農(nóng)林院校單片機(jī)課程知識(shí)體系重構(gòu)與教學(xué)實(shí)踐

閆勇 陳衛(wèi) 許正榮 饒?jiān)? 孟浩

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與技術(shù)課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程之一。在新農(nóng)科建設(shè)背景下，農(nóng)林院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)應(yīng)該結(jié)合農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展對(duì)信息技術(shù)的需要，調(diào)整單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式。據(jù)此，以應(yīng)用為導(dǎo)向重構(gòu)單片機(jī)教學(xué)知識(shí)體系，并在理論、、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采用多種新的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)教學(xué);知識(shí)體系重構(gòu);專題式教學(xué);以應(yīng)用為導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0117-02

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化、信息化、智能化發(fā)展程度的不斷提高，智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械、溫室大棚控制、畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品研發(fā)，對(duì)于農(nóng)林院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生單片機(jī)開發(fā)水平的要求也越來(lái)越高。2018年底正式啟動(dòng)的“新農(nóng)科”建設(shè)也要求充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造升級(jí)傳統(tǒng)農(nóng)科，這代表了現(xiàn)代農(nóng)林科技發(fā)展的新方向新趨勢(shì)。在這樣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求背景下，農(nóng)林院校中計(jì)算機(jī)類專業(yè)的單片機(jī)課程教學(xué)迎來(lái)了一次改革的契機(jī)。

1 現(xiàn)狀

相對(duì)于工科院校而言，通常在以農(nóng)林科為主的農(nóng)林院校里，單片機(jī)課程的定位比較模糊，在理論與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在以下問(wèn)題。

1）現(xiàn)有單片機(jī)教學(xué)大綱特色不明顯，與工程實(shí)踐脫節(jié)，與所在農(nóng)業(yè)院校優(yōu)勢(shì)學(xué)科結(jié)合不緊密。

目前單片機(jī)課程教學(xué)大綱大多保持與工科院校一致，教學(xué)內(nèi)容沒有考慮到單片機(jī)技術(shù)與本校農(nóng)業(yè)學(xué)科發(fā)展及需求相結(jié)合，使得該課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)沒有形成特色，降低了單片機(jī)課程的吸引力與應(yīng)用價(jià)值。

2）現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容偏重理論，而實(shí)踐不足。缺少實(shí)踐、創(chuàng)新的教學(xué)環(huán)節(jié)，缺少外部評(píng)價(jià)的機(jī)制。

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。目前延用傳統(tǒng)的課堂講授理論知識(shí)為主的教學(xué)方式，很少在設(shè)計(jì)電路、編寫軟件這樣的項(xiàng)目實(shí)施中邊練邊學(xué)?？己朔绞揭约埫婵荚嚍橹?沒有外部的評(píng)價(jià)機(jī)制，檢驗(yàn)不出實(shí)際的教學(xué)效果。

3）教學(xué)形式陳舊僵化，學(xué)生學(xué)習(xí)比較被動(dòng)，師生交流較少。由于課堂教學(xué)時(shí)間有限，教學(xué)內(nèi)容繁多，教學(xué)以課堂灌輸為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)傳授。老師與學(xué)生交流的機(jī)會(huì)很少，缺乏互動(dòng)，課下也缺乏有效的溝通方式和平臺(tái)。

4）實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)缺乏應(yīng)用場(chǎng)景。

目前單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以實(shí)驗(yàn)箱為主。學(xué)生不易理解電路結(jié)構(gòu)，并且由于試驗(yàn)箱硬件資源所限，難以設(shè)計(jì)具有新意的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)方案。

2 重構(gòu)與實(shí)踐

基于在單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的以上各種問(wèn)題，單片機(jī)課程教學(xué)亟待需要從根本上進(jìn)行知識(shí)體系的重構(gòu)和教學(xué)方式的改革。

2.1 以應(yīng)用為導(dǎo)向重構(gòu)單片機(jī)知識(shí)體系

以單片機(jī)技術(shù)在農(nóng)學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)單片機(jī)課程的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、各教學(xué)環(huán)節(jié)安排，規(guī)劃相關(guān)課程的聯(lián)系與分工，貫穿“知識(shí)、能力、素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展。

單片機(jī)課程的教學(xué)應(yīng)該包含理論教學(xué)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合實(shí)踐教學(xué)三個(gè)環(huán)節(jié)。其中理論教學(xué)大綱需要在保證單片機(jī)最小系統(tǒng)基本知識(shí)點(diǎn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)增加與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集與傳送等知識(shí)內(nèi)容，為單片機(jī)技術(shù)找到在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用場(chǎng)景。增加溫濕度傳感器、土壤含水量、微量元素傳感器、鍵盤顯示器等人機(jī)接口、總線技術(shù)、Zigbee等無(wú)線傳輸技術(shù)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在保證驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如大棚環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)、土壤含水率監(jiān)測(cè)及顯示系統(tǒng)等。綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)將在實(shí)驗(yàn)室與學(xué)校農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田之間開展，課程教學(xué)內(nèi)容來(lái)源于試驗(yàn)田農(nóng)事操作過(guò)程中提出的實(shí)際需求。

2.2 多種教學(xué)手段促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐;

單片機(jī)課程的理論教學(xué)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合實(shí)踐教學(xué)三個(gè)環(huán)節(jié)，各自理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的比重不同，需要有針對(duì)性的采用不同的教學(xué)方式和手段。

2.2.1 “專題式+混合式"的理論教學(xué)

“專題式”教學(xué)著眼于教學(xué)大綱中教學(xué)內(nèi)容的組織形式。傳統(tǒng)方式是按照教學(xué)大綱的要求從前到后按部就班的講解，存在著各知識(shí)點(diǎn)彼此獨(dú)立不能有機(jī)結(jié)合解決綜合問(wèn)題的缺點(diǎn)?！皩ｎ}式教學(xué)”在縱橫兩個(gè)維度上將單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的需求進(jìn)行合理的整合提煉。在縱向上以教學(xué)結(jié)構(gòu)螺旋反復(fù)為指向，走“積極向前，循環(huán)上升”之路;橫向上則以教學(xué)內(nèi)容中知識(shí)的相互作用為指向，走知識(shí)結(jié)構(gòu)與認(rèn)知結(jié)構(gòu)相結(jié)合的道路。專題式教學(xué)側(cè)重于將一個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的整合，為學(xué)生提供以專題為單位的知識(shí)系統(tǒng)梳理和理念深度把握，將陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)與策略性知識(shí)三者有機(jī)結(jié)合、充分展現(xiàn)，將靜態(tài)知識(shí)賦予了動(dòng)態(tài)意義。

“混合式”教學(xué)是著眼于教學(xué)過(guò)程中教師與學(xué)生的角色變化和參與程度而提出的一種教學(xué)模式。傳統(tǒng)理論教學(xué)是以教師在課堂上單向講授理論知識(shí)為主，學(xué)生被動(dòng)接受;教師很難把握學(xué)生很難把握學(xué)生掌握程度;學(xué)生也比較盲目，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高。混合式教學(xué)，即將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)的一種“線上”+“線下”的教學(xué)。學(xué)生預(yù)先利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)主動(dòng)地學(xué)習(xí)基本知識(shí)點(diǎn)，并通過(guò)在線測(cè)試工具總結(jié)記錄掌握情況;在線下，教師根據(jù)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)反饋的學(xué)習(xí)情況，有目的的查缺補(bǔ)漏、重點(diǎn)講解之后混合教學(xué)把“線上”+“線下”這兩種教學(xué)組織形式有機(jī)的結(jié)合，可以讓學(xué)生的學(xué)習(xí)由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。

2.2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)的教學(xué)工具是實(shí)驗(yàn)箱。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生按照說(shuō)明書提示的方法連線以及下載例程。由于實(shí)驗(yàn)箱是設(shè)計(jì)好電路并焊接封裝了元器件，學(xué)生不容易了解電路結(jié)構(gòu)和軟件運(yùn)行過(guò)程。另外實(shí)驗(yàn)箱投資較大，損耗大，外圍傳感器模塊和執(zhí)行器件模塊更新補(bǔ)充不及時(shí)。并且學(xué)生課下沒有試驗(yàn)箱的輔助無(wú)法自主地開展實(shí)驗(yàn)。

Keil+Proteus的虛擬仿實(shí)驗(yàn)真平臺(tái)可以替代實(shí)驗(yàn)箱成為功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)工具。Keil C51德國(guó)Keil software 公司（現(xiàn)已被ARM公司收購(gòu)）開發(fā)的用于8051單片機(jī)C51語(yǔ)言編程的集成開發(fā)環(huán)境，集編輯、編譯、仿真等功能于一體，具有強(qiáng)大的軟件調(diào)試功能生，生成的程序代碼運(yùn)行速度快，所需存儲(chǔ)器空間小，是目前8051單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中最優(yōu)秀的軟件開發(fā)工具之一。Proteus是英國(guó)Labcenter Electronics公司推出的完全使用軟件手段來(lái)對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真的軟件工具，可仿真8051系列、PIC12/16/18系列、AVR系列等主流系列單片機(jī)以及各種外圍可編程接口芯片。用戶可以不需要硬件樣機(jī)，用戶就可以在PC機(jī)上對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真。目前Proteus已在包括劍橋大學(xué)、斯坦福大學(xué)、牛津大學(xué)、加州大學(xué)在內(nèi)的數(shù)千所高校以及世界各大研發(fā)公司中得到廣泛應(yīng)用。

采用Keil+Proteus的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以使學(xué)生擺脫硬件實(shí)驗(yàn)條件的束縛，在課堂教學(xué)之外采取主動(dòng)學(xué)習(xí)的方法，鞏固和加強(qiáng)單片機(jī)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。

2.2.3 “以應(yīng)用為導(dǎo)向+企業(yè)導(dǎo)師””的實(shí)踐教學(xué)

單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是最能夠體現(xiàn)工科特點(diǎn)的部分。在這個(gè)環(huán)節(jié)，采用“以應(yīng)用為導(dǎo)向”的教學(xué)指導(dǎo)思想，在教學(xué)過(guò)程中引入“企業(yè)導(dǎo)師”角色。模擬工程開發(fā)形式，將學(xué)生分組成為團(tuán)隊(duì)，在教師和企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下，按照工程化設(shè)計(jì)規(guī)范要求，根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)硬件電路焊接元器件、編寫軟件代碼并下載到單片機(jī)內(nèi)，最后在焊接好的電路板上調(diào)試運(yùn)行。實(shí)踐教學(xué)的課題必須圍繞農(nóng)業(yè)信息化、智能化應(yīng)用的主題來(lái)設(shè)計(jì)，考查學(xué)生對(duì)理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用能力。企業(yè)導(dǎo)師按照工程項(xiàng)目開發(fā)驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)和驗(yàn)收學(xué)生的實(shí)踐成果。這種“以應(yīng)用為導(dǎo)向+企業(yè)導(dǎo)師”的實(shí)踐教學(xué)方式，可以使學(xué)生體驗(yàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程項(xiàng)目從功能需求調(diào)研到設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的完整過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)分析解決問(wèn)題的能力，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。

3 結(jié)論

綜上所述，由于結(jié)合了本校農(nóng)學(xué)等優(yōu)勢(shì)學(xué)科的應(yīng)用場(chǎng)景，教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過(guò)調(diào)整完善，凸顯了其應(yīng)用特色，教學(xué)目標(biāo)明確，培養(yǎng)目標(biāo)清晰。在理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，分別采用“專題式+混合式”、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、“以應(yīng)用為導(dǎo)向+企業(yè)導(dǎo)師”等教學(xué)方法，從注重理論知識(shí)的教學(xué)逐步過(guò)渡到實(shí)踐能力的培養(yǎng)，多方面調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性主動(dòng)性。經(jīng)過(guò)單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)的項(xiàng)目開發(fā)，學(xué)生可以了解系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，并熟練地利用各種電路調(diào)試工具和軟件編程技術(shù)，培養(yǎng)了相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域方面的整體系統(tǒng)觀以及能夠進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的貫通能力。同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中，還培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等多方面能力。

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[通聯(lián)編輯：王力]