郵政工程專業新工科實踐類課程的改革與探討
——以“單片機原理與PLC控制”課程為例

莊育鋒 王松 韋凌云

北京郵電大學現代郵政學院(自動化學院) 北京 100876

面向“雙一流”學科建設的目標，在教育部“專業認證”的背景下，很多高校工科專業的培養方案中增加了很多實踐類課程，同時伴隨著“新工科”的蓬勃發展，越來越多的高校提出了實踐課程的教育改革方案，通過課程革命推動學科與專業的技術轉型與升級換代。

郵政工程(互聯網與智慧物流)專業是教育部自動化大類專業目錄中的新設專業，截至目前，全國范圍內只有四所高校開設郵政工程專業，它是以控制科學與計算機科學在物流領域的學科交叉融合為主要特征，以智慧物流系統的分析、設計、優化和運營管理為目標，以基于人工智能、大數據和物聯網的物流信息技術和物流自動化技術為特色，面向“互聯網+”和智能制造培養工學和管理學相結合的智慧物流高端復合型工程技術人才。

但是在郵政工程專業的實踐課建設的過程中受到了“無先置參考經驗”等客觀條件限制，如何依托于郵政工程專業培養特色，面向“新工科”人才培養需要，突出實踐類課程在前沿領域的創新、探索、改革意識，進行資源的合理配置和優化提升，成為高校健康發展的關鍵環節。

本文研究面向新工科人才培養及工程專業認證工程背景下，郵政工程實踐類課程的優秀教學方案建設，對郵政工程專業實踐類課程的教育教學方式進行改革，將科研帶動教學、優勢資源促進發展以及交叉學科應用到實踐教學中，拓展實踐課程的知識深度和廣度，提升課程的實驗條件和教學環境，增加教學過程中的趣味性，激發學生的興趣，契合新工科發展需要，促進學生實踐能力的提升，形成一系列的郵政工程專業特色實踐類課程，打造全國范圍內的郵政工程專業樣板，滿足高校郵政工程專業的發展道路，完善老中青教師傳幫帶機制，促進教師教學創新能力，培育教學名師和青年教學名師，最終完成建設“面向新工科人才培養與工程專業認證的郵政工程專業實踐類課程”的目標。

一、課程具體改革措施

本文以北京郵電大學現代郵政學院郵政工程專業的課程“單片機原理與PLC控制”作為典型案例，闡述改革思路。

(一)課程具體改革內容

(1)因為郵政工程專業背景中涉及大量的物聯網、車聯網的技術應用，因此本門課程以無線射頻單片機(CC2530為例)進行單片機知識的講授與實驗。

(2)本門課程屬于含實驗的專業課程，其中：單片機原理(理論8課時、實踐8課時)；PLC控制(理論8課時、實踐8課時)，具體課程設置見圖1。

圖1 “單片機原理與PLC控制”課程設置圖

(3)“單片機原理”的實踐課程主要分為4次實驗，每次實驗2課時，第1次實驗主要是面向單片機的基礎功能(包括I/O口、定時器)，第2、3、4次實驗主要是面向單片機的無線射頻通信功能進行展開(包括無線組網及串口通信、WSN測距定位、WSN非測距定位)。

(4)了解CC2530-ZigBee芯片，了解ZStack協議棧的使用，掌握ZStack協議棧網絡參數的修改，掌握ZigBee調試工具的使用，建立成功無線傳感器(Wireless Sensor Networks，WSN)網絡，CC2530具有短距離射頻功能的單片機最小系統見圖2，無線節點實物圖見圖3。

圖2 CC2530單片機最小系統

圖3 無線節點的實驗開發板實物圖

(5)根據上述建立的WSN網絡，提取CC2530實驗開發板中的接收信號的強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)，并建立信號強度與不同距離間的轉換擬合關系式，畫出數據擬合曲線，同時根據三邊測量定位方法，畫出相應等效圓相交情況與未知點位置，最終完成WSN的測距測量。

(6)根據上述建立的WSN網絡，提取CC2530實驗開發板中的信號跳數信息，學習DV-hop定位算法，并進行編程仿真，并對未知節點的定位誤差結果進行分析，最終完成WSN的非測距測量。

(二)具體教學設計

(1)通過課堂講授等方式使學生掌握單片機的基本概念、基本原理和技術方法，通過實驗強化訓練、鞏固課堂知識，在實驗中考查學生對于基本概念和基本原理的理解掌握和解決問題能力。

(2)通過課堂講授等方式使學生掌握單片機的基本原理和技術方法，通過實驗強化訓練、鞏固課堂知識，在實驗中考查學生對于基本概念和基本原理的理解掌握和計算求解能力。

(3)通過完成典型單片機的軟硬件系統綜合應用的設計和實現，讓學生自主進行相關控制系統的研究、獨立設計控制系統的實驗方案并進行程序設計實現，通過綜合實驗考查學生分析問題和解決問題的能力。

(三)立德樹人措施

(1)課程堅持“立德樹人”的原則，將立德樹人包含的理想信念、愛國主義、社會主義道德等知識融入教學實踐中。充分發掘和運用課程蘊含的思想政治教育資源，把思想價值引領貫穿課程教學全過程和各環節。

(2)從課程知識體系、教學方法圍繞立德樹人這一目標設計，教學過程圍繞這個目標開展，引導學生圍繞這個目標學習。教育引導學生珍惜學習時光，心無旁騖求知問學，沿著求真理、悟道理、明事理的方向前進。

(3)培養學生遵守法律法規的意識。講解單片機的國際標準及相應的標準化組織，使學生了解工業標準化給工程設計帶來的優勢，使學生理解這些因素對于工程項目的影響，提高學生的綜合素質。

(4)培養學生的全局觀念、大局意識和責任心。通過單片機的工程應用實例，使學生了解相關工程會給社會、經濟、健康、安全、法律、文化等帶來全方位的影響。學生獨立設計軟硬件實驗系統，獨立完成相關實驗，并對實驗結果進行綜合分析，培養學生的分析和評價能力。增強學生的全局觀念、大局意識，培養責任心。

二、實踐類課程改革的具體要求

(一)實驗目的

通過本課程的學習，學生可以學習單片機尤其是無線射頻單片機的基本概念、基本組成和基本功能的相關知識，掌握單片機應用系統的設計方法，掌握用C語言進行單片機程序設計的基本技能。

(1)掌握單片機的基礎知識，掌握郵政工程領域工程設計和產品開發全周期、全流程的基本設計開發方法和技術，了解影響設計目標和技術方案的各種因素。

(2)針對郵政工程領域復雜工程問題中的特定需求，能夠運用單片機的知識提出整體解決方案，完成各單元(部件)的設計與開發。

(3)能夠借助專業知識設計滿足特定需求的郵政工程領域的智慧物流系統和裝備，在設計中體現創新意識。

(二)實驗過程及要求

(1)充分調研：指導學生進行資料查詢，調研郵政工程專業背景下，無線射頻單片機技術在行業領域內的需求分析。

(2)課前預習：指導學生自學預習，思考討論整個實驗的技術原理，自行設計整個實驗的實驗流程，并與實驗指導書進行對比，充分理解課程設置的必要性。

(3)理論學習：帶領學生閱讀實驗指導書，明確設計要求，理解無線射頻單片機、WSN網絡及定位的原理。

(4)方案設計：根據實驗內容，引導學生提出自己的各部分算法流程圖與實現方案，并討論與實驗指導書的差別，引導學生的創新思維。

(5)編程實現：讀懂基礎代碼模塊，編程實現相應算法代碼，并與已有基礎模塊進行參數對接。

(6)分組實現：學有余力的學生，通過兩人組隊的形式，加入啟發式信息，編程實現相應算法。

(7)總結報告：按要求撰寫實驗報告，并提交代碼。

(8)重點培養：在技術層面，培養學生技術興趣，增強學生的愛國情懷；同時在立德樹人方面，培養學生的團隊協作意識、合作共贏精神等方面的內容。

(三)實驗報告要求

實驗報告需要反映以下工作：

(1)封面：包含個人、團隊、課程、專業等基本信息；

(2)報告基本信息表：包含實驗名稱、實驗內容、實驗分數等；

(3)目錄：報告的主要內容形成列表；

(4)主要內容：包含目的、要求、步驟、調研、結果、感想等內容。

結語

在郵政工程專業的實踐課建設的過程中，受到了“無先置參考經驗”等客觀條件限制，容易導致學生的重理論、輕實踐，不利于全面發展。一方面，本文通過多角度綜合分析郵政工程專業的實踐課程，提出創新改革方案，優化教學、實踐過程，提升學科教育質量，凝練郵政工程專業特色，突出實踐類教學成果，最終形成具有專業特色的優秀教學案例。另一方面，本文采用歸納理論框架，通過對郵政工程專業學生課堂教學、課外實踐活動出現的問題進行歸納調查，提出了采用多學科交叉、科研任務帶動實踐課程發展、社會資源促進學科發展的模式，解決實踐教學活動中存在的問題，提供理論依據，優化教育資源，培養新工科專業人才，形成科教并舉、特色創新、交叉融合的優秀教學案例。