“分散-贯穿式”农业工程专业《C语言与单片机应用开发》课程实践教改设计

翁海勇，李海芸，刘 浪，吴仁烨，叶大鹏

（1.福建农林大学机电工程学院 福建，福州 350002；2.现代农业装备福建省高校工程研究中心 福建，福州 350002；3.福建农林大学农学院 福建，福州 350002）

农业工程专业属于交叉学科，通过综合应用各种工程技术手段、为农业生产提供方法和工具，以期提高农业生产效率、改善劳动者生产条件，是现代科学技术与农业产业化、现代化的有机结合[1-3]。目前农业工程专业的学生的专业知识博而不精。农业工程是课程开展最多的几个专业之一，不仅要求精通机电方面知识，还需要掌握农学、植物、食品工程等相关内容。其知识面虽然涵盖广、跨度大，但也导致学生对专业知识的理解和实践深度不够[4]。随着高校的扩招，毕业生人数也不断增加，而如何拥有核心竞争力，满足企业所设定的高门槛，是亟需解决的问题[5]。另一方面，在农林类高校实际教学实践过程中，农业工程本科教学工作主要以提纲掣领式的理论为主，对学生如何将所学的知识应用到现代化农业生产活动中的研究较少，实践课时明显不足，农业工程本科生工程能力实践培养环节相对薄弱[6]。为了打破农业工程专业本科生在不同课程中形成的知识“孤岛”[7]，在有限的教学经费和实践场地的背景下，立足于本学院的本科实践基地，依托农学院、植保院、动科院的本科教学基地，采用“分散-贯穿式”教学方式将课程实践分散贯穿到整个教学周期，使理论和农业工程学科实践充分融合。

C语言与单片机应用开发是农业工程专业学生的主干课程。通过该课程的实践，以期培养本科生学生们具有农业环境分析、传感器选型、程序算法开发、农业信息检测、信号处理、电路设计及农业环境调控等能力。因此，本文以农业工程专业的C语言与单片机应用开发课程为研究对象，以农业生产环境需求分析、农业环境监测以及农业环境数据处理为研究内容，锻炼学生分析和解决农业生产中工程问题的能力，从而为培养新世纪复合型工程技术人才提高人才储备提供保障。

1 教学模式

1.1 教学实践内容设计

将C语言与单片机应用开发课程的知识进行分散，并将贯穿到整个教学周期。在第一节引导课的课堂上，教师介绍该课程在农业工程领域中的应用场合，如高通量植物表型分析平台的运动自动控制、植株的目标识别、激发光源的程序控制等；农业拖拉机作业过程中的自动导航、作业路径规划；鸡舍猪舍的废弃物监测与控制、动物的生理状态高通量监测等。目的是激发学生对本课程的学习积极性和信心，提高学生对该课程学习的内在驱动力，使学生明白学有所用，培养学生对该课程在农业工程中应用的总体认识。针对初学者，该课程存在C语言知识结构逻辑性强、概念多，单片机寄存器功能及名称复杂等问题。随着教学的进行，有必要将课程中的知识进行模块化，将单片机硬件系统、内部资源以及C51程序编写规则进行充分讲解，通过布置单片机最小系统设计绘制、寄存功能资源及分配以及程序编写等课后作业，使学生扎实掌握每个教学模块。

紧接着对整个班级的学生进行分组，每组3-4人，开展组内合作，组间竞争的方式，采取组内自评、组间互评以及研究生助教和教师评价相组合的综合评价体系，最终形成教师教学团队为主导的师生协同教学模式。由于该课程的实践课时安排有限，为了增加实践时间，需要把课程实践贯穿到整个教学期，充分利用学生的课余时间。因此，实践课程内容的在开学初导论课后就根据各个小组的意愿完成分配。每个小组的实践内容虽然侧重点不同，但是均需要本课程的所有知识。在这个过程中，学生的学习积极性被充分调动，他们通过理论课堂学习和自身的认知来选择农业工程领域中的某个问题作为实践内容，这能够培养他们分析问题和解决问题的能力。通过目标导向规划自己的实践内容，并将知识点进行分割，加强了学生自身剖析问题的能力。实践课程内容选定后，学生根据自身的时间合理安排课程实践进度，利用课余时间完成实践内容。在有限的课堂实验课上，教师和助教研究生则主要是听取学生汇报。每组学生的汇报内容包括：每个人在上一阶段做了哪些工作？实践过程中遇到什么问题并且是如何解决的以及未来一段实践的计划。在整个过程中，结合渐近式的教学方法，设计从易到难的实践内容，逐步提高和巩固学生的专业知识和实践动手能力，与“由简单到复杂，由单一到多样”的教学规律保持一致[8]。

1.2 实践效果评价

为了改变传统上以教师来决定学生成绩的方式，本研究构建了由教师、助教、自评、组内互评和组间互评组成的多元评价体系（如图1a所示）。教师将一个班级的学生划分成5组，每组根据自身意愿自由组合成员（图1b）。每个小组根据自身的选题展开方案讨论以及任务分工（图1c）。同时，每组的每个成员必须在每次的实验课课堂上进行PPT口头汇报，通过该方式能够不仅能锻炼学生演讲能力、PPT制作能力，同时也让其他同学清楚的了解该同学的实践参与度和实践作品成果（图1d）。教师、助教和其他学生根据该同学的汇报和展示效果进行打分，克服了被评估者由功利性或者同学之间人情造成成绩偏差，这能够使学生清楚客观地了解到自己的实践效果，从而激励自己投入更多的时间学习和实践（图1e）。同时在期末，按照规定的格式要求各组提交实践报告。该实践报告需由各个组的所有小组成员参与撰写，进一步锻炼学生撰写总结报告的能力。学生期末的成绩由教师、助教和其他学生每次评分和实践报告的得分组成（图1f）。

图1 多元评价体系（a）、队伍划分（b）、组内方案讨论及任务分工（c）、进展报告（d）、打分（e）和实践报告的最终得分（f）

2 实践效果和案例分析

下面以实际教学过程种的一组学生的实践内容“油菜叶绿素快速检测仪开发”为例进行进一步阐述（如图2）。在该案例中，该队成员通过查询资料，认为传统上采用紫外分光光度计在油菜叶绿素测量过程种存在检测时间长、破坏性、检测结果滞后等问题，无法满足现代农业对作物生理状态实时高效检测的要求。因此，有必要开发一款操作简单且检测效率高的仪器。根据文献检索，该小组成员一致认为利用单片机平台开发基于反射光谱技术的油菜叶片的叶绿素含量的快速检测仪是实现油菜生理状态监测最有效的方式，能够满足油菜叶片叶绿素高通量检测要求，并且仪器制作成本低，开发难度适中，非常适合本课程的课程实践。在整个过程中，在教师主导和研究生助教的协助下，该组学生完成实验对象准备（油菜，图2b）、实验内容（光电传感器获取油菜叶片对不同波段的反射率并建立机器学习模型，图2c）、实验手段（利用C51编程在51单片机平台上获取不同波段的反射下光电传感器的电压值，图2d、3e和3f）以及任务进行详细分析以及最后的功能实现（图2g）。从由最初的兴趣选择过渡到为达到实验目标而进行的中期阶段探索，最终通过团队协助完成开放式实验的自主创新。

图2 农业工程本科生课程实践设计流程图（a）、油菜种植（b）、光电传感器功能测试（c）、单片机选型和C51程序编写（d）、PCB制板（e）、3D外壳打印以及各个模块组装（f）和机器模型构建实现叶绿素含量无损检测（g）

3 结语

农业工程专业C语言与单片机应用开发实践课程模式的探索是一个长期漫长的工程，它涉及到教学管理体制，教学方式方法和教师队伍建设等多方面。尽管在教学过程中会存在一些问题还需要进一步完善，如该课程投入精力大，导致教师和助教承接这门课的意愿降低。但是通过该课程的实践，不仅促进了教师的授课水平的提高，使得师生之间的互动更加紧密，而且有效的激发了学生对这门课的学习积极性和趣味性，提升了学生的工程实践能力和创新意识。