探析农林院校实验室建设对智慧农业人才培养的推动作用

郝王丽 韩猛 李富忠

摘 要：近年来，国家倡导加強现代农业设施建设，依托现有资源建设农业农村大数据中心，加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网络、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用，开展国家数字乡村试点。然而，智慧农业的发展需要智慧农业人才的培养，而智慧农业人才的培养首先需要好的实践实验环境。因此，在农业院校建设人工智能实验室具有迫切性和必要性。本文针对此现状探讨农业院校人工智能实验室建设方案及其对智慧农业人才培养的推动作用。

关键词：农业院校；人工智能；实验室建设；智慧农业人才

Abstract：In recent years，the country has advocated strengthening the construction of modern agricultural facilities，relying on existing resources to build agricultural and rural big data centers，accelerating the application of modern information technologies such as the Internet of Things，big data，blockchain，artificial intelligence，fifthgeneration mobile communication networks，and smart weather in the agricultural sector，and carrying out national digital rural pilot projects.However，the development of smart agriculture requires the training of smart agricultural talents，and the training of smart agricultural talents first requires a good practical experimental environment.Therefore，it is urgent and necessary to build artificial intelligence laboratories in agricultural colleges and universities.This paperexplores the construction plan of artificial intelligence laboratories in agricultural universities and its role in promoting the cultivation of talents in smart agriculture in response to this situation.

Keywords：Agriculture and Forestry College；Artificial intelligence；Laboratory construction；Smart agriculture talents

随着国家对三农问题关注度的持续提升，以及对数字乡村发展［13］与乡村振兴产业的聚焦，智慧农业、精准农业、数字化农业已经成为国家、政府及高校重点关注的领域［4］。其中，智慧农业生产领域中的植物表型分析、动物表型分析、植物病害、虫害识别与分析、农业保险理赔、农业溯源、智慧养殖等应用都需要大量的“农业+人工智能”的复合型立体化人才。然而在现阶段，此类人才缺口仍然非常大［5］。目前我国已进入加快推进农业现代化发展的新阶段，电商平台的发展更是加速了这个进程。我国农业正在逐步走向智慧化、数字化和现代化，为了满足这一需求，农林院校肩负着培养高素质智慧农业人才的重要使命。其中，德、智、体、美、劳全面发展的人才培养是关键。人工智能实验室作为一种智能化的实践能力培养场所，可以为学生提供良好的学习环境和资源，助力他们更好地掌握智慧农业的相关知识和技能。

一、研究意义

本文的研究意义是建立专业的农业院校人工智能实验室，满足当下农林院校学生对人工智能实训系统的需求。辅助学院顺利高效地开展农林院校人工智能方向的实践教学，增强学生的动手能力，拓展学生的思维能力，培养学生的创新意识，提升学生解决复杂工程问题的能力。为人工智能工程及科研人才提供强大的实践基础，为山西乃至全国的人工智能领域、智慧农业领域提供富有竞争力的人才资源。

二、建设目标

本方案的建设目标共有两个：其一，依托人工智能实验室培养德智体美劳全面发展的智慧农业人才；其二，探究如何建成国内一流的农林院校智慧农业教学+实践基地。

（一）培养德智体美劳全面发展的智慧农业人才

（1）以德为先——树立道德观念，培养责任感。在智慧农业人才培养中，道德教育是至关重要的。学生需要具备正确的价值观和责任感，才能在未来的工作中遵循职业道德规范，为我国农业的发展做出贡献。人工智能实验室可以为学生提供模拟实践的机会，让他们在实践中体验职业道德的重要性，培养对行业的敬畏之心。

（2）以智育人——提高智能水平，掌握先进技术。智慧农业是以人工智能技术为支撑的现代化农业形态，学生需要具备扎实的计算机基础和人工智能理论知识，同时还要有较高的智能水平，才能更好地应对复杂多变的实际问题。人工智能实验室可以为学生提供丰富的学习资源和实践机会，让他们在实践中掌握人工智能技术的原理和应用，提高解决问题的能力。

（3）以体为重——注重身心健康，培养综合素质。智慧农业人才不仅要有扎实的专业知识和技能，还要具备健康的身体和良好的心理素质。人工智能实验室可以为学生提供多样化的实践项目，让他们在实践中锻炼身体素质和心理素质，提高应对挫折和困难的能力。

（4）以美为美——强化审美意识，培养创新能力。智慧农业人才还需要具备一定的审美意识和创新能力。在实际工作中，他们需要运用美学原理对农业景观进行规划设计，同时还要不断创新思路和方法，提高农业生产效率和质量。人工智能实验室可以为学生提供创新实践平台，让他们在实践中发挥自己的想象力和创造力，强化审美意识和创新能力。

（5）以劳为荣——培养劳动精神，强化实践能力。智慧农业人才需要具备勤劳、踏实、肯干的劳动精神和实践能力。在人工智能实验室中，学生可以通过参与实践项目和解决问题的方式，锻炼自己的实践能力。同时还可以通过与同学、教师之间的交流合作，培养团队合作能力和沟通能力。这种学习方式可以帮助学生更好地适应未来工作的需要。

总之，依托人工智能实验室培养智慧农业人才是可行的，为培养出更多高素质的智慧农业人才提供了重要保障，也为推动我国智慧农业、数字农业、现代农业的快速发展注入了新的动力。

（二）探究如何建成国内一流的农林院校智慧农业教学+实践基地

目前，我们处于人工智能、大数据快速发展与壮大的时代，大部分农林院校也在致力于“农业+人工智能”的探索。然而，智慧农业的理论离不开实践。因此，农林院校人工智能理论教学也需要依托于相应的实验实践基地，该基地需要具备如下一些特点：

（1）该实践基地要有独立的实验室。该实验室因为要承载农业院校大学四年的教学和实验，而且需要涵盖智慧农业不同方向，且需要有各类硬件设备，所以需要拥有独立的可容纳一到两个班同学的实验室。

（2）实验室中要有完善的各类硬件设施。学生做任何实验离不开实物，因此实验室中要有完善的各类硬件设施，比如显示器、服务器、GPU、植物表型成像仪、网线、摄像机等设备，要能够承载不同的实验。

（3）实验室中要有GPU显卡服务器。人工智能的三大主线任务包括计算机视觉、自然语言处理、语音识别，这类任务都需要依托大数据的支撑，而大数据的处理需要用到性能良好且快速的GPU服务器。为满足人工智能学生的实践需求，同时提高人工智能学生的培养质量，实验室中要配有GPU显卡服务器集群。如此，学生便可实时进行实践训练，合作完成较复杂的应用场景任务，如现在研究较热门的生成式人工智能。

（4）实验室中要有实验软件平台。实验室除了硬件之外，还需有稳定、健壮、效率可观的软件平台，该平台不但可以满足学生做各类实验，也可满足教师教学使用。比如，机器学习软件案例平台，数字图像处理软件案例平台，神经网络与深度学习案例平台。在这些案例平台上，学生可以将自己所学的理论知识通过实验案例进行巩固与增强。另一方面，教师可以在这些案例平台上对案例进行广度与深度的扩展，使案例紧跟科学发展的前沿，使学生所学知识不会与社会脱节，如此可以提升学生解决实际问题的能力。

（5）实验室中需要有相应的课程体系。实验室中的课程体系需要满足以下两个要求：一是能够支持学生理论课程的学习，二是能支持学生实验课程的学习与探索。实验室中的课程体系按人工智能三大主线任务分为计算机视觉课程群、自然语言处理课程群和语音识别课程群。计算机视觉课程群内需要要基础性的数字图像处理实践课程与应用性质较强的神经网络实践；自然语言处理课程群内包含自然语言处理基础与自然语言处理实践；语音识别课程群内包含语音处理基础与语音识别实践。同时，除了这三个主线任务课程群外，还需要有支撑三大任务的基础算法课程群，该群内包含算法导论实践、运筹学基础、数据挖掘实践、机器学习实践。基于课程体系中的这些课程群，学生们通过学习有助于他们构建自己的课程体系与知识体系，为之后的工作或科研创新提供坚实的基础。

（6）具有分阶段、环环相扣、层层递进开展智慧农业教学实验的能力。该实验室需要具有分阶段、环环相扣、层层递进开展教学和实验的能力，要能够承载大学四年时间的教学、实践及探索。

（7）开设的实验要有创新性。该实验室开设的实验（以及配套的课程体系）要有创新性，所设实验（及所设课程）要能够紧随智慧农业发展新动向，紧随智慧农业的前沿技术。

（8）要有可拓展性。人工智能發展迅速，所以实验室的设备要具有可拓展性，可方便地实现设备的更新换代。不但硬件实验设施可以方便更新、软件实验平台及课程也要便于更新。

三、建设方案

经多方考察并结合多年的实际教学经验，搭建农林院校人工智能教学实验平台需借助Kubernetes这一系统来实现管理GPU服务器集群。此种设计可保证整体架构的稳定性。通过Kubernetes平台来管理容器化的平台，不但能让学生更好地使用GPU资源，而且能让学生相互独立、互不干扰地进行“人工智能+智慧农业”的实验，而且通过数据存储服务器做到了一次部署，持续调用的数据资源使用效果。在GPU服务器集群之上搭建Kubernetes集群，通过Kubernetes来分割GPU服务器资源，细化到每个实验平台，使用者都拥有自己独立的Docker镜像来进行实验。整个实验平台的底层均从教学角度出发，保证了让学生有更好的实验体验，也能让教师更好地去教学。

四、建设内容

（一）智慧农业的功能模块

该实验平台提供若干个智慧农业模块，比如人工智能辅助的植物表型应用系统，人工智能辅助的动物表型应用系统，病虫害识别、气象土壤、农业溯源及理赔等。这些模块可帮助学生更好地掌握智慧农业和人工智能的理论及实践知识，还进一步夯实学生的学习基础，还能为农村提供一定的智慧农业服务功能。

（二）集成课程资源+实验案例+实验数据+算力资源——提供一站式智慧农业实验平台

实验平台采取实验案例说明+实验手册+实验数据+实验基础知识+实验代码+实验算力资源的方法，让学生通过实验案例说明及实验手册学习实验数据的采集、标注及预处理、实验所需的基礎知识，起到巩固知识及运用知识的能力，同时可以方便地定位、查看和修改、提交及测试实验相关代码，最后该实验平台提供了基于V100的GPU服务器算力，学生可以直接在该服务器上完成自己代码的设计、运行及测试，可修改代码，同时可共享代码。整个智慧农业实验平台集成了实验所需的说明、数据、代码及算力，为“人工智能+农业”教育提供一站式的服务。

结语

农林院校人工智能实验室的建设可为社会提供智慧农业实验、实践及人才培养基地，可助力培养智慧农业领域高、精、尖的人才，可赋能智慧农业企业及产业，对我国农业的智能化、现代化与数字化起着非常重要的推动作用。未来应更关注农林院校人工智能实验室在助力智慧种植、智慧养殖、乡村振兴等产业方面的配置及推动作用。

参考文献：

［1］中共中央办公厅 国务院办公厅印发《数字乡村发展战略纲要》［EB/OL］.（20190516）.http：//www.gov.cn/zhengce/201905/16/content_5392269.htm.

［2］中央网信办等十部门印发《数字乡村发展行动计划（2022—2025年）》［EB/OL］.（20200126）.http：//www.gov.cn/xinwen/202201/26/content_5670637.htm.

［3］张源清，何熠阳，郭晓丽，等.数字乡村背景下智慧农业学科发展困境及纾解［J］.农业工程，2022，12（10）：120125.

［4］智慧农业建设方案［20200903］.人民智库，http：//www.qianjia.com/html/202009/03_370285.html.

［5］丁允超，汪忆.中国人工智能行业市场现状及发展前景分析［J］.科学咨询，2021（21）：1.

基金项目：2022年度山西省高等学校教学改革创新项目（课题编号：J20220274）；2022年度山西省研究生教育教学改革项目（课题编号：2022YJJG094）；2021年度山西省教育科学“十四五”规划项目+农林院校“产学研”驱动的智慧农业人才培养模式探究（课题编号：GH21006）；2020年度山西农业大学教改项目《农业院校人工智能实验室建设研究》（课题编号：J202098572）；2020年度山西省教改项目《计算机类专业本科人才培养共同体建设研究》（课题编号：J202082078）

作者简介：郝王丽（1988— ），女，汉族，山西运城人，博士，副教授，硕士生导师，教学科研办主任，主要从事人工智能、智慧农业研究；韩猛（1988— ），男，汉族，硕士，讲师，主要从事人工智能、大数据研究；李富忠（1969— ），男，汉族，博士，院长，教授，主要从事人工智能、智慧农业研究。