新农科建设中“计算机程序设计”课程的教学改革

倪 军，姚立立，蒋小平，胡金钊

(南京农业大学 农学院，江苏 南京 210095)

随着智慧农业的发展，新农科教学体系日渐雏形。国家、省相关部门和专业学会应运设置了与农业物联网、农业人工智能、农业大数据、农业智能装备等内容相关的大学生科技竞赛，既丰富了大学生科技竞赛的主题，又强化了农学知识与信息技术的结合，符合现代农业产业链建设以及新农村发展的需求。但就现阶段情况而言，单一的农学知识或信息技术根本无法适应此类竞赛，无法满足社会对复合型人才的需求[1]。

针对当前农学专业“计算机程序设计”课程的教学目标性弱，与农学知识结合不紧密，学生普遍感到枯燥、吃力以及实际应用面窄等问题，提出了面向科技竞赛及实际应用的新农科专业“计算机程序设计”课程教学改革方法，以培养学生综合运用农学知识和信息技术的能力。通过以大学生科技竞赛应用实际为驱动，与当前农业物联网、农业大数据、农业人工智能、农业智能化装备等相关学术科技竞赛及实际应用相结合，改变当前枯燥的教师单向传递知识、学生被动学习的教学模式，可极大地激发学生学习“计算机程序设计”的兴趣与积极性，提高学生学习的目标性、自主性和创新性[2]。

1 教学现状

2019年，由教育部高等教育司指导、教育部新农科建设工作组主办的“新农科建设安吉研讨会”在浙江省安吉县余村召开。全国涉农高校凝聚形成了《安吉共识》，发出了建设新农科的宣言，成为了中国高等农林教育发展进入新时代的一个鲜明标志。《安吉共识》指出，新农科建设要培养创新型、复合应用型、实用技能型农林新才[3]。当前，农业物联网、农业大数据、农业人工智能等新兴交叉技术兴起，并在新农村建设中表现出巨大的潜力，充实了新农科教育的内涵[4]。

目前，我国多数高校“计算机程序设计”课程一直沿用传统理论与实验相结合的教学模式。传统理论教学内容往往过于空洞，课程内容只讲授一些基本概念、基本语法，忽略了培养学生用计算机解决问题的能力，尤其是构建算法来描述农业生产过程的能力。此外，传统理论教学还存在教学过程单一、考核形式死板等问题。教师授课大多依赖于PPT讲解，根据教材章节按部就班，教学过程“一言堂”，枯燥且着重突出基本语法，让学生丧失学习“计算机程序设计”的兴趣。接近90%的同学错误地将“计算机程序设计”与程序员培养等价起来，忽视了掌握程序设计语言可以提高运用专业知识的能力。在考核形式方面，传统“计算机程序设计”课程通常以上机实验成绩、学生课堂表现及结课考试成绩为主，难以体现学生真正的逻辑思维、编程能力及解决实际问题能力。对农学专业的学生来说，更无法体现利用计算机编程综合运用农业知识的能力。此外，该课程一般针对大学低年级学生开设，多数学生未接触过计算机语言编程类课程，在学习过程中会感到课程抽象、枯燥，从而降低了学习的主动性和积极性[5]。

2 教学改革措施

美国、英国、日本、荷兰等农业发达国家对信息农业、智慧农业等交叉学科的教学及科研关注度较高，支持力度较大。在农科背景下的“计算机程序设计”教学应注重培养学生的想象能力和创造能力，并简化语法教学，强调所要实现的目标，通过开展学术知识竞赛激发学生自主学习的兴趣，达到理论结合实际的目的。

2.1 基于新农科打造“计算机程序设计”课程教学团队

“计算机程序设计”课程与农科专业知识的结合是一个抽象的过程。在传统的农科“计算机程序设计”课程教学过程中，由于缺乏农科的相关专业知识，很多具有计算机科学专业背景的教师往往不具备理论与实际结合的能力，仅仅将农科知识与计算机程序设计编织为一个公理化的系统，通过少数老旧的应用案例对其进行讲解，无法做到与时俱进。

近年来，我国从欧美农业发达国家留学归国的人才逐渐增多，具备交叉学科背景的高学历人才数量不断增加。南京农业大学、中国农业大学、华南农业大学等传统农业强校也不断推陈出新，陆续开设了农业信息学、农业遥感、农业大数据、农业物联网等新农科背景下的计算机程序设计相关专业。农科与计算机科学交叉学科人才的不断输送使得打造专业的教学团队成为可能，通过对相关人才的筛选，遴选出从事信息农业教学与科研的一线教师以及相关专业的博士生助教。这些人才不仅具备良好的计算机程序编写能力，而且还具备丰富的智慧农业科研项目经历，能够很好地将信息技术与传统农学知识相结合，对学生在学习中出现的各种问题可以及时解答并积极引导。

2.2 以科技竞赛应用实例教学替代传统照本宣科授课形式

从目前来看，大部分农科背景的大学生对计算机编程缺乏兴趣，无法理解将计算机编程应用于农业现代化的具体进程，只是为了应付考试而学习，创造力受到了极大限制。久而久之，他们不愿意主动学习，不明白农学专业为什么还要学习计算机编程，从而迷失了自己工作和学习的方向[6]。此外，传统的“计算机程序设计”课程知识体系非常严谨，教师往往经历了长期的理论语法学习与编程训练，但农科背景下的学生并没有足够的时间去专注于这样的训练。若教师没有根据学生的实际情况去授课，往往适得其反，使学生对教材产生抗拒，甚至厌恶老师。

以科技竞赛应用实例教学替代传统照本宣科的授课形式，将传统的教学与大学生科技竞赛相结合，在课程教学中引入竞赛项目，能够激发学生对农业问题求解的兴趣。通过分析竞赛题目中所涉及的知识点和语法，引导学生进一步思考，逐步求解，可有效提高学生动手实践的主动性。此外，在实际教学中，应改变以往教学实践中的上机实验内容，分类别、分层次、分功能设计多种题型模块，学生可按自己的学习能力及学习兴趣自由选择上机实验内容，除规定上机实践内容外，鼓励学生参考大赛题目，分析以往大赛作品的优劣，提出自己的分析思路，提高实践应用能力[7]。教师授课过程中，鼓励学生组建兴趣小组，组建团队共同完成课程学习、实践任务及大赛题目，学生遇到问题后能够通过相互讨论及时解决，有利于提高整个团队的团队协作能力，培养学生的编程技巧和自学技能。

2.3 改变传统课程的考核模式

由于传统农科背景下“计算机程序设计”课程的教学学时较短，课程考核大多采用书面理论考试与上机实验相结合的模式，考核内容以计算机编程语法理论为主，基本与农业学科脱节。学生只要在规定考试时间内确保基础算法及语法正确即可，并不注重于培养学生对于所学知识的实际应用能力。长此以往，学生对于该课程的学习态度将完全转变为应付期末测试，而并非将所学知识切实地应用于实际农业生产。因此，应根据新农科背景下“计算机程序设计”的课程特色改变传统课程考核模式。

通过分析历年国家级、省部级、市县级计算机程序设计大赛、电子设计大赛、物联网知识竞赛等大学生课外学术科技作品竞赛题目，挑选能够兼顾计算机程序设计能力及农业科学知识的优质大赛题目为课程考核题目，并给予学生充足的创作时间及创作自由度，让学生自由挑选题目、发挥想象、创造作品[8]。任课教师综合考虑作品的算法思路、完整度、创新性及实用性给定评分。在这种考核模式的驱动下，由于不受传统考试框架的束缚，学生能够充分发挥主观能动性，自主学习，深入学习，更好地去理解“计算机程序设计”在农业科学中的应用价值。

3 以科技竞赛为驱动的教学案例

根据2019年首届江苏省研究生智慧农业科研创新实践大赛农业物联网竞赛主题制定了“基于移动机器人的小麦长势物联网监测平台设计”课程项目；根据2021年第七届3S杯大学生物联网技术与应用“三创”大赛的农业应用创新类主题，开发了“农田墒情和水位监测系统设计”的课程项目。

在“基于移动机器人的小麦长势物联网监测平台设计”课程项目开展期间，授课教师通过与学生讨论构建了项目基本框架，所有参与的学生与授课教师均保持着长期紧密的沟通。学生除了在教学课时内专注、努力学习外，还花费了大量课余时间在该课程项目的创作中。在对于小车的运动控制的学习过程中，学生们熟练掌握了C语言的3种主要循环语句while，do…while，for的编写以及实际应用。在小车传感器数据采集部分的学习过程中，除了主要循环语句外，学生们还掌握了条件判断语句if，if…else，switch的编写以及应用。此外，在博士生助教的帮助下，学生基本了解了C语言状态机的编写方法以及与不同传感器的读写协议编写方法。学生创作的作品能够实现机器人的运动控制及多传感器集成平台的数据高通量获取，为小麦不同生育期的田间水肥管理等措施提供实时、准确、高通量的数据信息支持。该作品荣获该年度江苏省研究生智慧农业科研创新实践大赛特等奖。基于移动机器人的小麦长势物联网监测平台如图1所示。

在“农田墒情和水位监测系统设计”课程项目开展期间，学生充分掌握了土壤水分信息获取的原理、田间水位监测的原理等农学知识以及Arduino单片机C语言编程等计算机程序设计能力。作品包括土壤剖面水分传感器、持水层水位高度检测装置和墒情水位信息监测平台3部分。土壤剖面水分传感器能实时稳定地检测不同土壤层体积含水率。持水层水位高度检测装置采用光谱技术获得田间水位信息。土壤剖面水分传感器和持水层水位高度检测装置作为无线传感网络的终端节点，能够将农田水分空间分布信息、持水层水位深度信息上传至云端，并通过信息监测平台对上传的信息进行解析、存储和显示，为精确灌溉和水田排涝等田间作业提供参考。该作品具有较高的实际使用价值，荣获 2021年第七届3S杯大学生物联网技术与应用“三创”大赛一等奖。

4 结束语

农业物联网、农业大数据、农业人工智能等新兴交叉技术的兴起给新农科的建设带来了新的挑战和机遇。“计算机程序设计”是新农科建设的重要组成部分，然而，其授课方式受传统教学观念的影响，往往注重于编程语法理论的讲解与考核，导致其与实际农业生产严重脱节，使得课堂教学枯燥乏味。以科技竞赛为驱动的新农科建设中“计算机程序设计”课程教学改革抓住了当前农科与计算机学科交叉技术融合过程中的痛难点，尝试以科技竞赛为驱动力，紧扣生活实际，丰富课堂内容。实际教学案例表明，采用该方法进行教学能够充分发挥学生的想像力与创造力，提高其学习兴趣，真正契合学以致用的教学宗旨，从而更好地为国家输送新型农业科技人才。