支撑“双一流”学科发展的新农科实践教学基地建设探讨

孔德栋，宋文坚，吴正辉，齐振宇，洪之奇，黄冲平

（浙江大学 农业试验站，浙江 杭州 310058）

近年来，随着植物基因组学和生物信息学的快速发展，浙江大学涉农类学科相关领域高水平论文叠出，个别领域在国内外形成显著的竞争优势。同时，随着信息技术的快速发展，从中央到地方政府乃至种养殖大户和农民专业合作社对智慧农业、高科技设施农业、绿色循环农业的需求越来越强烈。如何利用我校学科门类齐全，交叉研究基础较好的特色，进一步促进涉农领域“双一流”学科的发展和人才培养，并能对非农领域的“双一流”学科起到一定的带动作用，建设一个创新型、综合性、多功能和面向未来发展的新农科实践教学基地成为学校的一个重大课题。

我校农科实践教学基地是涉农学科开展实践教学和科学研究的重要支撑平台，近年来已经取得了比较明显的成效，共建成校内外基地 4 个，占地总面积1.13 km2，包括各类高标准试验农田1.112 km2，以及人工气候室、科研温室、植物工厂等各类农业科研教学设施39 323 m2、综合实验室4 450 m2，教学科研辅助用房15 328 m2。目前已获得国家级农业科技园核心区、国家农业科技创新与集成示范基地、农业转基因生物试验基地、教育部农林院校试点实践基地、全国科普教育基地等称号[1-2]。为了适应新的发展形势，特别是巩固第四轮学科评估涉农学科A+“双一流”学科占到全校 1/3 的成绩和优势，学校决定在紫金港校区投资 1.1 亿元，建设新农科实践教学基地。基地建设方案于2018 年完成可行性研究报告并上报教育部，同年顺利获批列入“双一流”建设计划，2019 年完成项目招标及图纸深化设计，2020 年启动建设。

1 新农科实践教学基地的建设思路

1.1 建设目标

紧紧围绕涉农学科“双一流”建设总目标和中央关于新农科建设的部署，充分发挥学校学科综合交叉优势，在建设过程中强化涉农学科与工学、信息学、医学、理学、人文社会科学等其他学科的交叉融合，对标世界一流农业试验站和农科实践教学基地，努力建成具有浙大特色、国内领先的农业科技创新实验中心和实践教学基地。中心建成后将为涉农及其交叉学科的人才培养、科学研究、科技创新、成果转化及集成展示等提供更优质的软硬件支撑，为学生开展实践教学、创新创业、文化创意等提供更丰富的平台和服务，为服务国家振兴乡村等重大战略提供强大支撑，同时能为全校师生提供更优美的农业田园生态休憩空间。

1.2 主要建设思路

除了实现上述总体目标以外，在可行性研究报告和实际建设中，农业试验站作为具体建设单位还将努力把握好以下几个方面的原则和思路。

（1）满足当下和适度超前的有机统一。一方面要确保满足涉农学科目前乃至未来5~10 年内的确切需求，另一方面在结构与工艺上尽量保证足够的空间，对植物生命科学未来可能发生的突破性、革命性的发展需要留下适度空间。实际操作中对标洛桑试验站等世界一流农业试验基地，采用国内外先进技术和工艺，既要保证设施设备的先进性和扩展能力，又要保证系统安全稳定运行，以满足未来教学科研不断发展的需求。

（2）科学研究与实践教学的有机统一。教师和学科的需求，特别是不同学科的需求非常细化，对各类温室、人工气候室、植物工厂等即使同一类型设施设备，其建设的目标和需求有时也是南辕北辙。当本科生、硕士、博士生参与到教师和学科的科研项目中开展实践教学时，矛盾相对较小；而大班化、小组型实践教学时，就需要相对规范且规模化的设施设备条件，因此把握适当的尺度，将科学研究与实践教学有机统一十分重要。实际建设中，通过合理的功能分区、同类设施设备功能相对梯度区分，设计统一的操作系统界面等方便师生操作，同时也开发个性化定制操作界面以满足不同课程类型的实践教学发展需要。

（3）交叉性与展示性的有机统一。通过多学科的融合，打造丰富多样的先进展示平台，设施实验区展示先进的农业科研设施、新型能源系统等；教学展示区展示系列智能农机装备、丰富的各类标本等；农田实验区采用生态化、园林化设计，打造特色农业主题景观；滨水景观区打造集水体净化、科研教育和观赏效益为一体的新型校园湿地景观。既打造校园景观亮点，又能满足涉农学科及其交叉学科的实践教学需求。

2 新农科实践教学基地的主要建设内容

规划建设面积0.135 km2，总投资1.1 亿元，科研设施总面积17 000 m2，包括设施实验区、大田实验区、教学展示区和滨水景观实验教学区等4 大功能区块。

2.1 设施实验区

设施实验区是新农科实践教学基地的核心，以满足植物基因组学、生物信息学、智慧农业、设施园艺以及与农业生物环境和环境控制工程、能源工程等相关学科科学研究和实践教学的最新需求和未来发展为目标的功能区块[3-4]。

该区块建设包括综合控制中心、能源中心、植物工厂300 m2、生态生保气候室300 m2、植物表型平台300 m2、人工气候室640 m2、教学展示温室1400 m2、科研温室1400 m2、实验温室4000 m2、控虫网室1000 m2、玻璃顶网室1600 m2等。

（1）综合控制中心。集成农田信息感知、水肥一体化精准控制（水质监测）、人工气候室运行状态及全部参数、植物工厂设备状态与环境及智能设备控制、温室环境监测与智能调控、新能源在线监测系统、农田小气候等一体化的监测与控制分布式系统完全融合于同一平台的感知和控制系统。并具有远程分布式系统管理功能，可以预留将校内外试验基地进行全部网络在线监测，同时预留未来将学校智慧农业在全国实施和示范案例进行统一集成指导控制与展示（分布全国各省市，预计容量500 家左右），建立起总控制平台的大数据存储与分析系统。

（2）能源中心。新农科实践教学基地能源系统结构功能布局见图 1，基地依托环境工程、能源与环境工程、农业机械化工程、园艺学、作物栽培与耕作学等学科交叉优势，构建新型太阳能、生物质能、燃料电池等新能源体系，为智能温室、植物工厂等加温、降温和自动控制提供能源，并结合生态循环农业模式，创新能源利用方式，实现绿色能源循环，既达到零排放目标，又为低能源消耗的新型智能温室、植物工厂研制和产业化推广提供新的技术途径[5]。

图1 新农科实践教学基地能源系统结构功能布局

（3）植物工厂。以LED 冷光源利用为主要特征，在全封闭和全人工的环境下，对植物生长发育的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度以及营养液等环境因子进行高精度的自动化控制，实现农作物周年连续生产的高效农业系统[6-7]。包括环境闭锁密封系统、人工光系统、空气相对湿度保证系统、空气循环流通系统、二氧化碳补充系统、营养液自动控制与供给系统、物理杀菌系统、温度控制系统、计算机自动控制及远程控制系统、视频监控与图像传送系统等。满足农业机械化工程、控制科学工程、光学工程、计算机科学与技术、生物工程、植物营养学、园艺学等学科单独或交叉的科学研究和实践教学功能。

（4）生态生保气候室。能够真实地模拟完全密闭情况下生物相互依存生长的生态生保环境。可以为生物之间气体平衡、营养平衡搭建可操作的实验平台。为未来科学研究的可能性留有充足的冗余设计。要求舱体完全密闭，在空间上尽量模拟真实的太空舱空间，以达到真实模拟的效果。在结构的设计上，设计有对接法兰装置，方便以后结构和功能扩展。生态生保气候室包含温湿度调节系统、营养液处理系统、气体平衡系统、植物生长系统、固体废弃物处理系统、饮用水补给及回收再利用系统、自动控制系统、应急预警系统等。可以为农作物太空育种、航空航天科学以及物理学等相关学科，以及植物工厂平台提供的相关学科的科学研究和实践教学提供支撑。

（5）植物表型平台。基于“sensor-to-plant”理念设计的高通量植物表型平台。利用温室现有结构，安装可以在温室内自动化纵向移动的桁架平台和在桁架上横向移动的传感器平台。平台上搭载先进的传感器，实现对温室内大批量植物的高通量表型测量。整套系统全部定制化设计，能够满足各种温室、大棚环境需求，能够搭载目前已知的绝大多数传感器，为植物基因组学、生物信息学、植物逆境生理学、表观遗传学、植物精准育种等新学科，以及遥感、农业自动化控制和生物系统工程等学科的发展提供支撑[8-9]。

（6）人工气候室。干热风灾害模拟气候室、霜害模拟气候室、高温胁迫气候室、CO2梯度对比气候室、常规植物气候室等。人工气候室因根据模拟的环境不同，要求不同，进行独立设计。涉及的配套系统包括：恒温恒湿系统、LED 补光系统、自然通风系统、外遮阳系统、内遮荫二层保温系统、防滴露系统、补温系统、顶喷淋系统、给排水系统、苗床系统、计算机控制系统、电气系统等，是动植物研究相关科学最通用的设备和装置，在涉农学科的实践教学中应用也最为广泛[10]。

2.2 大田实验区

大田实验区是涉农学科最重要的实验和实践教学基地，无论是与课程教学紧密相关的实验教学，还是基于各类重大科研项目开展的前沿性实验、实践教学，都需要大田实验区的支撑。大田实验区包括两个方面的建设。

（1）各类动植物生产标本园。建设作物标本园2 000 m2、蔬菜标本园2 666.4 m2、果树标本园4 000 m2、茶叶标本园2 000 m2、蚕桑标本园1 333.2 m2、宿根花卉标本园1 333.2 m2、珍稀濒危植物标本园666.7 m2、旱作实验园5 332.8 m2、水田实验园5 332.8 m2、学生劳动课实训园2 666.4 m2等，支撑涉农学科实验实践教学和非农学科的部分劳动课实践教学。

（2）农田物联网建设。农田物联网可以为农作物新品种选育、植物基因资源的挖掘和功能鉴定等提供农田水分养分以及各种大田环境信息的实时检测数据，根据各种教学和科研项目的需要提供大田水肥一体化的管理。核心设备采用的是我校自主研发的作物养分UAV 机载式光谱检测仪和车载土壤养分动态检测仪。该系统包括气象信息监测、车载土壤养分检测、无人机机载作物养分光谱检测设备。形成空天地一体化信息感知体系和应用系统。可在环境、作物、土壤信息在线感知基础上，实现精准水肥一体化控制与环境预警应用，未来将涵盖农田病虫害智能检测和管理，为高水平的现代化农业提供全方位支撑，同时也提升大田作物科学相关学科的实验、实践教学水平[11-12]。

2.3 教学展示区

教学展示区占地2 100 m2，包括标本馆和智能农机装备实验教学中心。其中标本馆占地600 m2，可以满足土壤、昆虫、作物等标本教学展示。智能农机装备实验教学中心1 500 m2，包括大型农机装备展示区、小型农业机器人展示区、智能农机装备展示区、UAV无人机展示区、综合农业智慧化服务平台等，满足先进农业机械装备教学展示，支撑农业机械化工程等学科发展和实验实践教学[13]。

2.4 滨水景观实验教学区

该功能区的建设内容包括水生植物园、农业文化广场、名人长廊、亲水平台、景观小品等，既打造校园景观亮点，又能满足生态学、植物学、园林等学科实验实践教学，还可用于对中小学生开展植物及生态科普教育。

3 新农科实践教学基地的运作机制与管理模式

新农科实践教学基地建设已进入后期阶段，将于2020 年底基本建成，主要运作和管理将由建设运行主体单位浙江大学农业试验站承担。除了原有的实验设施运作管理模式之外，建成以后的实践教学基地在支撑“双一流”学科建设和高层次人才培养方面要进一步创新运作机制和管理模式。

（1）要更加突出教学优先、科研引导的原则。人才培养是我校建设世界一流大学的初衷和根本出发点。建成以后的新农科实践教学基地，要进一步加强与“农业生物学国家级实验教学示范中心”等涉农相关学院实验教学中心的互动与合作，充分发挥新基地支撑“双一流”学科相关专业的本科生、硕博士生的课程实验实习教学功能。设施设备和场地的使用以教学需求为优先，教学科研一体化项目次之，然后再考虑国家重点科技计划等纯科研项目的需求。实际工作中，所有的重点科研项目均包含了不同程度的教学实验实习内容，特别是前沿性重大科研项目需要硕士生和博士生的参与。而不断提升实验实践教学的内涵，也需要前沿性、探索性科研项目为引导。但由于新基地位于校内，无法承载我校涉农学科巨大的科研项目体量，所以在资源配置的实际运作中要更加突出教学优先、科研引导的原则，必须保障本科实验实践教学主要在校内完成。

（2）要突出前沿性研究与产学研的结合。新基地的设计和建设中，预留了不少高科技产业化的空间和环节，农业试验站可以与相关学科合作，引导学生积极参与或以学生为主，进一步研发出具有产业化价值的设施设备和特色农产品，推进我国农业现代化的发展。对有浓厚兴趣的企业和国内外合作示范基地，可以新基地的某一设施设备、科研产品为基础，结合校外示范基地的农地资源优势、有关企业的资金优势和销售渠道优势，进一步提升产学研结合的发展水平，为基地的长期发展拓展资源和空间。进一步加强对我校中非“华友刚果（金）现代农业示范园区”的指导，示范新基地研发成功的农业新品种、新技术、新方法。

（3）要进一步加强国际交流和合作，全面提升基地支撑实验实践教学的水平。新基地建成以后，在若干设施设备方面可以与世界顶尖涉农大学媲美，但在原创性人才培养的理念和方式方法上仍有较大的差距。农业试验站要通过走出去、请进来等多种形式，学习、借鉴和创新实验实践教学的理念、思路和教学模式。同时，要依托学科加强国际交流，引进国外顶尖人才参与到新基地设施设备的使用中，给予高水平国际合作项目使用新基地设施设备必要的优先权，支撑涉农和相关“双一流”学科的前沿科学技术发展，全面提升基地支撑涉农和相关“双一流”学科发展及实验实践教学的水平，真正发挥新基地的设施设备优势和效用。