智慧物流与单片机课程融合教学研究

石 帆，严嘉彬，秦飞飞 （南京邮电大学，江苏 南京 210003）

0 引 言

物流行业经历了以人力为载体的传统送货、分配和装载模式到现代智能化部署的跨越式发展，智能化步伐已席卷整个行业，各种新型技术和设备层出不穷，例如智能传送分拨系统[1]、无人驾驶送货汽车[2]、智能配送机器人[3]等。特别是进入大数据时代后，先进信息技术、人工智能的加持使物流技术的智能化和自动化程度愈发凸显了。在这样的行业背景下，一方面，物流从业人员需要根据物流业务分布对智慧物流的系统设备进行合理的统筹安排，以最大程度保证物流效率；另一方面，智慧物流设备的正确运行和维护也对物流人员提出了更高的专业要求，促使他们不断学习和更新物流专业知识。在当前智慧物流背景下，物流行业面临着缺乏同时掌握物流业务和物流技术的复合型人才的问题。

单片机是将处理器、存储器、定时器等多个器件集成到一块硅片上的集成电路芯片，由于其强大的信息采集和分析处理能力，单片机已被广泛应用于物流行业中。例如，在物流智能送货小车中，单片机通过输出高低电平来控制电机的正转、反转，从而操控小车前进和后退；单片机通过I/O口触发超声波测距模块，同时单片机又负责处理来自返回信号的高电平持续时间，通过对高电平的持续时间进行计时来推算距离。例如，体温表征所用到的额温枪和血氧仪，就是通过单片机实现对温度、血氧数据的采集、分析判断和显示，来实时监测物流人员的健康状态的。鉴于单片机的重要地位，国内众多高校纷纷开设了相关课程，《单片机原理及应用》是高等院校面向培养信息技术领域人才开设的一门专业基础课程，旨在通过对理论知识和实践课程的教学，培养并锻炼学生对单片机技术的理解和实践运用能力[4]。随着信息技术和智慧物流场景的不断发展，传统教学模式已经无法完全满足当前的教学需求了。这是因为传统的教学模式普遍存在两类问题，第一种情况是重理论轻实践，大量课时都被用于讲授单片机理论知识。例如，理论教学阶段所讲述的中断控制、定时系统及内外部存储器等知识点，存在概念抽象、难以理解等难点，无法有效激发学生的兴趣，调动学生探索的积极性，因此可能会出现教学效果不理想的情况。第二种情况是实践教学内容过于陈旧，如跑马灯设计、数码管实验、串口通信实验等，不能与当下智慧物流业务的应用场景紧密结合。尽管此类课程设计较为经典，但是学生只知其然却不知其所以然，也就不能将课程设计所学内容与实际需求场景紧密相联。学生只知道根据设计要求，通过单片机完成LED灯的循环点亮，但是不知道此类课程设计与实际物流应用场景的联系，缺乏将知识体系与实际环境融合的能力。

针对上述问题，从事单片机教学课程的一线教育工作者们提出了若干教学改革方案，例如，李松涛等提出将智能小车与单片机课程融合的教学模式，将单片机课程中的教学内容对应到智能小车的各个功能模块上。以智能小车项目为例，将整个应用系统划分为若干模块进行知识点梳理，通过项目结构框图的形式，直观将模块功能与单片机知识点联系起来，使学生能够建立起清晰的知识体系。通过先整体再部分的教学顺序，实物演示教学思路，切实有效地提高学生对单片机理论知识的运用能力[5]；方智等提出针对船舶专业的虚实结合的双平台教学思路，在教学中将理论仿真软件平台和实践课程中的船舶控制相结合，激发学生自主实践的兴趣[6]，同时又能够极大提升学生的学习乐趣；邱顺佐等从智能车联网技术与单片机课程教学的匹配方向出发，提出“政产学研用”合作教育模式，构建政府-企业-高校一体化的教学模式[7]，旨在培养符合车联网产业要求的高端复合型人才；张乐乐等提出“讲课与实验相融合”的四阶段教学改革与实践措施，提升了学生综合能力[8]；贾俊霞等提出在教学中引入物联网特点进行融合教学，并且借助微课平台来重构教学模式[9]。

鉴于现阶段单片机课程中存在的教学状况，在理论教学阶段，本文提出了翻转课堂的平台教学方式，告别了传统的填鸭式教学，以学生为主体进行自由探索，激发学生的好奇心，培养其自主学习意识；此外，在理论教学过程中，可以配合学科竞赛作品展示的方式，结合作品生动形象地讲授基础理论，帮助学生理清楚单片机各个知识点之间的逻辑关系，激发学生的好奇心和探索精神，切实提高学生的学习积极性。在实践教学阶段，面向当前智慧物流产业的应用场景，聚焦前沿物流科技，设计与之紧密结合的课程实践，提高学生的创新能力。以《物流运输中危险化学品的智能分布式监测系统》为题开展教学，一方面使物流专业的学生能够从整体上了解光纤传感与单片机解调技术在智能物流监测方面的应用潜力，另一方面，能够通过课程设计训练，帮助学生学习并了解具体的前沿技术，丰富其知识储备。

1 基于新平台和教赛融合创新的理论教学改革探索

1.1 “翻转课堂”平台助力学生自主探索学习

“翻转课堂”作为近年来教学改革方式的有效创新，颠覆了传统教学模式，收获了良好的教学效果。教师借助学校“翻转课堂”教学平台发布学习任务，并提醒学生预先通过线上课程进行自主探索学习，如利用慕课、网易公开课等开放资源，让学生自主学习并了解与本次教学目标相关的单片机基本原理、结构和应用领域。对于感兴趣的知识点或存在疑问的概念，学生可以在班级论坛中以发布主题的方式进行交流，或者在课堂上以小组的形式进行学习讨论。在课堂讨论学习阶段，教师可以挑选一些代表性话题，引导学生进行主题研讨。讨论的形式可以是笔记、视频或板书等，整个过程以学生自主探索为主，发挥学生的主观能动性，教师作为教学目标和主题讨论的把关者，起着辅助教学的作用。在课题讨论结束后，教师通过对课堂讨论内容进行总结，再次帮助学生提炼本次课程的核心知识点，加深学生对核心知识点的理解。

1.2 教赛融合培养学生学习乐趣及创新思维

除了应用“翻转课堂”平台，在理论教学过程中，还可以针对性地结合学科竞赛项目来进行单片机知识点的引入和学习，培养学生“以赛促学，以学促行”的能力。配合学科竞赛作品展示进行理论教学，可以直观地与教学知识点对应起来，更容易让学生吸收理解，同时也易于激发学生的创新能力。以智慧物流应用场景下的智能货物分拣系统为例，将智能分拣系统拆分为若干模块展开教学，并一一与单片机核心知识点对应进行实物讲解，层层递进、由易到难。分拣系统的传输模块涉及单片机通用串口驱动电机、脉冲触发信号时序、定时器和I/O口连接；分拣系统中的图像识别模块涉及图像信号的采集分析、单片机的A/D转换。在实物讲解完成后，教师可以让学生在仿真平台上画出单片机最小系统、直流电机调速电路和光电探测模块电路。一方面，可以加深学生对所运用知识点的理解，另一方面也能够促使他们掌握仿真软件的使用规则，为后续的实践环节夯实基础。此外，鼓励学生积极参加学科竞赛、通过理论和实践融合的模式，激发其进行实践探索和理论学习的兴趣。通过教赛融合的教学模式，助力学生对理论知识体系的直观理解、创新能力的提升以及团队合作能力的培养。

2 面向智慧物流科技前沿的单片机实践课程教学改革探索

传统的单片机实践教学环节存在课程设计内容陈旧，不能紧跟当前物流科技应用前沿的弊端，为切实强化实践教学与物流工程应用的对接，培养能够解决实际问题的物流专业领域的人才，本文拟通过引入贴合实际物流应用的单片机系统实验教学设计，使物流专业学生能够快速了解融合先进光电子技术和人工智能技术的单片机系统在物流行业的应用潜力。下面以拟开展的实践设计《物流运输中危险化学品的智能分布式监测系统》为题，从课程目标、课程内容、实践内容设计及考核方式等四个方面来探索如何贴合物流应用，重构单片机实践教学模式。

2.1 实践课程目标

本实践课程拟通过对物流场景中危化品监测技术的设计学习，使学生充分了解分布式光纤智能感知系统在危化品泄露智能化感知方面的应用能力，通过部署光纤传感器，对危化品周围温度、压力和振动等多参量进行感知，从而提前判断危险状况，降低甚至避免进一步的重大危害。

一方面，通过实践课程设计检验学生对理论教学环节中单片机最小系统、中断、定时器、串口通信、指令系统及C语言程序设计等知识点的掌握情况；另一方面，针对现代智慧物流场景下光电信息技术和人工智能技术的交叉融合，要求学生能够运用所学的单片机知识，融合前沿技术，实现以单片机外围电路为基础的光电子信息系统，认识到其在物流包裹安全检测中的应用价值，从而进一步提升物流专业学生对物流科技前沿的认知高度，培养他们在物流行业中的科技创新能力与团队合作能力。

2.2 课程内容

针对实践课程题目，教师可以罗列出光纤感知系统中的核心器件、模块分区进行讲解学习，课程主要包括激光器、光纤光栅、光电探测器、信号采集模块、放大模块、单片机和外围电路等内容。激光器和探测器部分的内容只需简要介绍，使学生大概了解便可；而单片机结构、信号采集、放大模块则需要进行重点讲解。

单片机作为光纤智能感知系统的大脑，负责指令的发送和光电信息的处理。对于光纤感知系统的信息处理端中的数据采集部分，本课程会讲解单片机的引脚和串口，帮助学生熟悉如何通过P0和P2口进行数据地址的传送，以及如何进行外部LD的驱动。针对显示和串口通信，学生会学习中断、串口通信、定时器和存储器以及编程设计语言，熟悉中断系统结构，并能够熟练使用中断函数的调用。对于光纤感知系统的感知端，学生首先要学习光纤单元感知器件，如布拉格光纤光栅的制作机理、应变感知和调控原理，其次要学习多个光纤光栅组成的准分布式传感系统的传感机理。

2.3 实践课程内容设计要求

对于有限空间内的危险品，如特殊气体、易燃易爆等化工品的实时数据监测是保证安全生产生活和物流正常运输的重要环节。传统的监测手段主要包括人工巡检、视频监控、温度传感器和气体传感器。然而，人工巡检方式存在监测效率低、无法实现全天候覆盖等弊端，容易引发安全事故；视频监控虽然能在线监控危险品的周边环境，但是容易受环境因素干扰，不能进行预判监测；温度和气体传感器的安装只能监测某个特定区域，不能实现整个空间的全局监测。为实现智能感知和预判监控，课程要求设计光纤分布式传感系统，通过将光纤布拉格光栅阵列分布在危化品储存罐表面，对储存罐进行压力、温度和振动的全方位监测。光纤分布式系统主要由分布式的布拉格光纤光栅阵列、激光器、探测器、滤波放大电路单元和单片机构成。单片机驱动LD发出脉冲信号，当光纤布拉格阵列感知到振动信号后，使携带有调制信号的脉冲光返回由探测器端，并将调制的光信号转换为电信号，再由有源滤波和功放模块对微弱的信号进行滤波和放大，最后通过LCD显示振动信号波形。以8位单片机C52系列为例，对于信号采集电路设计部分，比如振动信号的采集，需根据振动信号的频率合理设计A/D转换模块；对于频率较低的慢变或平稳信号，可以直接进行A/D转换；而对于频率较高的快速变换的振动信号，则需要设计采样保持器。对信号输入方式的设计，需考虑A/D转换模块的电压匹配，此外还要考虑到A/D转换模块与单片机之间进行数据传输的读取匹配。对于显示接口电路和串口通信设计部分，要求将单片机处理的结果通过MAX7219驱动由LED来显示，通过通信接口设计，将单片机接收到的数据上传给上位机进行计算仿真。

2.4 课程设计安排考核方式

以3~4人为一个小组进行课程实践设计，在设计过程中，学生通过学习光纤分布式传感系统相关知识及在物流运输、管理和监测方面的应用案例，对课题总的设计要求有了一定的了解。然后教师组织学生进行分组讨论，引导他们提出具体的解决思路，教师在这一过程中主要起辅助作用。接着进行硬件电路设计、焊接、程序编写、调试及光学系统搭建等操作，并进行试验论证。最后通过实物演示和PPT答辩的方式进行验收考核。对于优秀的实践作品，教师应鼓励其参加学科竞赛。

3 结 语

通过采用“翻转课堂”和教赛融合的教学模式，教师将理论教学中难以理解的知识点，通过实例演示的方式由浅入深分层进行讲解，助力学生直观地理解知识点，同时也激发他们对理论学习和学科竞赛探索的兴趣。此外，对于实践课程设计环节，教师还要面向目前物流行业的科技前沿，通过贴合前沿应用的课程设计，激发学生的创新创业能力，帮助他们提早了解行业发展动向，为未来就业打下良好的基础。