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

　　摘要：單片機(jī)原理與技術(shù)課程是計算機(jī)類專業(yè)核心課程之一。在新農(nóng)科建設(shè)背景下，農(nóng)林院校計算機(jī)類專業(yè)應(yīng)該結(jié)合農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展對信息技術(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)知識體系，并在理論、、實驗、實踐教學(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)生綜合運用單片機(jī)知識分析解決問題的能力。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)教學(xué);知識體系重構(gòu);專題式教學(xué);以應(yīng)用為導(dǎo)向

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　　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)，對于農(nóng)林院校計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生單片機(jī)開發(fā)水平的要求也越來越高。2018年底正式啟動的“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。在這樣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求背景下，農(nóng)林院校中計算機(jī)類專業(yè)的單片機(jī)課程教學(xué)迎來了一次改革的契機(jī)。

　　1 現(xiàn)狀

　　相對于工科院校而言，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，在理論與實踐教學(xué)過程中存在以下問題。

　　1)現(xiàn)有單片機(jī)教學(xué)大綱特色不明顯，與工程實踐脫節(jié)，與所在農(nóng)業(yè)院校優(yōu)勢學(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)計沒有形成特色，降低了單片機(jī)課程的吸引力與應(yīng)用價值。

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

　　單片機(jī)課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程。目前延用傳統(tǒng)的課堂講授理論知識為主的教學(xué)方式，很少在設(shè)計電路、編寫軟件這樣的項目實施中邊練邊學(xué)。考核方式以紙面考試為主;沒有外部的評價機(jī)制，檢驗不出實際的教學(xué)效果。

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

　　4)實驗設(shè)備落后，實踐教學(xué)設(shè)計缺乏應(yīng)用場景。

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

　　2 重構(gòu)與實踐

　　基于在單片機(jī)教學(xué)過程中出現(xiàn)的以上各種問題，單片機(jī)課程教學(xué)亟待需要從根本上進(jìn)行知識體系的重構(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、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)實驗教學(xué)、綜合實踐教學(xué)三個環(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)基本知識點教學(xué)的基礎(chǔ)上，重點增加與農(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等無線傳輸技術(shù)等內(nèi)容。實驗環(huán)節(jié)在保證驗證性實驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加綜合性設(shè)計性實驗項目，如大棚環(huán)境溫濕度監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)、土壤含水率監(jiān)測及顯示系統(tǒng)等。綜合實踐環(huán)節(jié)將在實驗室與學(xué)校農(nóng)業(yè)試驗田之間開展，課程教學(xué)內(nèi)容來源于試驗田農(nóng)事操作過程中提出的實際需求。

　　2.2 多種教學(xué)手段促進(jìn)教學(xué)實踐;

　　單片機(jī)課程的理論教學(xué)、基礎(chǔ)實驗教學(xué)、綜合實踐教學(xué)三個環(huán)節(jié)，各自理論教學(xué)內(nèi)容與實踐教學(xué)內(nèi)容的比重不同，需要有針對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，存在著各知識點彼此獨立不能有機(jī)結(jié)合解決綜合問題的缺點。“專題式教學(xué)”在縱橫兩個維度上將單片機(jī)知識點結(jié)合農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景的需求進(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)容中知識的相互作用為指向，走知識結(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系統(tǒng)梳理和理念深度把握，將陳述性知識、程序性知識與策略性知識三者有機(jī)結(jié)合、充分展現(xiàn)，將靜態(tài)知識賦予了動態(tài)意義。

　　“混合式”教學(xué)是著眼于教學(xué)過程中教師與學(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為主，學(xué)生被動接受;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)勢結(jié)合起來的一種“線上”+“線下”的教學(xué)。學(xué)生預(yù)先利用在線學(xué)習(xí)平臺主動地學(xué)習(xí)基本知識點，并通過在線測試工具總結(jié)記錄掌握情況;在線下，教師根據(jù)在線學(xué)習(xí)平臺反饋的學(xué)習(xí)情況，有目的的查缺補(bǔ)漏、重點講解之后混合教學(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 虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)

　　單片機(jī)實驗課傳統(tǒng)的教學(xué)工具是實驗箱。在做實驗時，學(xué)生按照說明書提示的方法連線以及下載例程。由于實驗箱是設(shè)計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)和軟件運行過程。另外實驗箱投資較大，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。并且學(xué)生課下沒有試驗箱的輔助無法自主地開展實驗。

　　Keil+Proteus的虛擬仿實驗真平臺可以替代實驗箱成為功能強(qiáng)大的實驗工具。Keil C51德國Keil software 公司(現(xiàn)已被ARM公司收購)開發(fā)的用于8051單片機(jī)C51語言編程的集成開發(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，生成的程序代碼運行速度快，所需存儲器空間小，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Labcenter Electronics公司推出的完全使用軟件手段來對單片機(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。