劉明明，孫居彥，張光騰，賈孝偉，劉印增

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

基于國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求，2019 年教育部積極推進(jìn)“新農(nóng)科”建設(shè)，形成了“安吉共識(shí)—中國(guó)新農(nóng)科建設(shè)宣言”， 宣言中指出：“新時(shí)代新使命要求高等農(nóng)林教育必須創(chuàng)新發(fā)展，沒有農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，就沒有整個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化，新時(shí)代對(duì)高等農(nóng)林教育提出了前所未有的重要使命[1]”。在新農(nóng)科建設(shè)背景下，人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等交叉融合技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加速應(yīng)用，智能化全面融入農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，同樣傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備也亟需向智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)[2-3]。黨的二十大報(bào)告指出：“建設(shè)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化和實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，要強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備， 提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的信息化、智能化水平”。 現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備也被列為 《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)突破的十大領(lǐng)域之一，這些新形勢(shì)對(duì)新時(shí)代農(nóng)林院校智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新要求。

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院為適應(yīng)國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求，開設(shè)了機(jī)械電子工程專業(yè)（智能農(nóng)業(yè)裝備方向），并組建了智能農(nóng)業(yè)裝備課程群，旨在培養(yǎng)具有智能農(nóng)業(yè)裝備工程素養(yǎng)，能夠從事農(nóng)業(yè)裝備工程領(lǐng)域的科研、工程技術(shù)和管理等方面工作的應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才。

1 智能農(nóng)業(yè)裝備課程教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院智能農(nóng)業(yè)裝備課程群以農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)、農(nóng)學(xué)概論、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科為主體，構(gòu)建了智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)課程培養(yǎng)體系。課程系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋了耕、種、管、收、運(yùn)、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的典型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。 智能農(nóng)業(yè)裝備課程群具有：課程內(nèi)容多、學(xué)科交叉融合深、對(duì)智能農(nóng)業(yè)裝備人才的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力、專業(yè)融合能力要求高等特點(diǎn)[4-5]。目前，課程現(xiàn)狀和存在問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：

1.1 課程內(nèi)容多且分散，系統(tǒng)性不強(qiáng)。

智能農(nóng)業(yè)裝備不同于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，課程內(nèi)容涉及機(jī)械、信息、控制、智能等多方面知識(shí)，具有學(xué)科跨度大，課程內(nèi)容多、學(xué)科交叉融合深，對(duì)專業(yè)課老師的專業(yè)綜合能力要求高等特點(diǎn)，目前教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在著各專業(yè)課講授時(shí)課程相對(duì)獨(dú)立，知識(shí)的連續(xù)性、銜接性、系統(tǒng)性不夠強(qiáng)等問(wèn)題。

1.2 課程資源相對(duì)少， 教學(xué)內(nèi)容與農(nóng)業(yè)特色結(jié)合不緊密。

智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)作為新興專業(yè)， 存在著配套專業(yè)課程教材資源少， 而且課程內(nèi)容農(nóng)機(jī)農(nóng)藝農(nóng)信的融合度低等問(wèn)題。人工智能、機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展迅速，而課程內(nèi)容的更新相對(duì)滯后。

1.3 課堂教學(xué)方式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低、工程實(shí)踐能力弱。

課堂教學(xué)以傳統(tǒng)的講授為主，且部分同學(xué)生活在城市， 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的知識(shí)相對(duì)欠缺，這些情況造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低、 學(xué)生創(chuàng)新性不足，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力不足。

1.4 課程思政元素挖掘少， 知農(nóng)愛農(nóng)強(qiáng)農(nóng)情懷不深。

很多同學(xué)普遍存在“在農(nóng)村與農(nóng)機(jī)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)打交道，技術(shù)含量低，工作環(huán)境惡劣，收入有限”的認(rèn)知誤區(qū)，畢業(yè)后從事農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)社會(huì)理想和社會(huì)責(zé)任感趨向平實(shí)、平淡。然而，當(dāng)前我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，農(nóng)村空心化、農(nóng)民老齡化現(xiàn)象日趨明顯，使得“誰(shuí)來(lái)種地、誰(shuí)來(lái)務(wù)農(nóng)”的問(wèn)題日益突出，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施亟需大量身懷 “知農(nóng)、愛農(nóng)、踐農(nóng)”情懷，以強(qiáng)農(nóng)興農(nóng)為己任的高素質(zhì)創(chuàng)新型智能農(nóng)業(yè)裝備科技人才，因此，課程思政育人亟需加強(qiáng)。

2 基于CDIO 模式的項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施

CDIO 工程教育模式是一種依托于實(shí)踐項(xiàng)目的創(chuàng)新性教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)以具體項(xiàng)目作為教學(xué)組織方式、以實(shí)踐作為主要學(xué)習(xí)方式、以任務(wù)作為驅(qū)使學(xué)生展開學(xué)習(xí)的動(dòng)力[4-5]。 CDIO 包括：構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）、運(yùn)行（operation）四個(gè)階段，CDIO 教學(xué)模式以具體項(xiàng)目為載體，通過(guò)四個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新意識(shí)等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的提升[6]。結(jié)合新農(nóng)科建設(shè)的內(nèi)涵和要求， 本文借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機(jī)”項(xiàng)目教學(xué)為例，探索新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，智能蘋果園施肥機(jī)CDIO 項(xiàng)目教學(xué)模式與實(shí)施框架，如圖1 所示。

圖1 智能蘋果園施肥機(jī)CDIO 項(xiàng)目教學(xué)模式與實(shí)施框架

2.1 項(xiàng)目構(gòu)思

我國(guó)蘋果產(chǎn)量居世界第一，但是果園綜合機(jī)械化率僅為5.75%，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移加快，從事果園生產(chǎn)的勞動(dòng)力短缺，“誰(shuí)來(lái)種果樹、誰(shuí)會(huì)種果樹”已經(jīng)成為制約蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，特別是在果園施肥作業(yè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)得尤為突出，目前果園施肥存在施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力成本高、施肥效果差、施肥不均勻等亟需解決的問(wèn)題。 課程通過(guò)一系列項(xiàng)目背景導(dǎo)入，使同學(xué)們深刻地認(rèn)識(shí)到果農(nóng)對(duì)果園施肥機(jī)需求的緊迫性，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決果農(nóng)實(shí)際問(wèn)題的興趣和成就感， 增強(qiáng)學(xué)生知農(nóng)愛農(nóng)，科技報(bào)國(guó)的責(zé)任感和使命感。 項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施以6-8 人一個(gè)小組的方式進(jìn)行，首先完成智能蘋果園施肥機(jī)需求項(xiàng)目任務(wù)，任務(wù)包括：調(diào)研智能蘋果園施肥機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀，與潛在果農(nóng)用戶溝通并記錄具體施肥農(nóng)藝需求，編制并填寫智能蘋果園施肥機(jī)性能參數(shù)表，如圖1 所示。

表1 智能蘋果園施肥機(jī)性能參數(shù)

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.2.1 方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)包括：總體方案設(shè)計(jì)、施肥機(jī)械部分設(shè)計(jì)、施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 智能蘋果園施肥機(jī)帶有GPS 定位系統(tǒng)， 通過(guò)STM32 單片機(jī)控制整機(jī)運(yùn)行， 當(dāng)機(jī)器行駛到到蘋果園不同位置時(shí)，施肥機(jī)按照蘋果園施肥作業(yè)處方圖的要求由施肥機(jī)械部分開出肥溝，施肥控制系統(tǒng)控制排肥器完成變量施肥，智能蘋果園施肥機(jī)項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)流程，如圖2 所示。 項(xiàng)目實(shí)施分工為：2 名同學(xué)負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2 名同學(xué)負(fù)責(zé)施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，1-2 名同學(xué)負(fù)責(zé)樣機(jī)調(diào)試和測(cè)試，1 名負(fù)責(zé)成本控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制等任務(wù)。項(xiàng)目實(shí)施開展過(guò)程中，小組成員需團(tuán)結(jié)協(xié)作、合理分工、充分論證完成智能蘋果園施肥機(jī)方案設(shè)計(jì)，教師協(xié)助論證設(shè)計(jì)方案的可行性，及時(shí)為學(xué)生答疑解惑。

圖2 智能蘋果園施肥機(jī)項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖

2.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)是對(duì)總體方案設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)化，主要任務(wù)是對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。小組成員需按照總體方案設(shè)計(jì)要求， 運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，利用相應(yīng)的工具和平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)。下面以施肥控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，施肥控制系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)機(jī)器行駛到蘋果園不同位置時(shí)，施肥機(jī)按照蘋果園施肥作業(yè)處方圖的要求由施肥機(jī)械部分開出肥溝，施肥控制系統(tǒng)控制排肥器完成變量施肥，該任務(wù)需要學(xué)生完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)選型、電源模塊設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)、通信模塊、排肥控制、GPS 模塊、超聲波等硬件設(shè)計(jì)選型及電路板繪制。 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：主程序、變量施肥控制、超聲波測(cè)距、GPS 定位等程序編寫、調(diào)試、測(cè)試等任務(wù)。 教師在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中提供項(xiàng)目資源及技術(shù)支持，同時(shí)，各項(xiàng)目小組成員在項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下自主學(xué)習(xí)，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉自主學(xué)習(xí)和專業(yè)知識(shí)的工程實(shí)踐能力。

2.3 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段是整個(gè)項(xiàng)目教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，項(xiàng)目小組通過(guò)構(gòu)思、設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的鍛煉，接下來(lái)需要完成項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，即將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品圖紙轉(zhuǎn)換成具體的實(shí)物產(chǎn)品。此階段項(xiàng)目小組需共同協(xié)作完成開溝施肥機(jī)械零部件組裝， 電氣元件安裝、接線、程序調(diào)試等工作，并對(duì)安裝調(diào)試的智能蘋果園施肥機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)整個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致精益求精的工匠精神。

2.4 項(xiàng)目運(yùn)行

項(xiàng)目運(yùn)行階段主要任務(wù)要求是保證智能蘋果園開溝施肥機(jī)工作時(shí)運(yùn)行順暢， 施肥作業(yè)效果達(dá)到項(xiàng)目任務(wù)中規(guī)定的性能參數(shù)， 在條件允許的情況下在蘋果試驗(yàn)園內(nèi)對(duì)果農(nóng)進(jìn)行樣機(jī)技術(shù)推廣應(yīng)用示范，模擬編寫產(chǎn)品說(shuō)明書，進(jìn)行市場(chǎng)推廣。

2.5 項(xiàng)目實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)學(xué)生訪談、填寫調(diào)查問(wèn)卷、考核關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)等方式， 證明了 “智能蘋果園施肥機(jī)”CDIO 項(xiàng)目教學(xué)模式能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力等得到有效提升。 教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)CDIO 項(xiàng)目教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，“以賽促練、以賽促學(xué)”做到課賽融合，在參與競(jìng)賽過(guò)程中，鍛煉學(xué)生理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的能力，例如筆者利用 “智能蘋果園施肥機(jī)” 項(xiàng)目產(chǎn)品參加2023 年山東省機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽并獲得一等獎(jiǎng)， 參與學(xué)生申請(qǐng)并授權(quán)實(shí)用新型專利1 項(xiàng)，并發(fā)表科研論文1 篇。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合新農(nóng)科建設(shè)的內(nèi)涵和要求，本文積極探索新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機(jī)”項(xiàng)目教學(xué)為例，開展項(xiàng)目的“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行” 四個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)改革論述，同時(shí)，結(jié)合新時(shí)代國(guó)家對(duì)農(nóng)林院校學(xué)生的要求，教學(xué)實(shí)施過(guò)程中融入課程思政要素，實(shí)現(xiàn)課程思政育人。 教學(xué)實(shí)踐表明：新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，能夠有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力， 創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、 知農(nóng)愛農(nóng)情懷顯著增強(qiáng)， 通過(guò)CDIO 項(xiàng)目式教學(xué)積極探索培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型智能農(nóng)業(yè)裝備科技人才，為國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求提供人才保障。