新农科背景下现代农业发展对农业交叉学科人才培养的启示*——以设施农业为例

吴军辉 ，刘江龙 ，沈 峥

（同济大学，上海 200092）

1 农业交叉的研究背景

习近平总书记在二十大报告中就“加快建设农业强国”作出战略部署，高素质专业化的农业型人才是推进农业农村现代化的充分条件，并强调应强化农业科技和装备支撑，确保中国人的饭碗牢牢端在自己手中。随着社会科技与经济的高速发展，农业在我国的地位逐渐由第一产业转型为一二三产业融合发展的新型农业。近年来，发达国家均把农业科技创新作为国家战略重点。美国推出一系列重大研究计划，如iPlant、植物（动物）基因组研究计划、食物-能源-水相互作用战略等，并将整体思维和系统认知分析、新一代传感器、数据科学与信息、基因组学与精确育种、微生物列为未来五大突破性技术[1]；欧盟正在制定欧洲地平线计划（2021—2027年），制定未来欧洲农业发展方向农业4.0。为适应世界范围内新的科技革命，新经济发展和产业变革以及未来社会所面临的复杂问题，许多不同的学科之间，或者过去完全无关的学科之间，愈发需要进行交叉与融合。学科间的交叉与合并是当今国际科技教育发展的一个重要特征和方向[2]。专业化、技术化人才教育模式已无法满足教育的新需求，主动适应生产新模式，拥抱新科技产业变革，是新农科的必经之路。

现代科学与工程技术正呈现综合趋势，而非高度分化，宽阔的学科领域正在被各学科间的理论、技术、方法、知识、手段等交叉渗透[3]。我国的种子库、畜禽幼苗、农业自动化等方面与农业发达国家相比仍然存在一定差距，应建立起合适的农业交叉学科研究体系和人才储备，以在合适的时期发挥其合适的作用。在推进新农科“三部曲”发展的时代背景下，高校对于智慧农业交叉学科的研究对其发展而言，既有关键机遇又存在重大挑战[4]。大学生是改革创新的生力军，专业是现代高等教育的主体与基础，将各种专业围绕起来发展的基础就是高等学校。其中占高等教育主体地位的工学专业将在不同形态下与多专业交叉融合，必将为高等学校的事业发展提供引导与示范作用，全球高等教育下的多专业融合教育也将形成趋势。

2 农业学科交叉体系

在学科交叉或者跨学科的定义问题上，国外许多学者都曾提出过概念和观点，经济合作与发展组织（OECD）曾在20世纪60年代末70年代初发起了名为“对高校跨学科教学和研究活动的调查”的研究，对跨学科（Interdisciplinary）、多学科（Multidisciplinary）、超学科（Trans-disciplinary）等进行阐述。最终认为学科交叉不是对多个学科的简单并置，而是指将两个或更多学科的知识和思维模式整合起来解释现象、解决问题甚至进行创造[5]。

在我国，对于交叉学科，不同学者的见解也有所不同，但始终没有一个标准定型的定义，这也是为什么大多数学者在研究交叉学科时，都会先从定义和区分两个方面入手。目前我国学术界对交叉学科或跨学科的界定存在着两种类型：单一式定义与扩展式定义。两者的理论、观点虽然表现形式不同，内容也不尽相同，但其主旨却基本一致，主要包括三方面，即新学科或学科群、跨学科研究或跨学科教育活动、跨学科学。

从农业学科的发展历程上看，19世纪中后期生物学、土壤学、化学、遗传学、生理学等学科的实验方法和研究开始应用于农业[6]，从那时起传统农业学科逐渐认识到与其他学科的知识融合与汇聚的重要性。随着20世纪动力机械的推广进而带动农业机械化的发展，传统农业开始与机械科学等进行交叉融合。20世纪80年代利用温室大棚、新型生产设备、现代化农业工程等搭配环境调控手段实现作物终年生产的设施农业应运而生。随着21世纪人工智能、生物技术、动植物基因等技术的高速发展，进一步促进了农业与各学科间的有机衔接。2018年教育部组建了“新农科建设协作组”，2019年教育部举行了三次新农业学科建设座谈会，以推动新农科的发展。在国家自然科学基金委员会设立交叉学科部后，交叉学科在2021年成为我国14个学科类别中的一员，交叉学科与传统学科拥有同样的发展空间和权力，农业交叉学科体系依托该学科得到了高效转型。

3 农业交叉学科研究特点

传统农业以人力参与度高、耗时耗力为生产特点，以土地碎片化、人员各自经营、批发商统购为经济特点。同时，因规模化管理以及相关的监管不到位，导致虽可以精耕细作，但是不利于长期发展。农业未来终究是高度自动化的，虽然目前难于立刻将学术成果落地，但对于未来发展的预判能力，也应是交叉学科研究的一个重要衡量指标。在新农科的发展背景下农业交叉学科具有综合性、创新性以及多维度研究的可能性三大特点。

综合性体现为对农业交叉学科专业人才综合能力有较强要求，将农业作为一个经济学范畴来看，它的应用范围是极其广泛的，对于任何一种现有的技术都可以快速进行运用和试点。通过将传统农学等学科与当下热门研究方向如人工智能、生物技术、大数据挖掘、机器人工程等技术融合能带来无限可能，农业交叉学科的发展是传承经典学科精华、交叉融合发展的生动实践。

农业交叉学科的出现本身就是一种创新，农业技术的发展必然会带来新的创新点和结合点，如信息化、数据化的发展必将为现代农业带来发展。单一学科颠覆性技术的构建难度大，但在农业交叉学科的研究下，不同学科不同维度的碰撞交流能有效激发更多科技创新成果，甚至创造全新的知识体系。

农业交叉学科的多维度研究可能性体现在多个方面，AI技术在农业领域的应用，如病虫害识别、智能探测土壤、农业智能机器人等为农业提高产出和效率作出巨大贡献。2022年基于飞桨深度学习平台的虚拟数字人百度AI“度晓晓”的爆火为我国农业智能化带来升级，其整合了多模态交互、3D建模、语言识别、自然语言处理等技术。利用计算机视觉等技术使得“度晓晓”具有病虫害识别、瓜成熟度辨识以及自动识别蔬菜生长状态和克重等功能，使农业智能化的畅想正在变为现实。生物种植技术通过基因重组等方法改良作物的生物学性状，从而提高作物的抗虫性和抗药性，如为抵抗马铃薯甲虫而研发的新型马铃薯品种，其能分泌一种晶体蛋白物质，能有效保护马铃薯从而提高产量。大数据挖掘在农业和农村地区具有巨大潜力，数据挖掘、分布式数据处理、大规模并行处理（MPP）数据库、云计算平台、Internet和可扩展存储系统等技术能有效依托大量的农业数据对农产品全产业链进行大数据管理，提高农产品供给及市场的匹配度。

4 设施农业与农业交叉学科的联系

设施农业涉及生物科技、环境工程、材料等多学科领域，其本身就是农业交叉学科的一种成功应用及体现，也是新农科建设的一大进步。目前，国内设施农业现代化呈现快速增长趋势。自20世纪80年代以来，我国设施农业高速发展至今，设施农业面积已然居世界首位，多数省份地区已经成为设施农业集聚区与优势区，按照地理位置的不同可以把我国分为华北、东北、华东、华南、西南、西北六大设施农业产区[7]。传统农业生产规模小、结构单一、受自然天气影响大等弊端已无法满足当代社会对农业生产的需求，农业机械化是提高农业生产水平、经济效益以及改善生产经营条件的有效途径。

发达国家建设现代化农业无一不是先实现农业机械化进而实现农业现代化。美国能依赖全国不到2%的人口实现农业高质量发展，农业机械化发挥着重要作用，早在20世纪40年代美国就领先世界各国实现了粮食生产机械化。据统计，2021年美国农业人口占总人口的1.3%，平均每个农业劳动力可供76人消费，人均农业产值为82 016美元，是我国农业从业人员人均农业产值的16倍。日本专门设立“农业改革基金”用于引进新技术和购置农业机械设备，同时将农机化作为一项系统工程，建有国家农机研究所、农业综合研究院、各大学的农学院等。我国可借鉴农业发达国家以科研先行策略来推动农业发展进而实现农业现代化，而加强科研体系是发展实现农业机械化的前提，设施农业正是在科技的不断进步下得到快速发展。

随着我国农业结构的调整，我国农业正在朝着机械化、自动化、智能化方向发展。设施农业机械大体可以分为耕作类机械、施肥与灌溉类机械等。据农业农村部统计，2021年我国农作物耕种收综合机械化率高达72.03%，近10年提高了15个百分点，设施农业产业机械化率高达42.05%，加载着北斗卫星导航的拖拉机、收割机超60万台，植保无人机保有量97 931架，作业面积超过14亿亩次[8]。仅黑龙江在2021年采用大疆无人机进行播撒总作业面积已超1亿亩次，近50%水稻肥料采用无人机播撒。农业机械化的快速发展，极大地促进了农业综合生产能力的提高和农业现代化的实现。通过农业机械设备代替人力劳动，极大地提高了产值及生产效率。农业机械化在一定程度上推动了农业科技成果的转化应用，而设施农业的持续推进对我国现代农业的建设有着十分重要的作用。我国是一个农业大国，设施农业的发展能有效提高我国农业的经济效益，助推农业农村现代化。

同济大学早于1997年便组建了一支多学科团队，进军设施农业。并于2013年获科技部、教育部审批成立新农村发展研究院，旨在发挥同济大学理工科综合性大学优势，利用学校农业工程、环境、自动控制、计算机、经济与管理等学科资源，打造具有同济特色的非农综合性大学服务“三农”新模式。目前学生来自环境、控制、计算机和机械等多个方向，以智慧设施农业和农村绿色环境为研究方向。其中，智慧设施农业重点研发适合我国国情的低成本、高可靠性设施智慧控制系统，并根据设施作物生长发育特点，实现智慧监控一体化。农村绿色环境重点是治理农业污染，以各种农业有机废弃物为依托，为农村社区提供综合能源。

现代化农业迫切需要多学科交叉融合的农业工程人才为智能化农业助力。现代农业智能化发展不仅需要设施农业方面的人才，同时还需要在传统农业学科基础上与自动控制技术、软件工程、电子信息等学科交叉融合形成的新型农业交叉学科下培养的综合性创新型农业人才。

5 农业交叉学科的人才培养启示

通过调研我国农业交叉学科的建设体系特点以及借鉴美国、日本农业发展策略，并对标我国设施农业迅速发展成果，可知中国现代农业发展已然呈现多学科交叉融合的特征，即需要大量既熟悉现代农业知识与科学技术又掌握现代计算机技术、人工智能、现代农业机械专业知识的人才。

我国农业机械化率10年提升15个百分点，农业智能AI“度晓晓”的问世无不表明农业智能化发展已是必然趋势，为此迫切需要具有多学科交叉融合背景的新农科农业工程人才，在新农科背景下农业人才培养应该转向农业大数据挖掘、现代智能化农业机械设计、农产品品质智能检测等方面的多维度技术人才培养，融合一二三产业扎实解决新时代“三农”问题。农业科研院所、农业生产中对电子信息类专业的毕业生所掌握的技术手段也提出了新的要求，迫切需要既懂农业技术理论和应用又能用电子信息技术解决农业生产方面问题的农业信息化人才[9]。

当今社会人类面临的农业问题与挑战，依靠单一学科已难以解决，往往需要多学科交叉共同完成，设施农业的迅速发展为农业交叉学科带来了成功的示例。因此，关于农业交叉学科的人才培养，一方面，高校应运用跨学科推进交叉科研与交叉人才培养，结合国家重大战略需求将计算机视觉、大数据挖掘、人工智能等大数据研究方法融入农业科学研究中，旨在破解我国科技难关等农业“卡脖子”领域，以此推动现代农业发展；另一方面，高校需结合自身院校综合性、多学科性的学科构建体系，关注学科之间的联系，并将特色学科与传统农业学科进行相融交叉，从而创新农业学科研究，将新思维、新方法以及新工具赋予传统农业学科。

农业交叉学科的人才培育目标应当是以农业技术理论和方法为指导来培养适应农业实际需要的人才。培养的学生须具备一定的计算机科学、控制科学和系统科学知识，具有农业工程及其他相关专业的理论知识，具有良好的获取、分析和处理能力。

6 结束语

分析农业学科交叉体系及其研究特点，并以新农科背景下设施农业为例，分析其快速发展的原因以及农业交叉学科的先进性，为农业交叉学科的人才培养带来启示。随着我国新农科建设的快速发展，复合型多学科背景的农业人才对现代农业发展不可或缺。对该类人才的培养在于农业科技需求与高等教育人才培养的融合[10]。对此，高校对农业交叉学科的发展应发挥自身院校专业特色起到辐射带动作用，着力推进文理融合、理工交叉，通过整合多学科之间的知识、思路以及研究方法，构建新型的综合性解决框架，从而促进多学科知识融合与发展，在交叉融合中改造提升传统农业，形成独具特色的农业交叉学科。