石 帆，嚴(yán)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(gè)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(wú)人駕駛送貨汽車[2]、智能配送機(jī)器人[3]等。特別是進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代后，先進(jìn)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(dòng)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(duì)智慧物流的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)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(yùn)行和維護(hù)也對(duì)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(shí)。在當(dāng)前智慧物流背景下，物流行業(yè)面臨著缺乏同時(shí)掌握物流業(yè)務(wù)和物流技術(shù)的復(fù)合型人才的問(wèn)題。

單片機(jī)是將處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器等多個(gè)器件集成到一塊硅片上的集成電路芯片，由于其強(qiáng)大的信息采集和分析處理能力，單片機(jī)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(jī)通過(guò)輸出高低電平來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而操控小車前進(jìn)和后退；單片機(jī)通過(guò)I/O口觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊，同時(shí)單片機(jī)又負(fù)責(zé)處理來(lái)自返回信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間，通過(guò)對(duì)高電平的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)來(lái)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(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、血氧數(shù)據(jù)的采集、分析判斷和顯示，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物流人員的健康狀態(tài)的。鑒于單片機(jī)的重要地位，國(guó)內(nèi)眾多高校紛紛開設(shè)了相關(guān)課程，《單片機(jī)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(guò)對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐課程的教學(xué)，培養(yǎng)并鍛煉學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)的理解和實(shí)踐運(yùn)用能力[4]。隨著信息技術(shù)和智慧物流場(chǎng)景的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法完全滿足當(dāng)前的教學(xué)需求了。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的教學(xué)模式普遍存在兩類問(wèn)題，第一種情況是重理論輕實(shí)踐，大量課時(shí)都被用于講授單片機(jī)理論知識(shí)。例如，理論教學(xué)階段所講述的中斷控制、定時(shí)系統(tǒng)及內(nèi)外部存儲(chǔ)器等知識(shí)點(diǎn)，存在概念抽象、難以理解等難點(diǎn)，無(wú)法有效激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生探索的積極性，因此可能會(huì)出現(xiàn)教學(xué)效果不理想的情況。第二種情況是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊，如跑馬燈設(shè)計(jì)、數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)等，不能與當(dāng)下智慧物流業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合。盡管此類課程設(shè)計(jì)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(jì)所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際需求場(chǎng)景緊密相聯(lián)。學(xué)生只知道根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)單片機(jī)完成LED燈的循環(huán)點(diǎn)亮，但是不知道此類課程設(shè)計(jì)與實(shí)際物流應(yīng)用場(chǎng)景的聯(lián)系，缺乏將知識(shí)體系與實(shí)際環(huán)境融合的能力。

針對(duì)上述問(wèn)題，從事單片機(jī)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(jī)課程融合的教學(xué)模式，將單片機(jī)課程中的教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)到智能小車的各個(gè)功能模塊上。以智能小車項(xiàng)目為例，將整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)劃分為若干模塊進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)梳理，通過(guò)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)框圖的形式，直觀將模塊功能與單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生能夠建立起清晰的知識(shí)體系。通過(guò)先整體再部分的教學(xué)順序，實(shí)物演示教學(xué)思路，切實(shí)有效地提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)理論知識(shí)的運(yùn)用能力[5]；方智等提出針對(duì)船舶專業(yè)的虛實(shí)結(jié)合的雙平臺(tái)教學(xué)思路，在教學(xué)中將理論仿真軟件平臺(tái)和實(shí)踐課程中的船舶控制相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生自主實(shí)踐的興趣[6]，同時(shí)又能夠極大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣；邱順佐等從智能車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與單片機(jī)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(lè)樂(lè)等提出“講課與實(shí)驗(yàn)相融合”的四階段教學(xué)改革與實(shí)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(diǎn)進(jìn)行融合教學(xué)，并且借助微課平臺(tái)來(lái)重構(gòu)教學(xué)模式[9]。

鑒于現(xiàn)階段單片機(jī)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(tái)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(jìn)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(shí)；此外，在理論教學(xué)過(guò)程中，可以配合學(xué)科競(jìng)賽作品展示的方式，結(jié)合作品生動(dòng)形象地講授基礎(chǔ)理論，幫助學(xué)生理清楚單片機(jī)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在實(shí)踐教學(xué)階段，面向當(dāng)前智慧物流產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，聚焦前沿物流科技，設(shè)計(jì)與之緊密結(jié)合的課程實(shí)踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。以《物流運(yùn)輸中危險(xiǎn)化學(xué)品的智能分布式監(jiān)測(cè)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(jī)解調(diào)技術(shù)在智能物流監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用潛力，另一方面，能夠通過(guò)課程設(shè)計(jì)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(shí)儲(chǔ)備。

1 基于新平臺(tái)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(tái)助力學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)

“翻轉(zhuǎn)課堂”作為近年來(lái)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)?！胺D(zhuǎn)課堂”教學(xué)平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，并提醒學(xué)生預(yù)先通過(guò)線上課程進(jìn)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(jī)基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于感興趣的知識(shí)點(diǎn)或存在疑問(wèn)的概念，學(xué)生可以在班級(jí)論壇中以發(fā)布主題的方式進(jìn)行交流，或者在課堂上以小組的形式進(jìn)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(jìn)行主題研討。討論的形式可以是筆記、視頻或板書等，整個(gè)過(guò)程以學(xué)生自主探索為主，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)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(guò)對(duì)課堂討論內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，再次幫助學(xué)生提煉本次課程的核心知識(shí)點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)的理解。

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

除了應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)課堂”平臺(tái)，在理論教學(xué)過(guò)程中，還可以針對(duì)性地結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)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(jìng)賽作品展示進(jìn)行理論教學(xué)，可以直觀地與教學(xué)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，更容易讓學(xué)生吸收理解，同時(shí)也易于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。以智慧物流應(yīng)用場(chǎng)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(jī)核心知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)進(jìn)行實(shí)物講解，層層遞進(jìn)、由易到難。分揀系統(tǒng)的傳輸模塊涉及單片機(jī)通用串口驅(qū)動(dòng)電機(jī)、脈沖觸發(fā)信號(hào)時(shí)序、定時(shí)器和I/O口連接；分揀系統(tǒng)中的圖像識(shí)別模塊涉及圖像信號(hào)的采集分析、單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換。在實(shí)物講解完成后，教師可以讓學(xué)生在仿真平臺(tái)上畫出單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速電路和光電探測(cè)模塊電路。一方面，可以加深學(xué)生對(duì)所運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)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(shí)踐環(huán)節(jié)夯實(shí)基礎(chǔ)。此外，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加學(xué)科競(jìng)賽、通過(guò)理論和實(shí)踐融合的模式，激發(fā)其進(jìn)行實(shí)踐探索和理論學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)教賽融合的教學(xué)模式，助力學(xué)生對(duì)理論知識(shí)體系的直觀理解、創(chuàng)新能力的提升以及團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。

2 面向智慧物流科技前沿的單片機(jī)實(shí)踐課程教學(xué)改革探索

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在課程設(shè)計(jì)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(shí)強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)與物流工程應(yīng)用的對(duì)接，培養(yǎng)能夠解決實(shí)際問(wèn)題的物流專業(yè)領(lǐng)域的人才，本文擬通過(guò)引入貼合實(shí)際物流應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，使物流專業(yè)學(xué)生能夠快速了解融合先進(jìn)光電子技術(shù)和人工智能技術(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)在物流行業(yè)的應(yīng)用潛力。下面以擬開展的實(shí)踐設(shè)計(jì)《物流運(yùn)輸中危險(xiǎn)化學(xué)品的智能分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》為題，從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)及考核方式等四個(gè)方面來(lái)探索如何貼合物流應(yīng)用，重構(gòu)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)模式。

2.1 實(shí)踐課程目標(biāo)

本實(shí)踐課程擬通過(guò)對(duì)物流場(chǎng)景中?；繁O(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)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?；沸孤吨悄芑兄矫娴膽?yīng)用能力，通過(guò)部署光纖傳感器，對(duì)?；分車鷾囟取毫驼駝?dòng)等多參量進(jìn)行感知，從而提前判斷危險(xiǎn)狀況，降低甚至避免進(jìn)一步的重大危害。

一方面，通過(guò)實(shí)踐課程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論教學(xué)環(huán)節(jié)中單片機(jī)最小系統(tǒng)、中斷、定時(shí)器、串口通信、指令系統(tǒng)及C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)的掌握情況；另一方面，針對(duì)現(xiàn)代智慧物流場(chǎng)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(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)，融合前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)外圍電路為基礎(chǔ)的光電子信息系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)到其在物流包裹安全檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，從而進(jìn)一步提升物流專業(yè)學(xué)生對(duì)物流科技前沿的認(rèn)知高度，培養(yǎng)他們?cè)谖锪餍袠I(yè)中的科技創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.2 課程內(nèi)容

針對(duì)實(shí)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(jìn)行講解學(xué)習(xí)，課程主要包括激光器、光纖光柵、光電探測(cè)器、信號(hào)采集模塊、放大模塊、單片機(jī)和外圍電路等內(nèi)容。激光器和探測(cè)器部分的內(nèi)容只需簡(jiǎn)要介紹，使學(xué)生大概了解便可；而單片機(jī)結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集、放大模塊則需要進(jìn)行重點(diǎn)講解。

單片機(jī)作為光纖智能感知系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)指令的發(fā)送和光電信息的處理。對(duì)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(huì)講解單片機(jī)的引腳和串口，幫助學(xué)生熟悉如何通過(guò)P0和P2口進(jìn)行數(shù)據(jù)地址的傳送，以及如何進(jìn)行外部LD的驅(qū)動(dòng)。針對(duì)顯示和串口通信，學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)中斷、串口通信、定時(shí)器和存儲(chǔ)器以及編程設(shè)計(jì)語(yǔ)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(duì)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(jī)理、應(yīng)變感知和調(diào)控原理，其次要學(xué)習(xí)多個(gè)光纖光柵組成的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)的傳感機(jī)理。

2.3 實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)計(jì)要求

對(duì)于有限空間內(nèi)的危險(xiǎn)品，如特殊氣體、易燃易爆等化工品的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是保證安全生產(chǎn)生活和物流正常運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(cè)效率低、無(wú)法實(shí)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(xiǎn)品的周邊環(huán)境，但是容易受環(huán)境因素干擾，不能進(jìn)行預(yù)判監(jiān)測(cè)；溫度和氣體傳感器的安裝只能監(jiān)測(cè)某個(gè)特定區(qū)域，不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)空間的全局監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)智能感知和預(yù)判監(jiān)控，課程要求設(shè)計(jì)光纖分布式傳感系統(tǒng)，通過(guò)將光纖布拉格光柵陣列分布在?；穬?chǔ)存罐表面，對(duì)儲(chǔ)存罐進(jìn)行壓力、溫度和振動(dòng)的全方位監(jiān)測(cè)。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(cè)器、濾波放大電路單元和單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LD發(fā)出脈沖信號(hào)，當(dāng)光纖布拉格陣列感知到振動(dòng)信號(hào)后，使攜帶有調(diào)制信號(hào)的脈沖光返回由探測(cè)器端，并將調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由有源濾波和功放模塊對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，最后通過(guò)LCD顯示振動(dòng)信號(hào)波形。以8位單片機(jī)C52系列為例，對(duì)于信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)部分，比如振動(dòng)信號(hào)的采集，需根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的頻率合理設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊；對(duì)于頻率較低的慢變或平穩(wěn)信號(hào)，可以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；而對(duì)于頻率較高的快速變換的振動(dòng)信號(hào)，則需要設(shè)計(jì)采樣保持器。對(duì)信號(hào)輸入方式的設(shè)計(jì)，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(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x取匹配。對(duì)于顯示接口電路和串口通信設(shè)計(jì)部分，要求將單片機(jī)處理的結(jié)果通過(guò)MAX7219驅(qū)動(dòng)由LED來(lái)顯示，通過(guò)通信接口設(shè)計(jì)，將單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算仿真。

2.4 課程設(shè)計(jì)安排考核方式

以3~4人為一個(gè)小組進(jìn)行課程實(shí)踐設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)光纖分布式傳感系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)及在物流運(yùn)輸、管理和監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用案例，對(duì)課題總的設(shè)計(jì)要求有了一定的了解。然后教師組織學(xué)生進(jìn)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(guò)程中主要起輔助作用。接著進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、焊接、程序編寫、調(diào)試及光學(xué)系統(tǒng)搭建等操作，并進(jìn)行試驗(yàn)論證。最后通過(guò)實(shí)物演示和PPT答辯的方式進(jìn)行驗(yàn)收考核。對(duì)于優(yōu)秀的實(shí)踐作品，教師應(yīng)鼓勵(lì)其參加學(xué)科競(jìng)賽。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)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(shí)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例演示的方式由淺入深分層進(jìn)行講解，助力學(xué)生直觀地理解知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也激發(fā)他們對(duì)理論學(xué)習(xí)和學(xué)科競(jìng)賽探索的興趣。此外，對(duì)于實(shí)踐課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師還要面向目前物流行業(yè)的科技前沿，通過(guò)貼合前沿應(yīng)用的課程設(shè)計(jì)，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(dòng)向，為未來(lái)就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。