智慧物流與單片機課程融合教學(xué)研究

石 帆，嚴嘉彬，秦飛飛 （南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

0 引 言

物流行業(yè)經(jīng)歷了以人力為載體的傳統(tǒng)送貨、分配和裝載模式到現(xiàn)代智能化部署的跨越式發(fā)展，智能化步伐已席卷整個行業(yè)，各種新型技術(shù)和設(shè)備層出不窮，例如智能傳送分撥系統(tǒng)[1]、無人駕駛送貨汽車[2]、智能配送機器人[3]等。特別是進入大數(shù)據(jù)時代后，先進信息技術(shù)、人工智能的加持使物流技術(shù)的智能化和自動化程度愈發(fā)凸顯了。在這樣的行業(yè)背景下，一方面，物流從業(yè)人員需要根據(jù)物流業(yè)務(wù)分布對智慧物流的系統(tǒng)設(shè)備進行合理的統(tǒng)籌安排，以最大程度保證物流效率；另一方面，智慧物流設(shè)備的正確運行和維護也對物流人員提出了更高的專業(yè)要求，促使他們不斷學(xué)習(xí)和更新物流專業(yè)知識。在當(dāng)前智慧物流背景下，物流行業(yè)面臨著缺乏同時掌握物流業(yè)務(wù)和物流技術(shù)的復(fù)合型人才的問題。

單片機是將處理器、存儲器、定時器等多個器件集成到一塊硅片上的集成電路芯片，由于其強大的信息采集和分析處理能力，單片機已被廣泛應(yīng)用于物流行業(yè)中。例如，在物流智能送貨小車中，單片機通過輸出高低電平來控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而操控小車前進和后退；單片機通過I/O口觸發(fā)超聲波測距模塊，同時單片機又負責(zé)處理來自返回信號的高電平持續(xù)時間，通過對高電平的持續(xù)時間進行計時來推算距離。例如，體溫表征所用到的額溫槍和血氧儀，就是通過單片機實現(xiàn)對溫度、血氧數(shù)據(jù)的采集、分析判斷和顯示，來實時監(jiān)測物流人員的健康狀態(tài)的。鑒于單片機的重要地位，國內(nèi)眾多高校紛紛開設(shè)了相關(guān)課程，《單片機原理及應(yīng)用》是高等院校面向培養(yǎng)信息技術(shù)領(lǐng)域人才開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在通過對理論知識和實踐課程的教學(xué)，培養(yǎng)并鍛煉學(xué)生對單片機技術(shù)的理解和實踐運用能力[4]。隨著信息技術(shù)和智慧物流場景的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無法完全滿足當(dāng)前的教學(xué)需求了。這是因為傳統(tǒng)的教學(xué)模式普遍存在兩類問題，第一種情況是重理論輕實踐，大量課時都被用于講授單片機理論知識。例如，理論教學(xué)階段所講述的中斷控制、定時系統(tǒng)及內(nèi)外部存儲器等知識點，存在概念抽象、難以理解等難點，無法有效激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生探索的積極性，因此可能會出現(xiàn)教學(xué)效果不理想的情況。第二種情況是實踐教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，如跑馬燈設(shè)計、數(shù)碼管實驗、串口通信實驗等，不能與當(dāng)下智慧物流業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景緊密結(jié)合。盡管此類課程設(shè)計較為經(jīng)典，但是學(xué)生只知其然卻不知其所以然，也就不能將課程設(shè)計所學(xué)內(nèi)容與實際需求場景緊密相聯(lián)。學(xué)生只知道根據(jù)設(shè)計要求，通過單片機完成LED燈的循環(huán)點亮，但是不知道此類課程設(shè)計與實際物流應(yīng)用場景的聯(lián)系，缺乏將知識體系與實際環(huán)境融合的能力。

針對上述問題，從事單片機教學(xué)課程的一線教育工作者們提出了若干教學(xué)改革方案，例如，李松濤等提出將智能小車與單片機課程融合的教學(xué)模式，將單片機課程中的教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)到智能小車的各個功能模塊上。以智能小車項目為例，將整個應(yīng)用系統(tǒng)劃分為若干模塊進行知識點梳理，通過項目結(jié)構(gòu)框圖的形式，直觀將模塊功能與單片機知識點聯(lián)系起來，使學(xué)生能夠建立起清晰的知識體系。通過先整體再部分的教學(xué)順序，實物演示教學(xué)思路，切實有效地提高學(xué)生對單片機理論知識的運用能力[5]；方智等提出針對船舶專業(yè)的虛實結(jié)合的雙平臺教學(xué)思路，在教學(xué)中將理論仿真軟件平臺和實踐課程中的船舶控制相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生自主實踐的興趣[6]，同時又能夠極大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣；邱順佐等從智能車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與單片機課程教學(xué)的匹配方向出發(fā)，提出“政產(chǎn)學(xué)研用”合作教育模式，構(gòu)建政府-企業(yè)-高校一體化的教學(xué)模式[7]，旨在培養(yǎng)符合車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)要求的高端復(fù)合型人才；張樂樂等提出“講課與實驗相融合”的四階段教學(xué)改革與實踐措施，提升了學(xué)生綜合能力[8]；賈俊霞等提出在教學(xué)中引入物聯(lián)網(wǎng)特點進行融合教學(xué)，并且借助微課平臺來重構(gòu)教學(xué)模式[9]。

鑒于現(xiàn)階段單片機課程中存在的教學(xué)狀況，在理論教學(xué)階段，本文提出了翻轉(zhuǎn)課堂的平臺教學(xué)方式，告別了傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，以學(xué)生為主體進行自由探索，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)意識；此外，在理論教學(xué)過程中，可以配合學(xué)科競賽作品展示的方式，結(jié)合作品生動形象地講授基礎(chǔ)理論，幫助學(xué)生理清楚單片機各個知識點之間的邏輯關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索精神，切實提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在實踐教學(xué)階段，面向當(dāng)前智慧物流產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用場景，聚焦前沿物流科技，設(shè)計與之緊密結(jié)合的課程實踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。以《物流運輸中危險化學(xué)品的智能分布式監(jiān)測系統(tǒng)》為題開展教學(xué)，一方面使物流專業(yè)的學(xué)生能夠從整體上了解光纖傳感與單片機解調(diào)技術(shù)在智能物流監(jiān)測方面的應(yīng)用潛力，另一方面，能夠通過課程設(shè)計訓(xùn)練，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)并了解具體的前沿技術(shù)，豐富其知識儲備。

1 基于新平臺和教賽融合創(chuàng)新的理論教學(xué)改革探索

1.1 “翻轉(zhuǎn)課堂”平臺助力學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)

“翻轉(zhuǎn)課堂”作為近年來教學(xué)改革方式的有效創(chuàng)新，顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式，收獲了良好的教學(xué)效果。教師借助學(xué)校“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)平臺發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，并提醒學(xué)生預(yù)先通過線上課程進行自主探索學(xué)習(xí)，如利用慕課、網(wǎng)易公開課等開放資源，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)并了解與本次教學(xué)目標(biāo)相關(guān)的單片機基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。對于感興趣的知識點或存在疑問的概念，學(xué)生可以在班級論壇中以發(fā)布主題的方式進行交流，或者在課堂上以小組的形式進行學(xué)習(xí)討論。在課堂討論學(xué)習(xí)階段，教師可以挑選一些代表性話題，引導(dǎo)學(xué)生進行主題研討。討論的形式可以是筆記、視頻或板書等，整個過程以學(xué)生自主探索為主，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，教師作為教學(xué)目標(biāo)和主題討論的把關(guān)者，起著輔助教學(xué)的作用。在課題討論結(jié)束后，教師通過對課堂討論內(nèi)容進行總結(jié)，再次幫助學(xué)生提煉本次課程的核心知識點，加深學(xué)生對核心知識點的理解。

1.2 教賽融合培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)樂趣及創(chuàng)新思維

除了應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)課堂”平臺，在理論教學(xué)過程中，還可以針對性地結(jié)合學(xué)科競賽項目來進行單片機知識點的引入和學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生“以賽促學(xué)，以學(xué)促行”的能力。配合學(xué)科競賽作品展示進行理論教學(xué)，可以直觀地與教學(xué)知識點對應(yīng)起來，更容易讓學(xué)生吸收理解，同時也易于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。以智慧物流應(yīng)用場景下的智能貨物分揀系統(tǒng)為例，將智能分揀系統(tǒng)拆分為若干模塊展開教學(xué)，并一一與單片機核心知識點對應(yīng)進行實物講解，層層遞進、由易到難。分揀系統(tǒng)的傳輸模塊涉及單片機通用串口驅(qū)動電機、脈沖觸發(fā)信號時序、定時器和I/O口連接；分揀系統(tǒng)中的圖像識別模塊涉及圖像信號的采集分析、單片機的A/D轉(zhuǎn)換。在實物講解完成后，教師可以讓學(xué)生在仿真平臺上畫出單片機最小系統(tǒng)、直流電機調(diào)速電路和光電探測模塊電路。一方面，可以加深學(xué)生對所運用知識點的理解，另一方面也能夠促使他們掌握仿真軟件的使用規(guī)則，為后續(xù)的實踐環(huán)節(jié)夯實基礎(chǔ)。此外，鼓勵學(xué)生積極參加學(xué)科競賽、通過理論和實踐融合的模式，激發(fā)其進行實踐探索和理論學(xué)習(xí)的興趣。通過教賽融合的教學(xué)模式，助力學(xué)生對理論知識體系的直觀理解、創(chuàng)新能力的提升以及團隊合作能力的培養(yǎng)。

2 面向智慧物流科技前沿的單片機實踐課程教學(xué)改革探索

傳統(tǒng)的單片機實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在課程設(shè)計內(nèi)容陳舊，不能緊跟當(dāng)前物流科技應(yīng)用前沿的弊端，為切實強化實踐教學(xué)與物流工程應(yīng)用的對接，培養(yǎng)能夠解決實際問題的物流專業(yè)領(lǐng)域的人才，本文擬通過引入貼合實際物流應(yīng)用的單片機系統(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)計，使物流專業(yè)學(xué)生能夠快速了解融合先進光電子技術(shù)和人工智能技術(shù)的單片機系統(tǒng)在物流行業(yè)的應(yīng)用潛力。下面以擬開展的實踐設(shè)計《物流運輸中危險化學(xué)品的智能分布式監(jiān)測系統(tǒng)》為題，從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、實踐內(nèi)容設(shè)計及考核方式等四個方面來探索如何貼合物流應(yīng)用，重構(gòu)單片機實踐教學(xué)模式。

2.1 實踐課程目標(biāo)

本實踐課程擬通過對物流場景中?；繁O(jiān)測技術(shù)的設(shè)計學(xué)習(xí)，使學(xué)生充分了解分布式光纖智能感知系統(tǒng)在危化品泄露智能化感知方面的應(yīng)用能力，通過部署光纖傳感器，對?；分車鷾囟?、壓力和振動等多參量進行感知，從而提前判斷危險狀況，降低甚至避免進一步的重大危害。

一方面，通過實踐課程設(shè)計檢驗學(xué)生對理論教學(xué)環(huán)節(jié)中單片機最小系統(tǒng)、中斷、定時器、串口通信、指令系統(tǒng)及C語言程序設(shè)計等知識點的掌握情況；另一方面，針對現(xiàn)代智慧物流場景下光電信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的交叉融合，要求學(xué)生能夠運用所學(xué)的單片機知識，融合前沿技術(shù)，實現(xiàn)以單片機外圍電路為基礎(chǔ)的光電子信息系統(tǒng)，認識到其在物流包裹安全檢測中的應(yīng)用價值，從而進一步提升物流專業(yè)學(xué)生對物流科技前沿的認知高度，培養(yǎng)他們在物流行業(yè)中的科技創(chuàng)新能力與團隊合作能力。

2.2 課程內(nèi)容

針對實踐課程題目，教師可以羅列出光纖感知系統(tǒng)中的核心器件、模塊分區(qū)進行講解學(xué)習(xí)，課程主要包括激光器、光纖光柵、光電探測器、信號采集模塊、放大模塊、單片機和外圍電路等內(nèi)容。激光器和探測器部分的內(nèi)容只需簡要介紹，使學(xué)生大概了解便可；而單片機結(jié)構(gòu)、信號采集、放大模塊則需要進行重點講解。

單片機作為光纖智能感知系統(tǒng)的大腦，負責(zé)指令的發(fā)送和光電信息的處理。對于光纖感知系統(tǒng)的信息處理端中的數(shù)據(jù)采集部分，本課程會講解單片機的引腳和串口，幫助學(xué)生熟悉如何通過P0和P2口進行數(shù)據(jù)地址的傳送，以及如何進行外部LD的驅(qū)動。針對顯示和串口通信，學(xué)生會學(xué)習(xí)中斷、串口通信、定時器和存儲器以及編程設(shè)計語言，熟悉中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠熟練使用中斷函數(shù)的調(diào)用。對于光纖感知系統(tǒng)的感知端，學(xué)生首先要學(xué)習(xí)光纖單元感知器件，如布拉格光纖光柵的制作機理、應(yīng)變感知和調(diào)控原理，其次要學(xué)習(xí)多個光纖光柵組成的準分布式傳感系統(tǒng)的傳感機理。

2.3 實踐課程內(nèi)容設(shè)計要求

對于有限空間內(nèi)的危險品，如特殊氣體、易燃易爆等化工品的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測是保證安全生產(chǎn)生活和物流正常運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段主要包括人工巡檢、視頻監(jiān)控、溫度傳感器和氣體傳感器。然而，人工巡檢方式存在監(jiān)測效率低、無法實現(xiàn)全天候覆蓋等弊端，容易引發(fā)安全事故；視頻監(jiān)控雖然能在線監(jiān)控危險品的周邊環(huán)境，但是容易受環(huán)境因素干擾，不能進行預(yù)判監(jiān)測；溫度和氣體傳感器的安裝只能監(jiān)測某個特定區(qū)域，不能實現(xiàn)整個空間的全局監(jiān)測。為實現(xiàn)智能感知和預(yù)判監(jiān)控，課程要求設(shè)計光纖分布式傳感系統(tǒng)，通過將光纖布拉格光柵陣列分布在?；穬Υ婀薇砻?，對儲存罐進行壓力、溫度和振動的全方位監(jiān)測。光纖分布式系統(tǒng)主要由分布式的布拉格光纖光柵陣列、激光器、探測器、濾波放大電路單元和單片機構(gòu)成。單片機驅(qū)動LD發(fā)出脈沖信號，當(dāng)光纖布拉格陣列感知到振動信號后，使攜帶有調(diào)制信號的脈沖光返回由探測器端，并將調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由有源濾波和功放模塊對微弱的信號進行濾波和放大，最后通過LCD顯示振動信號波形。以8位單片機C52系列為例，對于信號采集電路設(shè)計部分，比如振動信號的采集，需根據(jù)振動信號的頻率合理設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換模塊；對于頻率較低的慢變或平穩(wěn)信號，可以直接進行A/D轉(zhuǎn)換；而對于頻率較高的快速變換的振動信號，則需要設(shè)計采樣保持器。對信號輸入方式的設(shè)計，需考慮A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓匹配，此外還要考慮到A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x取匹配。對于顯示接口電路和串口通信設(shè)計部分，要求將單片機處理的結(jié)果通過MAX7219驅(qū)動由LED來顯示，通過通信接口設(shè)計，將單片機接收到的數(shù)據(jù)上傳給上位機進行計算仿真。

2.4 課程設(shè)計安排考核方式

以3~4人為一個小組進行課程實踐設(shè)計，在設(shè)計過程中，學(xué)生通過學(xué)習(xí)光纖分布式傳感系統(tǒng)相關(guān)知識及在物流運輸、管理和監(jiān)測方面的應(yīng)用案例，對課題總的設(shè)計要求有了一定的了解。然后教師組織學(xué)生進行分組討論，引導(dǎo)他們提出具體的解決思路，教師在這一過程中主要起輔助作用。接著進行硬件電路設(shè)計、焊接、程序編寫、調(diào)試及光學(xué)系統(tǒng)搭建等操作，并進行試驗論證。最后通過實物演示和PPT答辯的方式進行驗收考核。對于優(yōu)秀的實踐作品，教師應(yīng)鼓勵其參加學(xué)科競賽。

3 結(jié) 語

通過采用“翻轉(zhuǎn)課堂”和教賽融合的教學(xué)模式，教師將理論教學(xué)中難以理解的知識點，通過實例演示的方式由淺入深分層進行講解，助力學(xué)生直觀地理解知識點，同時也激發(fā)他們對理論學(xué)習(xí)和學(xué)科競賽探索的興趣。此外，對于實踐課程設(shè)計環(huán)節(jié)，教師還要面向目前物流行業(yè)的科技前沿，通過貼合前沿應(yīng)用的課程設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，幫助他們提早了解行業(yè)發(fā)展動向，為未來就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。