劉明明，孫居彥，張光騰，賈孝偉，劉印增

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟南 250100）

基于國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求，2019 年教育部積極推進“新農(nóng)科”建設(shè)，形成了“安吉共識—中國新農(nóng)科建設(shè)宣言”， 宣言中指出：“新時代新使命要求高等農(nóng)林教育必須創(chuàng)新發(fā)展，沒有農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，就沒有整個國家現(xiàn)代化，新時代對高等農(nóng)林教育提出了前所未有的重要使命[1]”。在新農(nóng)科建設(shè)背景下，人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等交叉融合技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加速應(yīng)用，智能化全面融入農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，同樣傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械化裝備也亟需向智能化方向轉(zhuǎn)型升級[2-3]。黨的二十大報告指出：“建設(shè)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化和實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，要強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備， 提高農(nóng)機作業(yè)的信息化、智能化水平”。 現(xiàn)代農(nóng)機裝備也被列為 《中國制造2025》重點突破的十大領(lǐng)域之一，這些新形勢對新時代農(nóng)林院校智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新要求。

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院為適應(yīng)國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求，開設(shè)了機械電子工程專業(yè)（智能農(nóng)業(yè)裝備方向），并組建了智能農(nóng)業(yè)裝備課程群，旨在培養(yǎng)具有智能農(nóng)業(yè)裝備工程素養(yǎng)，能夠從事農(nóng)業(yè)裝備工程領(lǐng)域的科研、工程技術(shù)和管理等方面工作的應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才。

1 智能農(nóng)業(yè)裝備課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院智能農(nóng)業(yè)裝備課程群以農(nóng)業(yè)機械學(xué)、農(nóng)學(xué)概論、自動控制技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科為主體，構(gòu)建了智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)課程培養(yǎng)體系。課程系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋了耕、種、管、收、運、儲等環(huán)節(jié)的典型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。 智能農(nóng)業(yè)裝備課程群具有：課程內(nèi)容多、學(xué)科交叉融合深、對智能農(nóng)業(yè)裝備人才的創(chuàng)新能力、工程實踐能力、專業(yè)融合能力要求高等特點[4-5]。目前，課程現(xiàn)狀和存在問題主要有以下幾點：

1.1 課程內(nèi)容多且分散，系統(tǒng)性不強。

智能農(nóng)業(yè)裝備不同于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械，課程內(nèi)容涉及機械、信息、控制、智能等多方面知識，具有學(xué)科跨度大，課程內(nèi)容多、學(xué)科交叉融合深，對專業(yè)課老師的專業(yè)綜合能力要求高等特點，目前教學(xué)實踐過程中存在著各專業(yè)課講授時課程相對獨立，知識的連續(xù)性、銜接性、系統(tǒng)性不夠強等問題。

1.2 課程資源相對少， 教學(xué)內(nèi)容與農(nóng)業(yè)特色結(jié)合不緊密。

智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)作為新興專業(yè)， 存在著配套專業(yè)課程教材資源少， 而且課程內(nèi)容農(nóng)機農(nóng)藝農(nóng)信的融合度低等問題。人工智能、機器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展迅速，而課程內(nèi)容的更新相對滯后。

1.3 課堂教學(xué)方式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低、工程實踐能力弱。

課堂教學(xué)以傳統(tǒng)的講授為主，且部分同學(xué)生活在城市， 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的知識相對欠缺，這些情況造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低、 學(xué)生創(chuàng)新性不足，利用所學(xué)知識解決實際問題的能力不足。

1.4 課程思政元素挖掘少， 知農(nóng)愛農(nóng)強農(nóng)情懷不深。

很多同學(xué)普遍存在“在農(nóng)村與農(nóng)機、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)打交道，技術(shù)含量低，工作環(huán)境惡劣，收入有限”的認(rèn)知誤區(qū)，畢業(yè)后從事農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)社會理想和社會責(zé)任感趨向平實、平淡。然而，當(dāng)前我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進，農(nóng)村空心化、農(nóng)民老齡化現(xiàn)象日趨明顯，使得“誰來種地、誰來務(wù)農(nóng)”的問題日益突出，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施亟需大量身懷 “知農(nóng)、愛農(nóng)、踐農(nóng)”情懷，以強農(nóng)興農(nóng)為己任的高素質(zhì)創(chuàng)新型智能農(nóng)業(yè)裝備科技人才，因此，課程思政育人亟需加強。

2 基于CDIO 模式的項目化教學(xué)實施

CDIO 工程教育模式是一種依托于實踐項目的創(chuàng)新性教學(xué)理念，強調(diào)以具體項目作為教學(xué)組織方式、以實踐作為主要學(xué)習(xí)方式、以任務(wù)作為驅(qū)使學(xué)生展開學(xué)習(xí)的動力[4-5]。 CDIO 包括：構(gòu)思（conceive）、設(shè)計（design）、實施（implement）、運行（operation）四個階段，CDIO 教學(xué)模式以具體項目為載體，通過四個環(huán)節(jié)的實施，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新意識等，實現(xiàn)學(xué)生綜合能力的提升[6]。結(jié)合新農(nóng)科建設(shè)的內(nèi)涵和要求， 本文借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機”項目教學(xué)為例，探索新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項目化教學(xué)設(shè)計與實施，智能蘋果園施肥機CDIO 項目教學(xué)模式與實施框架，如圖1 所示。

圖1 智能蘋果園施肥機CDIO 項目教學(xué)模式與實施框架

2.1 項目構(gòu)思

我國蘋果產(chǎn)量居世界第一，但是果園綜合機械化率僅為5.75%，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移加快，從事果園生產(chǎn)的勞動力短缺，“誰來種果樹、誰會種果樹”已經(jīng)成為制約蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，特別是在果園施肥作業(yè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)得尤為突出，目前果園施肥存在施肥勞動強度大、勞動力成本高、施肥效果差、施肥不均勻等亟需解決的問題。 課程通過一系列項目背景導(dǎo)入，使同學(xué)們深刻地認(rèn)識到果農(nóng)對果園施肥機需求的緊迫性，進一步激發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識解決果農(nóng)實際問題的興趣和成就感， 增強學(xué)生知農(nóng)愛農(nóng)，科技報國的責(zé)任感和使命感。 項目教學(xué)實施以6-8 人一個小組的方式進行，首先完成智能蘋果園施肥機需求項目任務(wù)，任務(wù)包括：調(diào)研智能蘋果園施肥機的應(yīng)用現(xiàn)狀，與潛在果農(nóng)用戶溝通并記錄具體施肥農(nóng)藝需求，編制并填寫智能蘋果園施肥機性能參數(shù)表，如圖1 所示。

表1 智能蘋果園施肥機性能參數(shù)

2.2 項目設(shè)計

2.2.1 方案設(shè)計

方案設(shè)計包括：總體方案設(shè)計、施肥機械部分設(shè)計、施肥控制系統(tǒng)設(shè)計。 智能蘋果園施肥機帶有GPS 定位系統(tǒng)， 通過STM32 單片機控制整機運行， 當(dāng)機器行駛到到蘋果園不同位置時，施肥機按照蘋果園施肥作業(yè)處方圖的要求由施肥機械部分開出肥溝，施肥控制系統(tǒng)控制排肥器完成變量施肥，智能蘋果園施肥機項目開發(fā)設(shè)計流程，如圖2 所示。 項目實施分工為：2 名同學(xué)負(fù)責(zé)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，2 名同學(xué)負(fù)責(zé)施肥控制系統(tǒng)設(shè)計，1-2 名同學(xué)負(fù)責(zé)樣機調(diào)試和測試，1 名負(fù)責(zé)成本控制、進度控制、質(zhì)量控制等任務(wù)。項目實施開展過程中，小組成員需團結(jié)協(xié)作、合理分工、充分論證完成智能蘋果園施肥機方案設(shè)計，教師協(xié)助論證設(shè)計方案的可行性，及時為學(xué)生答疑解惑。

圖2 智能蘋果園施肥機項目開發(fā)設(shè)計流程圖

2.2.2 詳細設(shè)計

詳細設(shè)計是對總體方案設(shè)計的技術(shù)細化，主要任務(wù)是對每個模塊進行詳細設(shè)計。小組成員需按照總體方案設(shè)計要求， 運用所學(xué)的專業(yè)知識，利用相應(yīng)的工具和平臺進行詳細技術(shù)設(shè)計。下面以施肥控制系統(tǒng)為例進行說明，施肥控制系統(tǒng)由STM32 單片機來控制整個系統(tǒng)的運行，當(dāng)機器行駛到蘋果園不同位置時，施肥機按照蘋果園施肥作業(yè)處方圖的要求由施肥機械部分開出肥溝，施肥控制系統(tǒng)控制排肥器完成變量施肥，該任務(wù)需要學(xué)生完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、 軟件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計包括：單片機選型、電源模塊設(shè)計、穩(wěn)壓模塊設(shè)計、通信模塊、排肥控制、GPS 模塊、超聲波等硬件設(shè)計選型及電路板繪制。 軟件系統(tǒng)設(shè)計包括：主程序、變量施肥控制、超聲波測距、GPS 定位等程序編寫、調(diào)試、測試等任務(wù)。 教師在項目實施過程中提供項目資源及技術(shù)支持，同時，各項目小組成員在項目任務(wù)驅(qū)動下自主學(xué)習(xí)，通過項目實踐鍛煉自主學(xué)習(xí)和專業(yè)知識的工程實踐能力。

2.3 項目實現(xiàn)

項目實現(xiàn)階段是整個項目教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，項目小組通過構(gòu)思、設(shè)計等環(huán)節(jié)的鍛煉，接下來需要完成項目的實現(xiàn)，即將設(shè)計的產(chǎn)品圖紙轉(zhuǎn)換成具體的實物產(chǎn)品。此階段項目小組需共同協(xié)作完成開溝施肥機械零部件組裝， 電氣元件安裝、接線、程序調(diào)試等工作，并對安裝調(diào)試的智能蘋果園施肥機進行田間試驗，根據(jù)試驗過程出現(xiàn)的問題進行優(yōu)化改進。通過整個項目實現(xiàn)過程鍛煉學(xué)生動手實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及嚴(yán)謹(jǐn)細致精益求精的工匠精神。

2.4 項目運行

項目運行階段主要任務(wù)要求是保證智能蘋果園開溝施肥機工作時運行順暢， 施肥作業(yè)效果達到項目任務(wù)中規(guī)定的性能參數(shù)， 在條件允許的情況下在蘋果試驗園內(nèi)對果農(nóng)進行樣機技術(shù)推廣應(yīng)用示范，模擬編寫產(chǎn)品說明書，進行市場推廣。

2.5 項目實施效果

通過對學(xué)生訪談、填寫調(diào)查問卷、考核關(guān)鍵知識點等方式， 證明了 “智能蘋果園施肥機”CDIO 項目教學(xué)模式能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力等得到有效提升。 教學(xué)實施過程中，通過CDIO 項目教學(xué)與學(xué)科競賽相結(jié)合，“以賽促練、以賽促學(xué)”做到課賽融合，在參與競賽過程中，鍛煉學(xué)生理論知識轉(zhuǎn)化為實踐的能力，例如筆者利用 “智能蘋果園施肥機” 項目產(chǎn)品參加2023 年山東省機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計競賽并獲得一等獎， 參與學(xué)生申請并授權(quán)實用新型專利1 項，并發(fā)表科研論文1 篇。

3 結(jié)語

結(jié)合新農(nóng)科建設(shè)的內(nèi)涵和要求，本文積極探索新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項目化教學(xué)設(shè)計與實施，借鑒CDIO 工程教育理念，以“智能蘋果園施肥機”項目教學(xué)為例，開展項目的“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行” 四個環(huán)節(jié)教學(xué)改革論述，同時，結(jié)合新時代國家對農(nóng)林院校學(xué)生的要求，教學(xué)實施過程中融入課程思政要素，實現(xiàn)課程思政育人。 教學(xué)實踐表明：新農(nóng)科背景下智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)項目化教學(xué)設(shè)計與實施，能夠有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和工程實踐能力， 創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作精神、 知農(nóng)愛農(nóng)情懷顯著增強， 通過CDIO 項目式教學(xué)積極探索培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型智能農(nóng)業(yè)裝備科技人才，為國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略需求提供人才保障。