新農(nóng)科建設中“計算機程序設計”課程的教學改革

倪 軍，姚立立，蔣小平，胡金釗

(南京農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，江蘇 南京 210095)

隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，新農(nóng)科教學體系日漸雛形。國家、省相關部門和專業(yè)學會應運設置了與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)人工智能、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)智能裝備等內(nèi)容相關的大學生科技競賽，既豐富了大學生科技競賽的主題，又強化了農(nóng)學知識與信息技術的結(jié)合，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈建設以及新農(nóng)村發(fā)展的需求。但就現(xiàn)階段情況而言，單一的農(nóng)學知識或信息技術根本無法適應此類競賽，無法滿足社會對復合型人才的需求[1]。

針對當前農(nóng)學專業(yè)“計算機程序設計”課程的教學目標性弱，與農(nóng)學知識結(jié)合不緊密，學生普遍感到枯燥、吃力以及實際應用面窄等問題，提出了面向科技競賽及實際應用的新農(nóng)科專業(yè)“計算機程序設計”課程教學改革方法，以培養(yǎng)學生綜合運用農(nóng)學知識和信息技術的能力。通過以大學生科技競賽應用實際為驅(qū)動，與當前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)人工智能、農(nóng)業(yè)智能化裝備等相關學術科技競賽及實際應用相結(jié)合，改變當前枯燥的教師單向傳遞知識、學生被動學習的教學模式，可極大地激發(fā)學生學習“計算機程序設計”的興趣與積極性，提高學生學習的目標性、自主性和創(chuàng)新性[2]。

1 教學現(xiàn)狀

2019年，由教育部高等教育司指導、教育部新農(nóng)科建設工作組主辦的“新農(nóng)科建設安吉研討會”在浙江省安吉縣余村召開。全國涉農(nóng)高校凝聚形成了《安吉共識》，發(fā)出了建設新農(nóng)科的宣言，成為了中國高等農(nóng)林教育發(fā)展進入新時代的一個鮮明標志?！栋布沧R》指出，新農(nóng)科建設要培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合應用型、實用技能型農(nóng)林新才[3]。當前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)人工智能等新興交叉技術興起，并在新農(nóng)村建設中表現(xiàn)出巨大的潛力，充實了新農(nóng)科教育的內(nèi)涵[4]。

目前，我國多數(shù)高校“計算機程序設計”課程一直沿用傳統(tǒng)理論與實驗相結(jié)合的教學模式。傳統(tǒng)理論教學內(nèi)容往往過于空洞，課程內(nèi)容只講授一些基本概念、基本語法，忽略了培養(yǎng)學生用計算機解決問題的能力，尤其是構建算法來描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的能力。此外，傳統(tǒng)理論教學還存在教學過程單一、考核形式死板等問題。教師授課大多依賴于PPT講解，根據(jù)教材章節(jié)按部就班，教學過程“一言堂”，枯燥且著重突出基本語法，讓學生喪失學習“計算機程序設計”的興趣。接近90%的同學錯誤地將“計算機程序設計”與程序員培養(yǎng)等價起來，忽視了掌握程序設計語言可以提高運用專業(yè)知識的能力。在考核形式方面，傳統(tǒng)“計算機程序設計”課程通常以上機實驗成績、學生課堂表現(xiàn)及結(jié)課考試成績?yōu)橹?，難以體現(xiàn)學生真正的邏輯思維、編程能力及解決實際問題能力。對農(nóng)學專業(yè)的學生來說，更無法體現(xiàn)利用計算機編程綜合運用農(nóng)業(yè)知識的能力。此外，該課程一般針對大學低年級學生開設，多數(shù)學生未接觸過計算機語言編程類課程，在學習過程中會感到課程抽象、枯燥，從而降低了學習的主動性和積極性[5]。

2 教學改革措施

美國、英國、日本、荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家對信息農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等交叉學科的教學及科研關注度較高，支持力度較大。在農(nóng)科背景下的“計算機程序設計”教學應注重培養(yǎng)學生的想象能力和創(chuàng)造能力，并簡化語法教學，強調(diào)所要實現(xiàn)的目標，通過開展學術知識競賽激發(fā)學生自主學習的興趣，達到理論結(jié)合實際的目的。

2.1 基于新農(nóng)科打造“計算機程序設計”課程教學團隊

“計算機程序設計”課程與農(nóng)科專業(yè)知識的結(jié)合是一個抽象的過程。在傳統(tǒng)的農(nóng)科“計算機程序設計”課程教學過程中，由于缺乏農(nóng)科的相關專業(yè)知識，很多具有計算機科學專業(yè)背景的教師往往不具備理論與實際結(jié)合的能力，僅僅將農(nóng)科知識與計算機程序設計編織為一個公理化的系統(tǒng)，通過少數(shù)老舊的應用案例對其進行講解，無法做到與時俱進。

近年來，我國從歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達國家留學歸國的人才逐漸增多，具備交叉學科背景的高學歷人才數(shù)量不斷增加。南京農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)大學、華南農(nóng)業(yè)大學等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)強校也不斷推陳出新，陸續(xù)開設了農(nóng)業(yè)信息學、農(nóng)業(yè)遙感、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新農(nóng)科背景下的計算機程序設計相關專業(yè)。農(nóng)科與計算機科學交叉學科人才的不斷輸送使得打造專業(yè)的教學團隊成為可能，通過對相關人才的篩選，遴選出從事信息農(nóng)業(yè)教學與科研的一線教師以及相關專業(yè)的博士生助教。這些人才不僅具備良好的計算機程序編寫能力，而且還具備豐富的智慧農(nóng)業(yè)科研項目經(jīng)歷，能夠很好地將信息技術與傳統(tǒng)農(nóng)學知識相結(jié)合，對學生在學習中出現(xiàn)的各種問題可以及時解答并積極引導。

2.2 以科技競賽應用實例教學替代傳統(tǒng)照本宣科授課形式

從目前來看，大部分農(nóng)科背景的大學生對計算機編程缺乏興趣，無法理解將計算機編程應用于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的具體進程，只是為了應付考試而學習，創(chuàng)造力受到了極大限制。久而久之，他們不愿意主動學習，不明白農(nóng)學專業(yè)為什么還要學習計算機編程，從而迷失了自己工作和學習的方向[6]。此外，傳統(tǒng)的“計算機程序設計”課程知識體系非常嚴謹，教師往往經(jīng)歷了長期的理論語法學習與編程訓練，但農(nóng)科背景下的學生并沒有足夠的時間去專注于這樣的訓練。若教師沒有根據(jù)學生的實際情況去授課，往往適得其反，使學生對教材產(chǎn)生抗拒，甚至厭惡老師。

以科技競賽應用實例教學替代傳統(tǒng)照本宣科的授課形式，將傳統(tǒng)的教學與大學生科技競賽相結(jié)合，在課程教學中引入競賽項目，能夠激發(fā)學生對農(nóng)業(yè)問題求解的興趣。通過分析競賽題目中所涉及的知識點和語法，引導學生進一步思考，逐步求解，可有效提高學生動手實踐的主動性。此外，在實際教學中，應改變以往教學實踐中的上機實驗內(nèi)容，分類別、分層次、分功能設計多種題型模塊，學生可按自己的學習能力及學習興趣自由選擇上機實驗內(nèi)容，除規(guī)定上機實踐內(nèi)容外，鼓勵學生參考大賽題目，分析以往大賽作品的優(yōu)劣，提出自己的分析思路，提高實踐應用能力[7]。教師授課過程中，鼓勵學生組建興趣小組，組建團隊共同完成課程學習、實踐任務及大賽題目，學生遇到問題后能夠通過相互討論及時解決，有利于提高整個團隊的團隊協(xié)作能力，培養(yǎng)學生的編程技巧和自學技能。

2.3 改變傳統(tǒng)課程的考核模式

由于傳統(tǒng)農(nóng)科背景下“計算機程序設計”課程的教學學時較短，課程考核大多采用書面理論考試與上機實驗相結(jié)合的模式，考核內(nèi)容以計算機編程語法理論為主，基本與農(nóng)業(yè)學科脫節(jié)。學生只要在規(guī)定考試時間內(nèi)確?；A算法及語法正確即可，并不注重于培養(yǎng)學生對于所學知識的實際應用能力。長此以往，學生對于該課程的學習態(tài)度將完全轉(zhuǎn)變?yōu)閼镀谀y試，而并非將所學知識切實地應用于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，應根據(jù)新農(nóng)科背景下“計算機程序設計”的課程特色改變傳統(tǒng)課程考核模式。

通過分析歷年國家級、省部級、市縣級計算機程序設計大賽、電子設計大賽、物聯(lián)網(wǎng)知識競賽等大學生課外學術科技作品競賽題目，挑選能夠兼顧計算機程序設計能力及農(nóng)業(yè)科學知識的優(yōu)質(zhì)大賽題目為課程考核題目，并給予學生充足的創(chuàng)作時間及創(chuàng)作自由度，讓學生自由挑選題目、發(fā)揮想象、創(chuàng)造作品[8]。任課教師綜合考慮作品的算法思路、完整度、創(chuàng)新性及實用性給定評分。在這種考核模式的驅(qū)動下，由于不受傳統(tǒng)考試框架的束縛，學生能夠充分發(fā)揮主觀能動性，自主學習，深入學習，更好地去理解“計算機程序設計”在農(nóng)業(yè)科學中的應用價值。

3 以科技競賽為驅(qū)動的教學案例

根據(jù)2019年首屆江蘇省研究生智慧農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新實踐大賽農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)競賽主題制定了“基于移動機器人的小麥長勢物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺設計”課程項目；根據(jù)2021年第七屆3S杯大學生物聯(lián)網(wǎng)技術與應用“三創(chuàng)”大賽的農(nóng)業(yè)應用創(chuàng)新類主題，開發(fā)了“農(nóng)田墑情和水位監(jiān)測系統(tǒng)設計”的課程項目。

在“基于移動機器人的小麥長勢物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺設計”課程項目開展期間，授課教師通過與學生討論構建了項目基本框架，所有參與的學生與授課教師均保持著長期緊密的溝通。學生除了在教學課時內(nèi)專注、努力學習外，還花費了大量課余時間在該課程項目的創(chuàng)作中。在對于小車的運動控制的學習過程中，學生們熟練掌握了C語言的3種主要循環(huán)語句while，do…while，for的編寫以及實際應用。在小車傳感器數(shù)據(jù)采集部分的學習過程中，除了主要循環(huán)語句外，學生們還掌握了條件判斷語句if，if…else，switch的編寫以及應用。此外，在博士生助教的幫助下，學生基本了解了C語言狀態(tài)機的編寫方法以及與不同傳感器的讀寫協(xié)議編寫方法。學生創(chuàng)作的作品能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的運動控制及多傳感器集成平臺的數(shù)據(jù)高通量獲取，為小麥不同生育期的田間水肥管理等措施提供實時、準確、高通量的數(shù)據(jù)信息支持。該作品榮獲該年度江蘇省研究生智慧農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新實踐大賽特等獎?；谝苿訖C器人的小麥長勢物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺如圖1所示。

在“農(nóng)田墑情和水位監(jiān)測系統(tǒng)設計”課程項目開展期間，學生充分掌握了土壤水分信息獲取的原理、田間水位監(jiān)測的原理等農(nóng)學知識以及Arduino單片機C語言編程等計算機程序設計能力。作品包括土壤剖面水分傳感器、持水層水位高度檢測裝置和墑情水位信息監(jiān)測平臺3部分。土壤剖面水分傳感器能實時穩(wěn)定地檢測不同土壤層體積含水率。持水層水位高度檢測裝置采用光譜技術獲得田間水位信息。土壤剖面水分傳感器和持水層水位高度檢測裝置作為無線傳感網(wǎng)絡的終端節(jié)點，能夠?qū)⑥r(nóng)田水分空間分布信息、持水層水位深度信息上傳至云端，并通過信息監(jiān)測平臺對上傳的信息進行解析、存儲和顯示，為精確灌溉和水田排澇等田間作業(yè)提供參考。該作品具有較高的實際使用價值，榮獲 2021年第七屆3S杯大學生物聯(lián)網(wǎng)技術與應用“三創(chuàng)”大賽一等獎。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)人工智能等新興交叉技術的興起給新農(nóng)科的建設帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。“計算機程序設計”是新農(nóng)科建設的重要組成部分，然而，其授課方式受傳統(tǒng)教學觀念的影響，往往注重于編程語法理論的講解與考核，導致其與實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嚴重脫節(jié)，使得課堂教學枯燥乏味。以科技競賽為驅(qū)動的新農(nóng)科建設中“計算機程序設計”課程教學改革抓住了當前農(nóng)科與計算機學科交叉技術融合過程中的痛難點，嘗試以科技競賽為驅(qū)動力，緊扣生活實際，豐富課堂內(nèi)容。實際教學案例表明，采用該方法進行教學能夠充分發(fā)揮學生的想像力與創(chuàng)造力，提高其學習興趣，真正契合學以致用的教學宗旨，從而更好地為國家輸送新型農(nóng)業(yè)科技人才。