邮政工程专业新工科实践类课程的改革与探讨——以“单片机原理与PLC控制”课程为例

庄育锋 王松 韦凌云

北京邮电大学现代邮政学院(自动化学院) 北京 100876

面向“双一流”学科建设的目标，在教育部“专业认证”的背景下，很多高校工科专业的培养方案中增加了很多实践类课程，同时伴随着“新工科”的蓬勃发展，越来越多的高校提出了实践课程的教育改革方案，通过课程革命推动学科与专业的技术转型与升级换代。

邮政工程(互联网与智慧物流)专业是教育部自动化大类专业目录中的新设专业，截至目前，全国范围内只有四所高校开设邮政工程专业，它是以控制科学与计算机科学在物流领域的学科交叉融合为主要特征，以智慧物流系统的分析、设计、优化和运营管理为目标，以基于人工智能、大数据和物联网的物流信息技术和物流自动化技术为特色，面向“互联网+”和智能制造培养工学和管理学相结合的智慧物流高端复合型工程技术人才。

但是在邮政工程专业的实践课建设的过程中受到了“无先置参考经验”等客观条件限制，如何依托于邮政工程专业培养特色，面向“新工科”人才培养需要，突出实践类课程在前沿领域的创新、探索、改革意识，进行资源的合理配置和优化提升，成为高校健康发展的关键环节。

本文研究面向新工科人才培养及工程专业认证工程背景下，邮政工程实践类课程的优秀教学方案建设，对邮政工程专业实践类课程的教育教学方式进行改革，将科研带动教学、优势资源促进发展以及交叉学科应用到实践教学中，拓展实践课程的知识深度和广度，提升课程的实验条件和教学环境，增加教学过程中的趣味性，激发学生的兴趣，契合新工科发展需要，促进学生实践能力的提升，形成一系列的邮政工程专业特色实践类课程，打造全国范围内的邮政工程专业样板，满足高校邮政工程专业的发展道路，完善老中青教师传帮带机制，促进教师教学创新能力，培育教学名师和青年教学名师，最终完成建设“面向新工科人才培养与工程专业认证的邮政工程专业实践类课程”的目标。

一、课程具体改革措施

本文以北京邮电大学现代邮政学院邮政工程专业的课程“单片机原理与PLC控制”作为典型案例，阐述改革思路。

(一)课程具体改革内容

(1)因为邮政工程专业背景中涉及大量的物联网、车联网的技术应用，因此本门课程以无线射频单片机(CC2530为例)进行单片机知识的讲授与实验。

(2)本门课程属于含实验的专业课程，其中：单片机原理(理论8课时、实践8课时)；PLC控制(理论8课时、实践8课时)，具体课程设置见图1。

图1 “单片机原理与PLC控制”课程设置图

(3)“单片机原理”的实践课程主要分为4次实验，每次实验2课时，第1次实验主要是面向单片机的基础功能(包括I/O口、定时器)，第2、3、4次实验主要是面向单片机的无线射频通信功能进行展开(包括无线组网及串口通信、WSN测距定位、WSN非测距定位)。

(4)了解CC2530-ZigBee芯片，了解ZStack协议栈的使用，掌握ZStack协议栈网络参数的修改，掌握ZigBee调试工具的使用，建立成功无线传感器(Wireless Sensor Networks，WSN)网络，CC2530具有短距离射频功能的单片机最小系统见图2，无线节点实物图见图3。

图2 CC2530单片机最小系统

图3 无线节点的实验开发板实物图

(5)根据上述建立的WSN网络，提取CC2530实验开发板中的接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)，并建立信号强度与不同距离间的转换拟合关系式，画出数据拟合曲线，同时根据三边测量定位方法，画出相应等效圆相交情况与未知点位置，最终完成WSN的测距测量。

(6)根据上述建立的WSN网络，提取CC2530实验开发板中的信号跳数信息，学习DV-hop定位算法，并进行编程仿真，并对未知节点的定位误差结果进行分析，最终完成WSN的非测距测量。

(二)具体教学设计

(1)通过课堂讲授等方式使学生掌握单片机的基本概念、基本原理和技术方法，通过实验强化训练、巩固课堂知识，在实验中考查学生对于基本概念和基本原理的理解掌握和解决问题能力。

(2)通过课堂讲授等方式使学生掌握单片机的基本原理和技术方法，通过实验强化训练、巩固课堂知识，在实验中考查学生对于基本概念和基本原理的理解掌握和计算求解能力。

(3)通过完成典型单片机的软硬件系统综合应用的设计和实现，让学生自主进行相关控制系统的研究、独立设计控制系统的实验方案并进行程序设计实现，通过综合实验考查学生分析问题和解决问题的能力。

(三)立德树人措施

(1)课程坚持“立德树人”的原则，将立德树人包含的理想信念、爱国主义、社会主义道德等知识融入教学实践中。充分发掘和运用课程蕴含的思想政治教育资源，把思想价值引领贯穿课程教学全过程和各环节。

(2)从课程知识体系、教学方法围绕立德树人这一目标设计，教学过程围绕这个目标开展，引导学生围绕这个目标学习。教育引导学生珍惜学习时光，心无旁骛求知问学，沿着求真理、悟道理、明事理的方向前进。

(3)培养学生遵守法律法规的意识。讲解单片机的国际标准及相应的标准化组织，使学生了解工业标准化给工程设计带来的优势，使学生理解这些因素对于工程项目的影响，提高学生的综合素质。

(4)培养学生的全局观念、大局意识和责任心。通过单片机的工程应用实例，使学生了解相关工程会给社会、经济、健康、安全、法律、文化等带来全方位的影响。学生独立设计软硬件实验系统，独立完成相关实验，并对实验结果进行综合分析，培养学生的分析和评价能力。增强学生的全局观念、大局意识，培养责任心。

二、实践类课程改革的具体要求

(一)实验目的

通过本课程的学习，学生可以学习单片机尤其是无线射频单片机的基本概念、基本组成和基本功能的相关知识，掌握单片机应用系统的设计方法，掌握用C语言进行单片机程序设计的基本技能。

(1)掌握单片机的基础知识，掌握邮政工程领域工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。

(2)针对邮政工程领域复杂工程问题中的特定需求，能够运用单片机的知识提出整体解决方案，完成各单元(部件)的设计与开发。

(3)能够借助专业知识设计满足特定需求的邮政工程领域的智慧物流系统和装备，在设计中体现创新意识。

(二)实验过程及要求

(1)充分调研：指导学生进行资料查询，调研邮政工程专业背景下，无线射频单片机技术在行业领域内的需求分析。

(2)课前预习：指导学生自学预习，思考讨论整个实验的技术原理，自行设计整个实验的实验流程，并与实验指导书进行对比，充分理解课程设置的必要性。

(3)理论学习：带领学生阅读实验指导书，明确设计要求，理解无线射频单片机、WSN网络及定位的原理。

(4)方案设计：根据实验内容，引导学生提出自己的各部分算法流程图与实现方案，并讨论与实验指导书的差别，引导学生的创新思维。

(5)编程实现：读懂基础代码模块，编程实现相应算法代码，并与已有基础模块进行参数对接。

(6)分组实现：学有余力的学生，通过两人组队的形式，加入启发式信息，编程实现相应算法。

(7)总结报告：按要求撰写实验报告，并提交代码。

(8)重点培养：在技术层面，培养学生技术兴趣，增强学生的爱国情怀；同时在立德树人方面，培养学生的团队协作意识、合作共赢精神等方面的内容。

(三)实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

(1)封面：包含个人、团队、课程、专业等基本信息；

(2)报告基本信息表：包含实验名称、实验内容、实验分数等；

(3)目录：报告的主要内容形成列表；

(4)主要内容：包含目的、要求、步骤、调研、结果、感想等内容。

结语

在邮政工程专业的实践课建设的过程中，受到了“无先置参考经验”等客观条件限制，容易导致学生的重理论、轻实践，不利于全面发展。一方面，本文通过多角度综合分析邮政工程专业的实践课程，提出创新改革方案，优化教学、实践过程，提升学科教育质量，凝练邮政工程专业特色，突出实践类教学成果，最终形成具有专业特色的优秀教学案例。另一方面，本文采用归纳理论框架，通过对邮政工程专业学生课堂教学、课外实践活动出现的问题进行归纳调查，提出了采用多学科交叉、科研任务带动实践课程发展、社会资源促进学科发展的模式，解决实践教学活动中存在的问题，提供理论依据，优化教育资源，培养新工科专业人才，形成科教并举、特色创新、交叉融合的优秀教学案例。