智慧农业数字化人才培养探索与实践

摘" 要：随着农业的不断发展，智慧农业行业人才紧缺问题严峻，技术性人才寥寥无几，导致推广举步维艰、发展遭遇瓶颈。该文利用虚拟仿真的形式，模拟智慧农业在实际中的运作方式，并且结合智慧农业实际套件的运用，对学生进行技术方面的培养，利用生活中具体案例，加强学生对具体农业传感器的运用，以及对数据的收集、分析与决策方面的操作技能，打破人才紧缺壁垒。通过对该课程的学习，学生在农业传感器运用与数据分析方面有很大提高。

关键词：智慧农业；虚拟仿真；数据分析；人才培养；传感器；数字化

中图分类号：C961" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）24-0001-04

Abstracts： With the continuous development of agriculture， the shortage of talents in the smart agriculture industry is severe， and there are few technical talents， which makes it difficult to promote and encounter bottlenecks in development. This paper uses the form of virtual simulation to simulate the operation of smart agriculture in practice， and combines the application of smart agriculture practical kit to train students in technology， use specific cases in life， strengthen students' use of specific agricultural sensors， as well as data collection， analysis and decision-making skills， and break the barriers of talent shortage. Through the study of this course， students have greatly improved in the application of agricultural sensors and data analysis.

Keywords： smart agriculture; virtual simulation; data analysis; talent training; sensor; digitization

农业是国民经济的基础，对于我国这样一个人口众多的国家来说，农业的重要性更是不言而喻。智慧农业的提出和发展，为信息技术在农业领域的综合集成应用、农业产业转型升级、农业发展模式的创新、核心技术的自主研发，以及专业技术人才培养均创造了难得的机遇[1]。根据相关报告得知，中国的智慧农业发展已经驶入快车道，展现出广阔前景。随着现代信息技术与农业的深度融合发展，农业的第三次革命——“农业数字革命”已经到来，国家必然要有一批交叉学科型的创新和实践队伍，因此迫切需要高校加快智慧农业人才培养[2]。本文旨在对智慧农业课堂人才培养方法进行了深入研究，解决智慧农业人才缺乏难题，培养专业的技术性人才，输送到农业发展中去，培养更适合农业发展的高质量人才。

1" 学情分析

授课之前，对学生进行了学情分析，发现现在的高职学生思维非常活跃清晰，喜欢动手实操，太多的理论他们会觉得非常无趣，而更喜欢在实操中加深对理论的理解与巩固，他们对生活实例表现出极大的兴趣，利用企业的案例作为例子他们会表现得更热情与认真。上课之前有一些学生自行了解过智慧农业，并且兴趣相对高涨，对课程的展开有一定的帮助，但是其理论知识相对薄弱，对于农作物方面的知识以及各类农业传感器，数据的收集、整合和分析等有所了解但是实践少；自主学习性不高，比较依赖于之前的学习方式，需要有人去监督提醒；价值观容易受到影响，因为这个年龄段的孩子思想还不是很成熟，对于是非对错的判断，很容易受到外界的影响，所以对于这些年轻人，需要教师不断地挖掘其兴趣，提升其学习动力，根据不同的学生的不同基础因材施教，并且不断地进行引导，带领学生走上正确的道路，培养正确的价值观。

2" 教学方法与手段

根据对学生的学情分析，教学手段也是丰富多样的，摒弃了之前的纯理论、纯讲授的传统教学方式，运用了更适合学生的项目教学法，比如案例教学法、任务驱动教学法、分组合作教学法、翻转课堂和视频教学等多种方法相结合，通过多样的教学方法与手段，加深学生对知识点的理解和掌握，最大限度地把课堂还给学生上，发挥学生的主体性、主动性和创造性，让学生“身动、心动、神动”，通俗地说就是让学习、进步和成长“发生”在学生身上[3]，学生才不会被动学习，而是掌握学习的主动权。教学内容利用虚实结合，由浅入深的方式，会根据学生不同的学生基础调节为一个学习进度，比如对于一些基础比较弱的，会抓基础再提高；对于一些基础比较好的学生，会给他们足够创新的机会，让他们充分地展现自己，因材施教，让学生爱上学习，并且布置对应的课后作业，让学生对所学的知识进行巩固。

3" 教学内容

3.1" 虚拟仿真

3.1.1" 仿真软件FS_AIOTSIM

因学生之前大部分都没有真正接触过智慧农业，因此第一部分切入点是先进行虚拟仿真的学习，让学生在仿真中了解到农业传感器的运用，以及一些协议、数据的处理和执行器的执行。本课程用到的虚拟仿真软件为物联网虚拟仿真系统FS_AIOTSIM，该系统为华清远见的一套系统，内容全面，独有的、开创性的功能可开展理论教学、编程、实验模拟、成果展示和创新实验等一系列物联网教学活动，可有效解决物联网教学复杂、实验操作难、对硬件依赖高等系列专业建设问题[4]，是个非常好用的教学平台。

3.1.2" 仿真实验

1）智能风扇控制系统仿真实验。实现功能：该系统主要实现的是空气温湿度传感器进行模拟数据的收集之后上传到云端（MQTT），硬件的模拟数据会通过MQTT跟Scratch（软件）进行数据的订阅和发布实现数据的交互，即软件部分根据这个模拟数据进行代码的处理和数据的分析，然后对风扇做出对应执行操作，也就是说当检测到空气温湿度的温度超过设定的温度时，风扇会自动打开进行降温，温度正常时则关闭风扇。

器件的选择：在该系统的学习中，首先学生要学会进行虚拟器件的选择，即对电源、传感器、执行器、节点和网关进行选择，那么这个实验选择的就是12 V电源、空气温湿度传感器、网关、节点和风扇这5个器件。

硬件电路的搭建：选择好器件之后，要把各个器件进行连接并进行电路的搭建，各个器件都要连接电源，节点和传感器或者执行器的连接方式是根据器件的传感器接口类型进行有线连接，需要注意的是，如果器件的传感器接口类型是RS485，则连接之后要遵循modbus（485有线）协议来进行协议填写；网关和节点的通信方式可以通过有线和无线2种方式，有线是通过485总线接口进行连接，无线方式可以通过WIFI、蓝牙、Zigbee和Lora等多种方式连接，有线协议用的是Modbus（485有线）协议，无线协议用的是30无线协议，学生在操作的时候可以自行选择使用有线或者无线的方式进行器件的连接。

云平台数据交互（MTQQ协议配置）：硬件部分连接完成之后，要进行MQTT协议的配置才能实现数据与软件的交互，MQTT协议配置如图1所示。

首先，要设置对应的IP地址，一般情况下是进行本地的连接，则IP地址设置为127.0.0.1，端口设置为9001；如果不是本地连接，则需要用户进行确认。ClientID以及用户名和密码系统会自动生成，只需要确保IP和端口正确即可，确认后进行连接。连接之后，就可以订阅主题，从图1看到有2个可以订阅的主题，与软件交互的部分就是与应用层、云端交互的Topic，选择订阅之后，软件那边也订阅和发布同一主题，就可以实现硬件和软件的数据交互。

软件数据处理：软件部分用的是Scratch面板，使用Python语言进行编写，代码主要内容是连接MQTT，确保IP和端口的设置与硬件的设置内容一致，同样要订阅MQTT的主题，需要注意的是，这里订阅的主题就是硬件发布的主题，而软件发布的主题就是硬件订阅的主题；连接传感器，根据模拟数据设定某个风扇打开或者关闭的温度，而这里的模拟数据就是在硬件完成连接之后，在硬件系统界面打开的一个模拟空气温湿度数据，有了这个模拟温度数据之后，代码就可以设置为当虚拟温度大于设定温度时系统发出过热提醒，然后发布主题到硬件，硬件订阅到打开风扇的消息，就会打开风扇，当虚拟温度小于设定温度时系统提示温度正常，关闭风扇，至此，软件和硬件就通过了MQTT订阅和发布消息，从而完成了数据交互。

实验效果：该实验让学生在动手实践中完成对空气温湿度传感器的掌握，以及熟悉它在实际智慧农业中的实际运用，让学生真正做到在学中做，在做中学，让学习、进步和成长“发生”在学生身上，每个小组都完成得非常出色，并且真正掌握了实际教学内容。图2为某个学生团队的作品。

2）智慧农业系统仿真实验。实验实施与结果：该系统实现的是至少5个以上的传感器同时进行工作，比如空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、CO2传感器等同时工作，相当于模拟一个真正的智慧农业大棚。在上一个实验的基础上，学生已经掌握了器件的选择、通信方式，以及通信协议、数据的分析和与云端交互等内容，那这一次实践的重点就是怎么把多个传感器结合起来运用，以及怎么进行多个数据的交互，同样器件的选择跟上个实践是类似的，器件的选择这一部分让学生自由发挥，符合常理即可；软件部分只要学会了并列的思想，就可以实现多个传感器的虚拟数据得到检测，然后把数据上传云端，连接MQTT实现硬件和软件的数据交互，并做出对应的决策，比如，一个循环结构里，当空气温湿度的温度超过8 ℃就打开风扇，同时当光照达到30 000 lx时就打开遮阳板等，就可以实现把多个传感器结合起来使用，模拟一个智慧大棚在实际中的一个运用场景，软件部分介绍完之后也是交给学生自主发挥。本次的仿真实验是给学生布置一个大作业，限时一周的时间，让学生充分发挥主观能动性，最后大家完成得都很出色，纷纷交出了自己的作品。

这部分实践做完之后，学生对智慧农业有了一个比较全面的理解，并且跟实际的生活息息相关，提高了他们的学习兴趣，为后面要学习的实际套件的运用奠定了基础。

3.2" 仿真实验优势

为什么要用仿真？上面介绍的智慧农业综合运用如果用实际套件该如何实现？

首先要把所有硬件以及节点网关电路全部连接好。其次，要根据每个节点控制的不同传感器，对传感器进行代码的编辑与修改，分别利用STM32CubeMx软件进行串口的连接导出半成品代码，然后利用MDK-Keil5工具软件进行代码的修改更新，即在main函数中初始化GPIO、串口、定时器、RTC和OLED等外设，然后在while循环中进行按键扫描和事件处理，包括ZigBee数据解析、传感器数据解析、传感器数据查询、命令发送、ZigBee上报数据、指示灯操作和RTC时间更新等操作。

硬件和代码完成之后，要实现对整个系统的操作，需要使用VNC及WinSCP等远程操作软件，设计屏幕界面各项参数；如还需把数据关联到云端，还需要连接MQTT，进入百度云物联网核心套件系统进行账号的申请，创建IoT Core，创建设备模版，订阅主题等，最后得到MQTT连接信息，登录到MQTT软件填入连接信息，实现数据的订阅和发布，如果要实现手机进行传感器的实时监控，还需要进行微信小程序的开发等操作，过程非常复杂。图3为设计生成的硬件控制传感器界面。

跟实际套件的运用相比，仿真的综合实验就显得简单易懂，如上所述，只需要在画布上完成所有的操作即可直观地看到整个智慧农业的运作过程，简单易上手，并且容错率高、成本低、灵活度高，非常适合入门学习。

所以，这就是为什么要用仿真的原因，大多数学生对于智慧农业了解不多，对于这么一批基础相对薄弱的学生来说，如果一开始就直接使用实际套件进行教学，学生会觉得很难学，并且会产生厌学的心理，对即将学习的内容没有兴趣，学不进去，这就会导致教学效果大打折扣，适得其反。所以，选择先从易上手的仿真实验开始导入，学生觉得比较简单，容易理解，慢慢得心应手，更容易进入学习状态，后续再进行实际套件的学习，相对来说就显得没那么难学了，学生也更有兴趣进行学习。

4" 教学特色

一是利用虚拟仿真的形式进行教学导入：操作简单，易上手，受实际环境因素影响小，比直接进行实际操作更直观、更易懂，增加学生的自信心。

二是分组团队合作：对学生进行了分组，分组合作不仅能锻炼学生的团队能力，还能增进学生的沟通交流以及项目的策划与管理，培养学生的团队管理能力。

三是项目结果展示和答辩：学生完成项目之后，要对项目进行讲解与答辩，教师会根据项目的要求以及实现的成果、实现的过程进行提问点评，让学生真正掌握项目的核心，加深学生对项目知识点的掌握。

四是对优秀团队现场进行奖励：全部团队完成答辩后，对各个团队进行排名，给予对应奖励，增加团队的竞争意识，这种方式增加了学生的成就感和获得感，学生会对项目更感兴趣。

五是翻转课堂：老师与学生进行角色互换，促进学生的思维，加深对知识的理解，也提高了他们的表达能力和总结能力，角色的互换也让学生从惯性思维中脱离出来，从被动学习变为主动，调动其积极性，并且让他们更具有责任心。

5" 教学效果

通过本次课程的学习，学生的进步有目共睹，从刚开始大多数对智慧农业不太熟悉，到最后可以自己完成所有实验，并且能通过翻转课堂把所学的知识讲授出来；在各项技能竞赛，比如物联网技能竞赛，全国电子设计大赛上都获得了非常不错的成绩，学生也很喜欢这门课程，期末的学生评教分数都在98分以上，由此可见，学生对课堂教学以及教学内容都非常满意并且兴趣极高，为后续课程的拓展和改进提供了很大的参考价值。本次的虚拟仿真只是一个导入的过程，后续教学还有实际的智慧农业套件提供给学生进行练习，做到虚实结合，增加学生的操作能力，以及传感器的具体实际应用，让学生真正能学以致用，融会贯通。

6" 结束语

智慧农业是农业信息化发展从数字化到网络化再到智能化的高级阶段[5]，作为现代农业发展的重要方向，其人才培养与实践是实现农业现代化的关键。本文通过深入探讨智慧农业教学方法、实践模式，以及与产业的实际应用结合，旨在为培养具备创新能力和实践技能的智慧农业技术人才提供理论支持和实践指导。

实践教学是智慧农业人才培养的核心环节。通过与农业企业的深度合作，建立实践基地，让学生在真实的农业生产环境中学习和应用智慧农业技术，提高解决实际问题的能力，这部分也是后续我们要提高和慢慢完善的部分。

人才培养是一个长久的过程，只有通过不断的教育创新和实践探索，才能培养出更多具有国际视野、创新精神和实践能力的高素质智慧农业人才，为推动我国农业现代化和乡村振兴战略的实施贡献力量。

参考文献：

[1] 杨瑛，崔运鹏.我国智慧农业关键技术与未来发展[J].信息技术与标准化，2015（6）：34-37.

[2] 郭彩丽.智慧农业人才需求调研报告[EB/OL].http：//newsadmin.njau.edu.cn/_s20/2020/0923/c799a109685/page.psp.

[3] 高效课堂教学18种方法汇编[EB/OL].https：//www.fjsmu.edu.cn/jsjxfczx/2020/0520/c1606a95136/page.htm.

[4] 李文娟，方武，卢爱红，等.“1+X”证书制度下“课证赛研”的人才培养模式——以物联网应用技术专业为例[J].生活教育，2021（33）：71-73.

[5] 赵春江．智慧农业的发展现状与未来展望[Ｊ]．中国农业文摘-农业工程，２０２１，33（6）：4-8.

基金项目：广东省教育科学规划课题（高等教育专项）（2022GXJK499）；粤高职电子信息与通信教指委教育教学改革研究与实践项目（04）

第一作者简介：韦彩仁（1995-），女，助教。研究方向为信息通信与物联网。