翁海勇，李海蕓，劉 浪，吳仁燁，葉大鵬

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福建，福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心 福建，福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院 福建，福州 350002）

農(nóng)業(yè)工程專業(yè)屬于交叉學(xué)科，通過(guò)綜合應(yīng)用各種工程技術(shù)手段、為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供方法和工具，以期提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)者生產(chǎn)條件，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的有機(jī)結(jié)合[1-3]。目前農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的學(xué)生的專業(yè)知識(shí)博而不精。農(nóng)業(yè)工程是課程開(kāi)展最多的幾個(gè)專業(yè)之一，不僅要求精通機(jī)電方面知識(shí)，還需要掌握農(nóng)學(xué)、植物、食品工程等相關(guān)內(nèi)容。其知識(shí)面雖然涵蓋廣、跨度大，但也導(dǎo)致學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和實(shí)踐深度不夠[4]。隨著高校的擴(kuò)招，畢業(yè)生人數(shù)也不斷增加，而如何擁有核心競(jìng)爭(zhēng)力，滿足企業(yè)所設(shè)定的高門檻，是亟需解決的問(wèn)題[5]。另一方面，在農(nóng)林類高校實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，農(nóng)業(yè)工程本科教學(xué)工作主要以提綱掣領(lǐng)式的理論為主，對(duì)學(xué)生如何將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的研究較少，實(shí)踐課時(shí)明顯不足，農(nóng)業(yè)工程本科生工程能力實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱[6]。為了打破農(nóng)業(yè)工程專業(yè)本科生在不同課程中形成的知識(shí)“孤島”[7]，在有限的教學(xué)經(jīng)費(fèi)和實(shí)踐場(chǎng)地的背景下，立足于本學(xué)院的本科實(shí)踐基地，依托農(nóng)學(xué)院、植保院、動(dòng)科院的本科教學(xué)基地，采用“分散-貫穿式”教學(xué)方式將課程實(shí)踐分散貫穿到整個(gè)教學(xué)周期，使理論和農(nóng)業(yè)工程學(xué)科實(shí)踐充分融合。

C語(yǔ)言與單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)是農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)生的主干課程。通過(guò)該課程的實(shí)踐，以期培養(yǎng)本科生學(xué)生們具有農(nóng)業(yè)環(huán)境分析、傳感器選型、程序算法開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)信息檢測(cè)、信號(hào)處理、電路設(shè)計(jì)及農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控等能力。因此，本文以農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的C語(yǔ)言與單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)課程為研究對(duì)象，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境需求分析、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)處理為研究?jī)?nèi)容，鍛煉學(xué)生分析和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中工程問(wèn)題的能力，從而為培養(yǎng)新世紀(jì)復(fù)合型工程技術(shù)人才提高人才儲(chǔ)備提供保障。

1 教學(xué)模式

1.1 教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)

將C語(yǔ)言與單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)課程的知識(shí)進(jìn)行分散，并將貫穿到整個(gè)教學(xué)周期。在第一節(jié)引導(dǎo)課的課堂上，教師介紹該課程在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用場(chǎng)合，如高通量植物表型分析平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制、植株的目標(biāo)識(shí)別、激發(fā)光源的程序控制等；農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)作業(yè)過(guò)程中的自動(dòng)導(dǎo)航、作業(yè)路徑規(guī)劃；雞舍豬舍的廢棄物監(jiān)測(cè)與控制、動(dòng)物的生理狀態(tài)高通量監(jiān)測(cè)等。目的是激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)積極性和信心，提高學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，使學(xué)生明白學(xué)有所用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該課程在農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用的總體認(rèn)識(shí)。針對(duì)初學(xué)者，該課程存在C語(yǔ)言知識(shí)結(jié)構(gòu)邏輯性強(qiáng)、概念多，單片機(jī)寄存器功能及名稱復(fù)雜等問(wèn)題。隨著教學(xué)的進(jìn)行，有必要將課程中的知識(shí)進(jìn)行模塊化，將單片機(jī)硬件系統(tǒng)、內(nèi)部資源以及C51程序編寫規(guī)則進(jìn)行充分講解，通過(guò)布置單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)繪制、寄存功能資源及分配以及程序編寫等課后作業(yè)，使學(xué)生扎實(shí)掌握每個(gè)教學(xué)模塊。

緊接著對(duì)整個(gè)班級(jí)的學(xué)生進(jìn)行分組，每組3-4人，開(kāi)展組內(nèi)合作，組間競(jìng)爭(zhēng)的方式，采取組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)以及研究生助教和教師評(píng)價(jià)相組合的綜合評(píng)價(jià)體系，最終形成教師教學(xué)團(tuán)隊(duì)為主導(dǎo)的師生協(xié)同教學(xué)模式。由于該課程的實(shí)踐課時(shí)安排有限，為了增加實(shí)踐時(shí)間，需要把課程實(shí)踐貫穿到整個(gè)教學(xué)期，充分利用學(xué)生的課余時(shí)間。因此，實(shí)踐課程內(nèi)容的在開(kāi)學(xué)初導(dǎo)論課后就根據(jù)各個(gè)小組的意愿完成分配。每個(gè)小組的實(shí)踐內(nèi)容雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但是均需要本課程的所有知識(shí)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被充分調(diào)動(dòng)，他們通過(guò)理論課堂學(xué)習(xí)和自身的認(rèn)知來(lái)選擇農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的某個(gè)問(wèn)題作為實(shí)踐內(nèi)容，這能夠培養(yǎng)他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)目標(biāo)導(dǎo)向規(guī)劃自己的實(shí)踐內(nèi)容，并將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分割，加強(qiáng)了學(xué)生自身剖析問(wèn)題的能力。實(shí)踐課程內(nèi)容選定后，學(xué)生根據(jù)自身的時(shí)間合理安排課程實(shí)踐進(jìn)度，利用課余時(shí)間完成實(shí)踐內(nèi)容。在有限的課堂實(shí)驗(yàn)課上，教師和助教研究生則主要是聽(tīng)取學(xué)生匯報(bào)。每組學(xué)生的匯報(bào)內(nèi)容包括：每個(gè)人在上一階段做了哪些工作？實(shí)踐過(guò)程中遇到什么問(wèn)題并且是如何解決的以及未來(lái)一段實(shí)踐的計(jì)劃。在整個(gè)過(guò)程中，結(jié)合漸近式的教學(xué)方法，設(shè)計(jì)從易到難的實(shí)踐內(nèi)容，逐步提高和鞏固學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力，與“由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由單一到多樣”的教學(xué)規(guī)律保持一致[8]。

1.2 實(shí)踐效果評(píng)價(jià)

為了改變傳統(tǒng)上以教師來(lái)決定學(xué)生成績(jī)的方式，本研究構(gòu)建了由教師、助教、自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)和組間互評(píng)組成的多元評(píng)價(jià)體系（如圖1a所示）。教師將一個(gè)班級(jí)的學(xué)生劃分成5組，每組根據(jù)自身意愿自由組合成員（圖1b）。每個(gè)小組根據(jù)自身的選題展開(kāi)方案討論以及任務(wù)分工（圖1c）。同時(shí)，每組的每個(gè)成員必須在每次的實(shí)驗(yàn)課課堂上進(jìn)行PPT口頭匯報(bào)，通過(guò)該方式能夠不僅能鍛煉學(xué)生演講能力、PPT制作能力，同時(shí)也讓其他同學(xué)清楚的了解該同學(xué)的實(shí)踐參與度和實(shí)踐作品成果（圖1d）。教師、助教和其他學(xué)生根據(jù)該同學(xué)的匯報(bào)和展示效果進(jìn)行打分，克服了被評(píng)估者由功利性或者同學(xué)之間人情造成成績(jī)偏差，這能夠使學(xué)生清楚客觀地了解到自己的實(shí)踐效果，從而激勵(lì)自己投入更多的時(shí)間學(xué)習(xí)和實(shí)踐（圖1e）。同時(shí)在期末，按照規(guī)定的格式要求各組提交實(shí)踐報(bào)告。該實(shí)踐報(bào)告需由各個(gè)組的所有小組成員參與撰寫，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生撰寫總結(jié)報(bào)告的能力。學(xué)生期末的成績(jī)由教師、助教和其他學(xué)生每次評(píng)分和實(shí)踐報(bào)告的得分組成（圖1f）。

圖1 多元評(píng)價(jià)體系（a）、隊(duì)伍劃分（b）、組內(nèi)方案討論及任務(wù)分工（c）、進(jìn)展報(bào)告（d）、打分（e）和實(shí)踐報(bào)告的最終得分（f）

2 實(shí)踐效果和案例分析

下面以實(shí)際教學(xué)過(guò)程種的一組學(xué)生的實(shí)踐內(nèi)容“油菜葉綠素快速檢測(cè)儀開(kāi)發(fā)”為例進(jìn)行進(jìn)一步闡述（如圖2）。在該案例中，該隊(duì)成員通過(guò)查詢資料，認(rèn)為傳統(tǒng)上采用紫外分光光度計(jì)在油菜葉綠素測(cè)量過(guò)程種存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、破壞性、檢測(cè)結(jié)果滯后等問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)作物生理狀態(tài)實(shí)時(shí)高效檢測(cè)的要求。因此，有必要開(kāi)發(fā)一款操作簡(jiǎn)單且檢測(cè)效率高的儀器。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，該小組成員一致認(rèn)為利用單片機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)基于反射光譜技術(shù)的油菜葉片的葉綠素含量的快速檢測(cè)儀是實(shí)現(xiàn)油菜生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)最有效的方式，能夠滿足油菜葉片葉綠素高通量檢測(cè)要求，并且儀器制作成本低，開(kāi)發(fā)難度適中，非常適合本課程的課程實(shí)踐。在整個(gè)過(guò)程中，在教師主導(dǎo)和研究生助教的協(xié)助下，該組學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象準(zhǔn)備（油菜，圖2b）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（光電傳感器獲取油菜葉片對(duì)不同波段的反射率并建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，圖2c）、實(shí)驗(yàn)手段（利用C51編程在51單片機(jī)平臺(tái)上獲取不同波段的反射下光電傳感器的電壓值，圖2d、3e和3f）以及任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分析以及最后的功能實(shí)現(xiàn)（圖2g）。從由最初的興趣選擇過(guò)渡到為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)而進(jìn)行的中期階段探索，最終通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)助完成開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新。

圖2 農(nóng)業(yè)工程本科生課程實(shí)踐設(shè)計(jì)流程圖（a）、油菜種植（b）、光電傳感器功能測(cè)試（c）、單片機(jī)選型和C51程序編寫（d）、PCB制板（e）、3D外殼打印以及各個(gè)模塊組裝（f）和機(jī)器模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)葉綠素含量無(wú)損檢測(cè)（g）

3 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)工程專業(yè)C語(yǔ)言與單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程模式的探索是一個(gè)長(zhǎng)期漫長(zhǎng)的工程，它涉及到教學(xué)管理體制，教學(xué)方式方法和教師隊(duì)伍建設(shè)等多方面。盡管在教學(xué)過(guò)程中會(huì)存在一些問(wèn)題還需要進(jìn)一步完善，如該課程投入精力大，導(dǎo)致教師和助教承接這門課的意愿降低。但是通過(guò)該課程的實(shí)踐，不僅促進(jìn)了教師的授課水平的提高，使得師生之間的互動(dòng)更加緊密，而且有效的激發(fā)了學(xué)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)積極性和趣味性，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。