农林院校单片机课程知识体系重构与教学实践

　　摘要：单片机原理与技术课程是计算机类专业核心课程之一。在新农科建设背景下，农林院校计算机类专业应该结合农业技术发展对信息技术的需要，调整单片机课程教学内容与教学方式。据此，以应用为导向重构单片机教学知识体系，并在理论、、实验、实践教学环节采用多种新的教学方式，激发学生的学习单片机的兴趣，培养学生综合运用单片机知识分析解决问题的能力。

　　关键词：单片机教学;知识体系重构;专题式教学;以应用为导向

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　　随着农业机械化、信息化、智能化发展程度的不断提高，智能化农业机械、温室大棚控制、畜牧水产养殖、农业物联网等领域的农业装备产品研发，对于农林院校计算机类专业学生单片机开发水平的要求也越来越高。2018年底正式启动的“新农科”建设也要求充分利用现代信息技术改造升级传统农科，这代表了现代农林科技发展的新方向新趋势。在这样的产业发展需求背景下，农林院校中计算机类专业的单片机课程教学迎来了一次改革的契机。

　　1 现状

　　相对于工科院校而言，通常在以农林科为主的农林院校里，单片机课程的定位比较模糊，在理论与实践教学过程中存在以下问题。

　　1)现有单片机教学大纲特色不明显，与工程实践脱节，与所在农业院校优势学科结合不紧密。

　　目前单片机课程教学大纲大多保持与工科院校一致，教学内容没有考虑到单片机技术与本校农业学科发展及需求相结合，使得该课程的教学内容设计没有形成特色，降低了单片机课程的吸引力与应用价值。

　　2)现有教学内容偏重理论，而实践不足。缺少实践、创新的教学环节，缺少外部评价的机制。

　　单片机课程是一门实践性很强的课程。目前延用传统的课堂讲授理论知识为主的教学方式，很少在设计电路、编写软件这样的项目实施中边练边学。考核方式以纸面考试为主;没有外部的评价机制，检验不出实际的教学效果。

　　3)教学形式陈旧僵化，学生学习比较被动，师生交流较少。由于课堂教学时间有限，教学内容繁多，教学以课堂灌输为主，学生被动接受知识传授。老师与学生交流的机会很少，缺乏互动，课下也缺乏有效的沟通方式和平台。

　　4)实验设备落后，实践教学设计缺乏应用场景。

　　目前单片机教学实验设备以实验箱为主。学生不易理解电路结构，并且由于试验箱硬件资源所限，难以设计具有新意的实验、实践教学方案。

　　2 重构与实践

　　基于在单片机教学过程中出现的以上各种问题，单片机课程教学亟待需要从根本上进行知识体系的重构和教学方式的改革。

　　2.1 以应用为导向重构单片机知识体系

　　以单片机技术在农学等相关学科领域的广泛应用为导向，设计单片机课程的教学目的、教学内容、各教学环节安排，规划相关课程的联系与分工，贯穿“知识、能力、素质”协调发展。

　　单片机课程的教学应该包含理论教学、基础实验教学、综合实践教学三个环节。其中理论教学大纲需要在保证单片机最小系统基本知识点教学的基础上，重点增加与农业物联网建设相结合的农业信息数据采集与传送等知识内容，为单片机技术找到在现代农业技术发展中的应用场景。增加温湿度传感器、土壤含水量、微量元素传感器、键盘显示器等人机接口、总线技术、Zigbee等无线传输技术等内容。实验环节在保证验证性实验的基础上，继续增加综合性设计性实验项目，如大棚环境温湿度监测与调控系统、土壤含水率监测及显示系统等。综合实践环节将在实验室与学校农业试验田之间开展，课程教学内容来源于试验田农事操作过程中提出的实际需求。

　　2.2 多种教学手段促进教学实践;

　　单片机课程的理论教学、基础实验教学、综合实践教学三个环节，各自理论教学内容与实践教学内容的比重不同，需要有針对性的采用不同的教学方式和手段。

　　2.2.1 “专题式+混合式"的理论教学

　　“专题式”教学着眼于教学大纲中教学内容的组织形式。传统方式是按照教学大纲的要求从前到后按部就班的讲解，存在着各知识点彼此独立不能有机结合解决综合问题的缺点。“专题式教学”在纵横两个维度上将单片机知识点结合农业应用场景的需求进行合理的整合提炼。在纵向上以教学结构螺旋反复为指向，走“积极向前，循环上升”之路;横向上则以教学内容中知识的相互作用为指向，走知识结构与认知结构相结合的道路。专题式教学侧重于将一个阶段的教学内容进行系统的整合，为学生提供以专题为单位的知识系统梳理和理念深度把握，将陈述性知识、程序性知识与策略性知识三者有机结合、充分展现，将静态知识赋予了动态意义。

　　“混合式”教学是着眼于教学过程中教师与学生的角色变化和参与程度而提出的一种教学模式。传统理论教学是以教师在课堂上单向讲授理论知识为主，学生被动接受;教师很难把握学生很难把握学生掌握程度;学生也比较盲目，学习主动性不高。混合式教学，即将在线教学和传统教学的优势结合起来的一种“线上”+“线下”的教学。学生预先利用在线学习平台主动地学习基本知识点，并通过在线测试工具总结记录掌握情况;在线下，教师根据在线学习平台反馈的学习情况，有目的的查缺补漏、重点讲解之后混合教学把“线上”+“线下”这两种教学组织形式有机的结合，可以让学生的学习由浅到深地引向深度学习。

　　2.2.2 虚拟仿真实验平台的实验教学

　　单片机实验课传统的教学工具是实验箱。在做实验时，学生按照说明书提示的方法连线以及下载例程。由于实验箱是设计好电路并焊接封装了元器件，学生不容易了解电路结构和软件运行过程。另外实验箱投资较大，损耗大，外围传感器模块和执行器件模块更新补充不及时。并且学生课下没有试验箱的辅助无法自主地开展实验。

　　Keil+Proteus的虚拟仿实验真平台可以替代实验箱成为功能强大的实验工具。Keil C51德国Keil software 公司(现已被ARM公司收购)开发的用于8051单片机C51语言编程的集成开发环境，集编辑、编译、仿真等功能于一体，具有强大的软件调试功能生，生成的程序代码运行速度快，所需存储器空间小，是目前8051单片机应用开发中最优秀的软件开发工具之一。Proteus是英国Labcenter Electronics公司推出的完全使用软件手段来对单片机应用系统进行虚拟仿真的软件工具，可仿真8051系列、PIC12/16/18系列、AVR系列等主流系列单片机以及各种外围可编程接口芯片。用户可以不需要硬件样机，用户就可以在PC机上对单片机系统进行虚拟仿真。目前Proteus已在包括剑桥大学、斯坦福大学、牛津大学、加州大学在内的数千所高校以及世界各大研发公司中得到广泛应用。