教学目的。CBL教学构架组成一般是由5～6个学生组成一个学习小组，每4个学习小组形成一个教学小班，并配备1名教师。在讨论时多采用临床真实案例为主线，自我完善为基础，“头脑风暴”为特色的教学形式[4]。在CBL中，教师主要扮演促进者和指导者的角色，而学生则积极参与并推动学习过程。这种方法强调实际应用和学生的主动参与，旨在让学生更深入地理解课程材料，并提高他们将知识运用于实际问题的能力。

在本课程的研究于2021年开始，采用了CBL方法进行神经网络、深度学习和图像识别等课程内容的探索式教学。通过引入一个与水下图像增强相关的实际案例，本研究展示了生成对抗网络（Generative Adversarial Networks，GANs）的原理及其应用。在课程开始的一周前，已在学习平台上发布对应案例的相关材料，其中包括原始数据集样本、相关研究论文以及使用GANs进行图像增强的示例代码。要求学生们在课上讨论之前自行阅读这些材料，并学习案例中所涉及的关键概念和技术，同时对所学知识进行整理和总结。学生们被鼓励探索调整GANs结构和参数以适应特定水下条件的方法，并思考这项技术如何能够促进海洋研究和水下摄影等领域的发展。通过这样的准备，他们不仅能更深入理解生成式对抗网络的原理，还能了解如何将这些理论应用于具体问题。在课堂上，指导学生分组讨论他们的发现，分享他们对案例的分析，并提出可能的改进方案或新的应用思路。作为引导者，帮助学生们连接各个知识点，加深他们的理解，并确保讨论与课程目标保持一致。通过这种CBL教学模式，引导学生们更加主动地掌握复杂的深度学习概念，并提高他们的问题分析和解决能力，以及批判性思维。这种互动式和参与式的学习方式旨在激发学生们的创新精神和研究兴趣，为他们将来无论是在学术界还是在职业生涯中都打下坚实的基础。

2.2" 基于PBL的教学模式

PBL即基于项目的学习，旨在通过解决问题的实践而学习，其最终产出在外部体现为制品，在内部认知层面体现为学生认知图式的改变，从而实现有意义的学习。本研究充分利用在线学习的泛在化与教育硕士课后学习的自主协作性，提出基于PBL的混合学习。它是结合PBL和混合学习的特点，发挥“线上+线下、课内+课外”学习的优势，引导教育硕士在教育教学现实中发现问题，围绕拟解决真实问题的核心知识主题，以小组合作的方式分析和探索问题解决方案，并将学习成果以作品的形式进行展示和多元评价的一种教与学的活动[5]。在PBL中，学生被提供以一个具体、实际的问题作为学习的起点，学生需要自主研究问题背景，查找资料，并讨论问题，以便集体构建知识和理解。此过程中，教师不直接传授知识，而是作为指导者存在，帮助学生培养批判性思维、解决问题的能力以及自主学习的技巧。PBL教学程序通常遵循以下连贯的步骤：首先，案例下发，教师提供与课程内容相关的实际案例或情境给学生，这成为学习的出发点;接着，问题提出，学生围绕下发的案例，识别并明确提出需要解决的关键问题;然后是查阅资料，学生独立或分组合作，查找相关资料和信息，以深入理解问题背景和可能的解决方案;这一阶段后跟随着小组讨论，在查阅资料后，学生进行小组讨论，分享各自的发现和理解，共同探讨问题解决的途径;经过讨论，问题再提出，可能会有新的问题产生，学生需要重新审视问题并提出进一步的疑问;对于新提出的问题，学生继续寻找资料并进行深入研究;之后是班级交流与讨论，各小组将讨论结果带到班级中进行交流，教师和其他同学提供反馈;最终，总结反馈，学生根据讨论和交流的结果，总结学习成果，并对整个过程进行反思。此外，每个周期内有数次课堂讨论，这些讨论有助于学生不断深化对问题的理解，并促进知识的内化和应用。

在本研究中，当学习课程中关于BP（反向传播）神经网络算法的章节时，学生们在获得了对BP神经网络基本原理的了解之后，将面临一个具体的挑战：探讨BP神经网络有哪些应用？学生们被鼓励根据自己的研究兴趣或工程项目经验，自主选择一个应用案例进行深入研究和设计。随后，他们需要准备一份PPT来汇报他们的研究成果，这份汇报将包含他们对所选案例的分析报告、设计的网络模型，以及可能的实验结果或应用场景。在汇报环节，同学们和教师将通过提问和讨论来进一步审视每个案例。这样的互动不仅能够增强学生对BP神经网络应用的理解，还能够锻炼他们的沟通和答辩技巧。对于那些在讨论中出现的经典问题或特别有趣的观点，教师会特别强调，并要求学生在汇报后进行梳理和总结，以便更好地巩固学习成果和经验。通过这种PBL教学法，学生们在探索BP神经网络的应用时，不仅需要深入理解算法的工作原理，还要学会如何将算法与实际问题相结合。为了完成这一任务，他们可能需要查阅最新的学术论文，了解行业内的最佳实践，甚至与领域专家进行交流。这一过程鼓励学生们走出课堂，主动寻求信息来源，开展实地调研，或者利用数据集进行实验。PBL不仅促进了学生对BP神经网络算法的应用有更深刻的理解，还帮助他们学会了如何将理论知识转化为解决实际问题的能力。

2.3" 基于翻转课堂的教学模式

翻转课堂是一种以学生为中心的新教学方式。其教学模式由传统的“课堂讲解+课后巩固练习”转变为“课前自主学习+课堂深度互动”，具体为学生在课前自学老师指定的相关网络视频或者多媒体资源，将相关难点通过邮箱等方式反馈给老师，然后由教师在课堂上将学生反馈的难点加以阐述，使课堂上的总结引导更具有针对性，从而提高学生的学习效率[6]。基于翻转课堂的教学策略，在课前一到两周，教师通过QQ平台建立农业信息化技术课程的QQ群。在充分考量课程大纲和专业需求后，教师提前发布学习任务，并分享了一系列有助于学生自主学习的资源，包括课程资料、相关案例分析以及视频讲座等。确保学生能够在正式上课之前对即将学习的内容建立起初步的了解和基本的认识，为后续的深入学习打下坚实的基础。随后，教师根据学生的研究方向和个人兴趣，鼓励自由分组，每组由4到6人组成，并由组内成员自荐产生组长。这样的分组旨在促进学生之间的交流与合作，同时使他们能够更加灵活地探讨各自感兴趣的专题。每个小组的成员需互相协作，共享彼此找到的优秀资料，并对学习成果进行汇总，最终形成一份PPT演示文稿。在授课阶段，教师采用随机点名的方式，选择一名组内成员来介绍和讲解该组所有成员汇总的主要内容。被点名的学生不仅要展示自己组的成果，还要能够清晰、准确地传达组内的集体智慧。演讲结束后，其他同学需积极参与，提出问题或补充观点，开展互动式的讨论。这不但能增强学生间的互动，同时也能检验他们对讲解内容的理解和掌握程度。最后，教师将对课程中的重点和难点进行再次梳理和总结，帮助学生巩固知识点，解答他们在自主学习和小组讨论中遇到的问题。此外，教师还会提供进一步的学习指导和建议，确保学生能够将理论知识与实际应用有效结合，提高他们的综合运用能力。

2.4" 基于OBE的教学模式

基于成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）的教育模式。OBE是一种以学生为中心的教育模式，它强调根据预设的教育目标和学习成果来指导课程设置、教学实施和人才培养[7-9]。这种教育模式起源于20世纪80年代的美国，由学者William G.Spady提出，并在北美的一些州和地区的学校或学科领域内通过OBE的方式提升学生的学业成就。随着时间的推移，OBE理念逐渐在全球范围内得到认可和应用。在美国，OBE被广泛应用于中小学教育以及高等工程教育和医学教育中。英国和日本等国家也采纳了OBE模式，将其融入到教育实践中，以提高教育质量和学生的学习成果。此外，加拿大等国家也将OBE作为教育改革的主流理念，以迎接新工业革命对高等工程教育的挑战，并适应公共问责制的兴起，关注教育投入的回报与实际产出。在OBE模式下，教学活动的设计、实施和评价都以预期的学习结果为依据，这些学习结果通常包括知识掌握、技能熟练以及态度形成等方面。

OBE教育理念并没有规定固定的教学方法和评估模式，而是提倡教育工作者在教学过程中尽可能地使学生的学习内容、考核及评估方式与预设目标相一致。因此，在农业信息化技术课程的教学中，我们采纳了结合OBE理念的“SPOC（Small Private Online Course）+讨论式”教学模式。SPOC，即小规模私人在线课程。学校购买了部分中国大学MOOC平台的独立SPOC课程。通过SPOC，学生能充分利用碎片时间，自主学习这些MOOC课程和各类学习资源。根据实际使用情况，MOOC和SPOC的区别在于，MOOC也可以实现学生自主学习，但是教师看不到学生的学习记录;而SPOC则可以分班查看每位学生的视频学习情况、线上作业记录以及线上的交流发言[10]。在SPOC模式下，教师能够更好地跟踪和监控每位学生的进度，提供针对性的反馈，并根据学生的学习情况调整教学内容和节奏。在农业信息化技术课程中采用SPOC模式意味着，课程的在线部分将通过专门的平台进行，如中国大学MOOC平台。教师可以根据课程目标和学生的学习需求筛选适合的教学资源，包括视频讲座、阅读材料、习题练习等，并组织在线讨论以促进学生之间的交流和思考。结合讨论式教学法，这种模式鼓励学生主动参与课程内容的学习和讨论。教师会在课堂上设计主题讨论环节，提供相关资料，启发学生的思路，并引导学生得出结论[11]。

在本研究中，教师首先明确了农业信息化技术课程的教学目标，例如：课程要求学生应能理解并应用信息化技术解决海洋水产养殖中的实际问题，能对海洋水产养殖智能化趋势进行批判性思考等。然后，根据这些目标设计出相应的教学活动，首先教师将教学内容分成农业信息化概论、物联网理论及应用、水产养殖案例分析、嵌入式方案在海洋养殖中的应用、海洋牧场的智能监控系统设计五个模块[12]，针对学习目标开展以海洋养殖智能化为主题的专题讲座，随后分小组针对当前技术以及未来海洋养殖行业发展方向进行深入讨论，在该过程中教师提供SPOC资源，并要求学生独立学习，了解物联网智能制造概念、水产养殖概念、物联网在海洋牧场中的应用等知识，随后学生需对针对海洋养殖智能化的具体案例进行分析，最终教师以项目方案表，项目汇报PPT等形式来检测学生的学习进度和效果，以确保他们达到预定的学习目标。此外，OBE模式还强调反馈与改进，教师会定期收集学生的反馈，并根据反馈调整教学内容和方法，以优化教学效果。通过这种模式，学生不仅能够系统地掌握农业信息化技术，还能够提高自主学习和终身学习的能力，培养解决问题的创新思维。

3" 取得成效

CBL模式通过引入具体案例，使学生在解决实际问题的过程中学习和掌握知识，提高了学生的问题解决能力、批判性思维和决策技能。同时，教师的引导和促进角色，也使学生在学习过程中更加主动和积极。PBL模式则以问题为起点，让学生自主研究问题背景，查找资料，并讨论问题，以此构建知识和理解。这种模式不仅提高了学生的问题解决能力，还培养了他们的批判性思维、自主学习能力和团队合作精神。翻转课堂模式通过提前发布学习任务和资源，让学生在课前自主学习，然后在课堂上进行讨论和实践。这种模式使学生能够更深入地理解课程内容，同时也提高了他们的团队协作和沟通表达能力。基于OBE的教学模式使农业信息化技术课程的教学过程更为高效和目标明确。学生们能够根据教师设定的学习成果自主学习，同时在实践活动中不断优化问题解决策略。教师通过定期评估学生的进步，并调整教学计划，确保每个学生都能达到预期的学习目标。激发了学生的学习潜能，使他们在掌握专业知识的同时，也具备了解决复杂问题的能力。总的来说，这四种教育模式都能有效提高学生的实际应用能力和自主学习能力，有助于培养他们成为具有创新精神和研究兴趣的农业信息化技术专业人才[13]。

4" 结束语

农业工程与信息技术领域作为一个多学科交汇的创新领域，对于教学策略的选取尤为关键。这一学科不仅融合了计算机科学、电子信息、电气工程等技术知识，还包含了数据分析、机器学习、物联网和自动化控制等前沿技术，对教学提出了更高的挑战。在这样的背景下，以应用能力训练为导向的现代化教学模式显得尤为重要。这些教学模式都强调了以学生为中心，推崇主动学习和深度参与，旨在提升学生的学习热情与效果。然而，面对不同背景知识、技能水平和学习风格的学生，如何灵活适配并优化这些教学方法，确保它们能够更好地服务于学生的个性化学习需求，是教育工作者需要继续深入研究的课题。未来的教学实践应不断探索，结合学生的具体情况和专业的实际需求，设计更加高效、互动和个性化的教学方案，以培养具备创新精神和研究潜力的农业信息化技术专业人才。

参考文献：

[1] 夏晨.乡村振兴背景下农科研究生综合素质提升研究[D].北京：中国农业科学院，2021.

[2] 杨明金，杨仕，杨玲.农业工程与信息技术专业硕士学科内涵、实践困境与实施对策[J].四川农业与农机，2022（4）：23-24，30.

[3] 赵丽丽，张宇君，高洋，等.“双一流”背景下草学研究生创新能力培养与教学改革的思考[J].智慧农业导刊，2023，3（24）：153-156.

[4] 李稻，韩玉慧，蒋益，等.医学基础教育中PBL和CBL两种教学模式的实践与体会[J].中国高等医学教育，2010（2）：108-110.

[5] 常咏梅，李馥蕙，危齐敏.基于PBL的混合学习活动设计研究[J].电化教育研究，2023，44（3）：122-128.

[6] 陈琪，岳文涛.翻转课堂和PBL模式在精准医学教学中的应用[J].实验室研究与探索，2020，39（12）：226-228，289.

[7] 任瑞芬，杜淑辉，田旭平，等.花卉学课程教学改革研究——以OBE理念为导向[J].智慧农业导刊，2024，4（4）：121-124.

[8] 刘杰，赵永强，刘晋钢.基于OBE理念的“C程序设计”课程教学改革与探索[J].教育理论与实践，2022，42（3）：61-63.

[9] 张志杰，李月莹，张楠，等.基于OBE理念的“大学英语”混合式教学课程思政设计与实施——以通化师范学院为例[J].通化师范学院学报，2022，43（1）：140-144.

[10] 冯燕尔，刘娟意.OBE理念下“随机过程及信号处理”课程教学实践与探索[J].浙江海洋大学学报（人文科学版），2022，39（2）：101-105.

[11] 肖鹏，葛渊峥，郝雪.OBE+CIPP课堂评估模式探究[J].高等工程教育研究，2021（6）：176-182.