基于物联网技术的高职蔬菜生产技术课程改革与实践

张静 王奎萍 李丽 刘萍 褚军 薛芗

摘 要：依托扬州市职业大学校内实训基地的物联网系统，从课程标准、教学内容、教学方法与手段、实践教学等方面探讨了高职“蔬菜生产技术”课程的教学改革与创新。通过改革提升了学生的专业兴趣，激发了学习的主动性，增强了学生的专业技能，课程的教学质量和效果提升明显。

关键词：物联网;蔬菜生产;课程改革

中图分类号 G434 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）24-0130-04

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，农业物联网是物联网技术在农业领域的应用，是通过应用各类传感器设备和感知技术，采集农业生产、农产品流通以及农作物本体的相关信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网和互联网进行信息传输，将获取的海量农业信息进行数据清洗、加工、融合、处理，最后通过智能化操作终端，实现农业产前、产中、产后的过程监控、科学决策和实时服务。农业物联网可以实现农业环境的远程监测和控制，从而实现农业管理的智能化、集约化、高效化，是实现农业现代化的关键技术之一[1]。

蔬菜生产技术是高职园艺技术专业的核心课程之一，在园艺专业人才培养中发挥重要作用。该课程主要研究蔬菜的生长发育和产品形成规律及其与环境条件的关系，并探讨实现蔬菜持续高产、优质、高效的栽培理论和栽培技术[2]。目前该课程的课程改革集中在SPOC教学模式创建、实践教学探索、“互联网+”在蔬菜栽培学教学改革与创新中的应用、课程研究型教学模式的探索与实践等方面，而将物联网技术用于该课程的教学改革与实践未见报道[2-5]。扬州市职业大学承担了2018年江苏省现代农业产业项目——基于物联网的现代设施园艺生产与示范，校内的实训基地新建了现代物联网系统，以此为依托，笔者从2020年开始在本校18级、19级学生中开展了两轮基于物联网技术的蔬菜栽培学课程改革实践与探索。

1 蔬菜生产技术课程及其教学现状

蔬菜生产技术课程面对园艺技术专业二年级学生开设，先后经历秋、春2个学期，前導课程是植物及植物生理、植物生长环境、农业基础化学，同期开设课程有园艺植物保护、设施园艺等课程，要求学生综合运用前面所学的知识进行蔬菜植物的生产与管理，是一门综合性、实践性、应用型很强的学科。蔬菜栽培技术教学分为理论和实践两大模块。理论教学内容有蔬菜的理论基础知识和基本技能，包括蔬菜的分类、生长发育及播种、育苗、田间管理技术等（即总论）;以及各类蔬菜栽培技术（即各论），包括白菜类、根菜类、葱蒜类、薯芋类、茄果类、瓜类、豆类、绿叶菜类等，涉及蔬菜种类多，因为课时的关系，无法一一具体讲授。实践教学分为课程实验实训和实习，实习一般是一段时间内（1～2周）集中性的蔬菜生产技术的体验，安排在校内外的实训基地;而实验课实训课安排开设不同蔬菜从种子到收获的实际生产栽培管理项目。如番茄设施育苗技术实训，播种时间是冬季12月（扬州地区），苗期为3个月，历经寒假，故该实训项目无法开设;同样因为暑假的原因，很多蔬菜的越夏栽培生产管理无法进行，这些实训相关项目无法开设。

农业生产受气候等环境因素的影响较大。有些田间实训项目的开展，如果遇到下雨等恶劣气候条件会延期，就错过了生产管理的最佳时期。校内实训基地因为空间有限，种植的蔬菜种类和数量受限，导致学生的实践项目开设受限。

教师在进行蔬菜生产技术课堂讲授时，虽然借助于教学课件、视频、微课等资料，也进行了情境式、启发式、探究式等多种教学方法的尝试，但现有的教学方式由于教学手段和教学资源的匮乏，有些学生依然改变不了对于农业“脸朝黄土背朝天”传统认识，在一定程度上对学习缺乏新鲜感，专业兴趣不浓，对学习缺乏必要的主动性。鉴于此，采用创新的教学手段来提高学生的专业兴趣，促进学生自主学习，提高课程的实践效果，刻不容缓。

2 基于物联网技术的蔬菜生产技术课程改革的意义

2.1 物联网系统及其功能 扬州市职业大学校内实训基地在露地生产区和玻璃温室区安装了物联网系统，通过温室内部署的各类无线传感器（空气温湿度传感器、土壤含水量传感器等）等，可以用来监测温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照度、CO2浓度等环境参数，实现自动采集农产品生产环境因子数据的功能。其次在温室内安装了各类控制器（如智能照明控制器、苗床水泵控制器等）、物联网环境监测控制平台、生长管家系统（可视化运程监控系统模块）等，师生可足不出户远程控制温室设备，进行温室内的电动卷帘、智能喷水、智能通风的操纵，实现整个温室设备随环境参数变化进行智能调控、多因子智能调控、远程批量管理、定时任务等。安装的视频监控系统可实现师生对植物生长情况的实时监控。同时温室内的采集传输设备，将玻璃温室的传感器数据、设备控制指令数据等传输到Internet上与云平台服务器交互。开发的手机端App（耘管家）实时同步云平台数据，师生通过耘管家随时随地查看温室的环境参数及报警信息，进行植物生长过程中的温度、水分、光照、病虫害防治等管理;也可远程自动控制温室环境设备，如自动灌溉系统、风机、顶窗等。

2.2 课程改革的意义 运用农业物联网技术的实时监测、远程控制、数据传输、查询、无线网络数据共享等功能，将温室内植物生长影像、数据等信息与教师、学生的电脑、手机App相连接，使教师和学生在课堂和课后可以随时随地监测植物的长势、温室的生长环境以及其他相关指标，从而解决了农业栽培类课程在教学时间和空间上的限制，扩大了植物学习的种类和规模，提高了学生自主发现、分析、解决实际问题的能力，提高了学生的农业信息化水平和园艺植物生产栽培及管理技能。利用农业物联网的大数据平台，解决了校内教学资源有限的问题，极大地拓宽了学生的视野，增加了学生的知识面，为学生今后的择业、就业提供了理论和实践基础。此外，还为教师的科研提供了便利条件，从而进一步深化“产学研”合作，促进专业发展。

借助农业物联网技术进行农业生产的精准化管理、远程化和自动化管理，极大的减少了现场作业管理的工作量[6]。国家、企业对农业物联网的发展投入了大量经费和资源，目前该资源主要用于生产环节，其他方面的利用还有待深入开发。将先进的物联网技术利用于职业院校人才培养中，成为教学资源，并用于农业农村实用技能型人才、新型职业农民的培养，不仅大大提高了农业物联网资源的利用效率，而且对本地区农业信息化、农业自动化、农业智能化管理水平的提高，乃至于推动地区智慧农业发展、促进农民增收都有重要的实践意义。

3 基于物联网技术的蔬菜生产技术课程改革与实践

3.1 制定课程标准 根据园艺技术专业人才培养目标的要求，结合就业岗位（蔬菜生产公司和现代化园艺场技术员和管理者）的任职要求及农业技术员的技能要求，并结合本校的实训条件，以及蔬菜生产技术的课程体系与结构，调整并优化课程的培养目标为“培养与现代园艺发展要求相适应的、掌握农业物联网技术的、具有从事蔬菜生产行业实际工作的综合职业能力和全面素质，能在蔬菜生产企业生产、建设、管理、服务部门从事园艺专业相关工作的高素质技术技能人才”。课程培养突出蔬菜植物现代化生产及管理能力，以实现农业的智能化、自动化、信息化、现代化。

3.2 调整教学内容 本课程总学时数为128，分2学期进行，每学期理论学时为40，实践学时为24。调整分为以下几个方面。第一，在有限的课时数下，教学内容各论部分，宜选择讲授江苏省栽培面积较大、市场占有率高、人民消费比较多、在国民经济中地位相对重要的根菜类、白菜类、茄果类、瓜类、豆类、绿叶菜类等几个类别蔬菜，而对葱蒜类、水生蔬菜、薯蓣类、多年类蔬菜等几个类别只能提供一些资料，以学生自学为主[2]。在同一类蔬菜中，讲授也有详略，如瓜类重点讲授黄瓜、西瓜和丝瓜生产，其他如苦瓜、甜瓜、南瓜生产安排学生课后自习。豆类讲授长豇豆和菜豆，菜用大豆略讲或安排学生自学。对于某一种具体蔬菜，因为其起源、营养价值、植物形态结构等生物学特性都属于不变的固化知识，易理解，可以微课的形式让学生自学视频，而具体的栽培管理技术和茬口安排因环境而异，属于难理解的知识点和实用技能，需要教师重点进行讲解、讨论和开展实践应用。如茄果类这一章节，以前是按照顺序逐一讲解番茄、辣椒、茄子，可调整为讲解这类蔬菜的栽培通性，重点讲解番茄的栽培技术，然后讲解辣椒、茄子与番茄栽培管理技术的差异。通过比较、分析、对比，更易于学生对茄果类蔬菜的栽培技术的掌握。第二，增加农业物联网技术在现代设施蔬菜生产中的应用的讲授，以学校实训基地物联网系统为例，介绍物联网系统主要设备及其功能，并开展运用物联网技术在蔬菜生产中的应用探索。如教师在讲授温室瓜类蔬菜的人工授粉问题时，课堂上可以即时打开耘管家，师生观察同一玻璃温室内黄瓜和甜瓜的开花结果特性、雌雄同株异花的花器特点，在没有进行人工授粉的前提下，结果期黄瓜挂果率明显高于甜瓜，引导学生分析原因，得出温室黄瓜不需要人工授粉，因其具有单性结实的能力，而温室的甜瓜必须通过人工授粉才能高产优质。学生可继续追踪观察蔬菜植物的生长发育，这种实物影像资料的对比，生动形象，学生印象深刻，教学效果明显。第三，重点讲授不同茬口蔬菜的设施栽培技术，包括品种选择、育苗、定植、定植后生长期管理（水肥、植株调整、病虫害防治等）、采收，露地栽培技术略讲。因为如今市场上的蔬菜种植大户为了取得更多的经济效益，普遍以设施栽培为主，以使蔬菜反季节上市，或者早上市，“物以稀为贵”从而获得更高的单价。设施栽培成为蔬菜的主要栽培形式，如西瓜塑料大棚春早熟栽培、黄瓜日光温室冬春茬栽培、茄日光温室冬春茬栽培等。第四，注重将该课程领域的研究动态、生产上的新技术与教学内容结合，不断更新内容，确保教学内容与技术革新同步，改善教学效果，提高教学质量。

3.3 运用多种教学方法与手段，提升教学效果 坚持“以学生为主体，以教师为主导” 灵活运用多种教学方法与现代教育技术手段，改变传统的教学模式与方法，激发学生的兴趣与学习主动性。互联网时代，学生获取专业知识的来源很多，借助更多样化的学习平台，如学校在线开放课程平台（超星学习通）、中国大学MOOC（慕课）-国家精品课程在线学习平台、网易云课堂和农技类APP公共服务平台等，借助信息化技术手段，获得课程对应的教学视频、微课、素材图片等资源，极大拓宽了学生的视野和知识面。另外教师可以利用平台发布课程讨论，师生通过QQ、微信等社交平台，随时互动交流，实现学习过程中的问题反馈。教学中以问题为导向，结合生产中遇到的问题或典型生产案例，让学生分组讨论，鼓励学生查找资料，归纳总结相关知识点，提出解决方案并在课上汇报，然后师生分析、讨论，引导学生观察和思考生产实践问题，然后运用所学理论提出解决问题的办法，达到学以致用的教学目的[7]。在解决问题的过程中，学生的团队意识增强、语言表达能力、与人合作、沟通能力、解决问题的综合职业能力都得到了提高。

3.4 基于物联网技术，开展实践教学改革 蔬菜生产技术课程实践性非常强，没有实践教学的培养过程，学生很难理解和掌握这门课程知识内容，更谈不上专业技能的培养[3]。以往的实践项目开展受气候、时间、空间的限制，而依托现代农业物联网技术，一些实践项目的开展可以跨越时空，突破课时和课堂的限制。如寒暑假学生依然可以在家使用耘管家，利用物联网系统的的视频监控功能，观察校内实训基地蔬菜植物的生长发育情况，调取并查看温室的环境参数数据，继而远程实现对温室的操控（自动化灌溉、遮阳网开启、补光灯开启等）。植物的栽培管理不会因为假期而中断，学习过程也连贯起来。

2020年春季学期因为新型冠状病毒肺炎疫情的影响，全国所有的高校响应教育部“停课不停学”的号召，纷纷转为线上教学。以本课程为例，蔬菜植物的播种及等生长期管理（施肥、浇水、植株调整等）这些实践项目，通过在本校园艺技术专业2018级、2019级2届学生中开展的2轮实践，笔者基本形成了特殊时期基于物联网技术的蔬菜生产技术课程线上实践教学方案。

第一，对于一些验证性实践项目，即学生通过观察蔬菜植物的生长发育特点来达到对于理论知识的掌握，可以借助物联网的视频监控系统（海康威视400万像素的全景摄像头，360度旋转，放大倍数32），师生在App手机端或者电脑端完成观察，通过调节监控摄像头的角度来确定观察对象，调节放大倍数来提高观察的清晰度。以“基于物联网技术的白菜类蔬菜生育周期诊断与观察”实践项目为例，教师首先登录台式电脑超星直播客户端，使用屏幕共享功能，然后电脑上打开海康威视视频监控软件客户端（iVMS-4200），调节摄像头对准学校实训基地露地区生长着的越冬小白菜、大白菜、甘蓝、花椰菜植株，进行远程观察，屏幕上获取的这些白菜类蔬菜花期的鲜活图像，被各地的学生实时同步观察，教师同步讲解白菜类蔬菜植物的花期形态结构等特点，引导学生对其进行分析和观察，判断其所属生育周期，课后布置作业，安排学生线下观察身边的各种十字花科蔬菜实物花期特点，也可自行登录耘管家进行观察，并追踪其后续发育（开花-授粉-结果等），以加深对白菜类蔬菜生育周期的认识，并能根据其生物学特点判断其所属生育时期。按此方法开设的项目还有基于物联网技术的蚕豆形态特征观察、茄果类蔬菜分枝结果习性觀察、瓜类蔬菜分枝结果习性观察、豆类蔬菜开花结果习性观查等。这类线上实践项目开设的前提是校内实训基地种植区有实物蔬菜种植，在教师无法返校的前提下，蔬菜的日常管理依靠基地的实验员老师，这种方法授课，上课时种植基地现场不需要人员配合。

第二，对于一些需要动手操作体验的实践项目，如“基于物联网技术的瓜类蔬菜定植技术”，借助与超星直播客户端和iVMS-4200，校内实训基地由实验员老师现场定植黄瓜苗，线上教师利用物联网系统的视频监控系统，调节摄像头的焦距，师生实时对黄瓜苗定植过程的技术细节进行远程观察，教师线上同步讲解定植过程中的技术要领和注意事项，师生互动讨论。开设的类似实践项目还有基于物联网技术的茄果类类蔬菜定植技术、露地茄果类蔬菜生长期管理技术（包括整枝打杈、搭架等植株调整技术、除草、施肥、浇水等）、露地瓜类蔬菜生长期管理技术（包括黄瓜的搭架、吊蔓、绑蔓，西葫芦的人工授粉等）、温室甜瓜植株调整技术等。这类线上实践项目开设的前提是，上课时种植基地现场需要实验员操作配合，学生观察其操作来掌握技术要领。

第三，疫情期间，依托物联网系统，线上开设一些综合性实验和设计性实验。以“基于物联网技术的瓜类蔬菜生产解决方案”为例，线上教师利用实训中心已装物联网系统的视频监控系统，抓拍2020年4月上旬不同时期实训基地温室内黄瓜的生长图片，让学生分析黄瓜生长是否异常，有同学发现黄瓜植株出现了“花打顶”现象。然后以这个问题为导向，让学生分成若干小组，以学生为主体，教师引导，通过分组讨论、查阅资料、得出黄瓜“花打顶”原因之一是夜温偏低，昼夜温差过大，雌花形成过多，对植株营养生长产生抑制。此时引导学生调取近1月内物联网系统环境因子监测数据，进行讨论并分析，其中分析气温数据时发现，半月前恰逢3月底，黄瓜进入花芽分化期，扬州经历了7d的极强冷空气（倒春寒），凌晨的最低温度达到0℃，中午最高温度达到15℃，昼夜温差为15℃，出现了“花打顶”，并进一步提出生产管理远程指导解决方案。通过生产典型案例的分析，提高了学生综合运用物联网技术进行现代蔬菜生产管理的能力，学生不仅对物联网系统的强大功能有了深刻认识，农业信息化水平得到了提升，而且增强了对所学知识的理解，提高了归纳总结能力，生产问题的顺利解决，自我认同感大增，同时实现了与生产的衔接，为后续的顶岗实习、就业打下坚实基础。类似线上实践项目还有基于物联网技术的茄果类蔬菜生产解决方案等。

疫情期间，学生借助物联网实现了对于学校实训基地蔬菜植物的观察与管理，这种远程的教学与生产操纵，具有很大新鲜感和震撼力，同学们感叹于农业的现代化，并表现出浓厚的兴趣，专业的学习热情浓厚，主动性增加。以上依托物联网进行的线上实践教学项目，在非疫情时期也可以在线下正常进行，应用场景为远程教学，如教师出差，或者学生因某种原因不能到校等。

积极开设基于物联网技术的创新性试验和综合性试验，创建开放式实验教学体系。如教师设定大方向主题为“基于物联网技术的现代设施园艺生产技术与示范”，学生根据方向查阅资料，设计主题试验，试验思路，确定研究对象（某一类具体蔬菜），制定试验内容或者方案，教师进行过程和结果考核。试验开展的形式可以是课程实训、课程设计、毕业论文设计、学生顶岗实习、课程的集中生产实训等综合应用类实验实训。通过这种方式，培养了学生的科研思维，极大地提高了学生的综合能力。

4 结语

农业高职教育必须适应时代和社会进步的要求，才能培养适应我国现代蔬菜生产的农业创新性人才。物联网技术是“互联网+农业”的重要体现形式，也是农业现代化的一项重要标志[6]。依托本校的物联网系统，通过制定课程标准、调整教学内容、改革教学方法与手段，实施了基于物联网技术的实践教学改革，极大地提升了学生的专业技能、专业兴趣和学习的主动性，提高了课程的教学质量和效果。一门课程的教学改革是一个长期开发、不断完善的过程，在今后的教学过程中，应根据蔬菜行业的发展，紧跟行业热点，专注行业发展前沿，根据新型职业农民的具体要求，不断完善课程改革，以切实提高园艺技术专业的人才培养质量[7]。

参考文献

[1]李政波，杨晋琪，盖国卫.设施园艺物联网技术与研究进展[J].农业工程技术，2018（25）：33-38.

[2]缪旻珉，张治平，陈学好，等.“蔬菜栽培学”课程SPOC教学模式构建[J].新课程研究（中旬刊），2018（11）：35-40.

[3]乔乃妮，顾建中，杜云安.浅谈高职院校《蔬菜栽培技术》实践教学改革[J].教育教学论坛，2013（4）：58-59.

[4]周庆红，范淑英，罗莎，等.《蔬菜栽培学》课程研究型教学模式的探索与实践[J].教育教学论坛，2018（51）：128-129.

[5]朱磊，李严曼，李胜利.“互联网+”在蔬菜栽培学教学改革与创新中的应用[J].科教导刊，2018（12）：24-25.

[6]朱琳琳.物联网技术在蔬菜生产中的应用[J].中国果菜，2018（11）：54-56.

[7]劉萍，李丽，徐月明，等.基于物联网技术的高职特种蔬菜生产技术课程改革与实践[J].安徽农业科学，2018（25）：226-228.

（责编：王慧晴）