基于3D打印技術(shù)的高職高專院校嵌入式系統(tǒng)課程教學改革探析

張志勇，唐永林，邢國春，張志剛

(1.長春師范大學計算機科學與技術(shù)學院，吉林長春 130032；2.長春大學旅游學院，吉林長春 130607)

基于3D打印技術(shù)的高職高專院校嵌入式系統(tǒng)課程教學改革探析

張志勇1，唐永林2，邢國春1，張志剛2

(1.長春師范大學計算機科學與技術(shù)學院，吉林長春 130032；2.長春大學旅游學院，吉林長春 130607)

目前高職高專院校大多已經(jīng)將嵌入式系統(tǒng)課程引入教學中，但由于嵌入式系統(tǒng)課程較難，學生不易快速掌握。因此將3D打印技術(shù)引入嵌入式系統(tǒng)課程教學，通過對理論課程、實驗課程及實訓課程的教學改革，可以極大地提高學生自主學習能力，加強學生的創(chuàng)新能力和動手能力，從而培養(yǎng)出企業(yè)所需的嵌入式人才。

3D打??；教學改革；嵌入式

近年來，隨著3D打印技術(shù)的日漸成熟，中國制造業(yè)未來10年發(fā)展規(guī)劃中提到，中國制造將向智能制造轉(zhuǎn)變。智能制造中主要依靠大數(shù)據(jù)、云計算[1]、互聯(lián)網(wǎng)絡的發(fā)展，但“嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)+3D打印技術(shù)”的應用則是智能制造的主要技術(shù)手段。每年中國嵌入式人才缺口在20～25萬之間，3D打印技術(shù)人才缺口更大，未來中國智能制造需要更多的“嵌入式+3D打印技術(shù)”人才。目前，國內(nèi)許多高職院校已經(jīng)開設了嵌入式系統(tǒng)應用課程，面對企業(yè)巨大“嵌入式+3D打印技術(shù)”人才需要，高等職業(yè)院?；?D打印技術(shù)[2]的嵌入式教學改革則勢在必行，這將為中國智能制造業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)大量的職業(yè)技術(shù)型人才。

1 高職高專院校嵌入式課程現(xiàn)狀

目前，隨著社會對嵌入式人才需求的不斷增長，許多高職高專院校都開設了嵌入式系統(tǒng)課程。課程體系主要分為嵌入式基礎(chǔ)課程和嵌入式開發(fā)課程兩大類，主要講授內(nèi)容為AT89C51、STC89C52和ARM系列嵌入式微處理器[3]。例如，長春師范大學以講授STC89C52和ARM11嵌入式微處理器為主，在計算機應用技術(shù)專業(yè)和圖形圖像軟件制作專業(yè)針對?？茖W生開設嵌入式基礎(chǔ)課程、嵌入式開發(fā)課程及嵌入式實訓課程。課程設置如圖1所示。

目前，在高職高專院校嵌入式課程講授的方式和方法及內(nèi)容，多數(shù)都以本科教學為參照，只是課時有所增減。由于大多數(shù)專科學生的專業(yè)基礎(chǔ)較弱，他們對很多知識無法理解和消化，使得教師在講授嵌入式課程時的壓力很大。為了使高等?？茖W生可以更好地學習嵌入式課程，長春師范大學計算機科學與技術(shù)學院的教師團隊做了一系列教學改革。主要包括以下幾個方面：(1)制作嵌入式課程的實訓仿真系統(tǒng)平臺；(2)制作嵌入式課程的理論多媒體課件網(wǎng)站；(3)制作嵌入式課程的實驗多媒體課件網(wǎng)站；(4)制作嵌入式課程的移動4G終端APP教學平臺等[4]。這些改革使得嵌入式教學取得了一定的教學成果，但在實際教學中學生對嵌入式課程的認識還是比較模糊，對一些實驗原理認識不清，只是機械地完成實驗。近年來，由于3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，我們教師團隊將3D打印技術(shù)應用到嵌入式教學中，使得課堂教學更加生動、形象。

圖1 嵌入式系統(tǒng)課程設置

2 3D打印技術(shù)在嵌入式理論課中的應用

將3D打印技術(shù)引入嵌入式系統(tǒng)理論課程中是一種新教學方法及教學手段的應用[5]，由于高職高專學生的學習基礎(chǔ)不及本科學生，所以在理論教學方面有很多知識點學生理解起來比較困難。課程組的教師經(jīng)過商討，針對嵌入式系統(tǒng)教學中遇到的實際困難提出在嵌入式微處理器、寄存器、內(nèi)存儲器、外存儲器及外圍電路五大方面引入3D打印技術(shù)。因為嵌入式系統(tǒng)理論課主要講授處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器及外圍電路等相關(guān)知識，學生對嵌入式所學知識的理解只能靠教師的講授，而不能實際觀察到各種部件的工作狀態(tài)。學生只能通過聽，繼而自己理解各功能部件的工作原理及狀態(tài)，在理論教學中所教師所講授的內(nèi)容不能以實物形式直觀地體現(xiàn)出來。

2.1 經(jīng)過探索利用3D打印技術(shù)打印出嵌入式微處理器及相應的管腳

嵌入式處理器AT89C51、STC89C52是雙列直插式40引腳，主要通過P0、P1、P2、P3口與外部交換數(shù)據(jù)，但在實際教學中，學生只能靠背誦教師傳授的內(nèi)容去理解微處理器的引腳工作狀態(tài)及工作原理。利用3D打印技術(shù)打印出嵌入式微處理器及相應的管腳，并在引腳上以紅色表示高電平，以藍色表示低電平，同時可以讓學生自己體驗和觀察每個引腳的工作狀態(tài)，這極大地提高了學生的學習熱情和學習興趣，起到事半功倍的效果。

2.2 利用3D打印技術(shù)打印存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 程序狀態(tài)寄存器圓柱型教具原理圖

通常在講授嵌入式課程存儲器時，學生對教師所講授內(nèi)容感覺很模糊，甚至不知道教師講授的內(nèi)容是什么。為此，我們可以利用3D打印技術(shù)打印出虛擬存儲的空間，將實際存儲地址相應放大，并配相應的物理地址在存儲器上，當存儲數(shù)據(jù)時，讓學生自己動手將1、0二進制數(shù)據(jù)放入相應的存儲空間及位置上。這便可以使學生直觀地理解存儲器的工作原理，學生經(jīng)過親自體驗會對教師所講授內(nèi)容記憶深刻。

2.3 利用3D打印技術(shù)打印出寄存器

以講授PSW程序狀態(tài)字寄存器為例，本寄存器共8位分別是PSW.0～PSW.7，每一位都有特定的功能及意義，在實際教學中學生很難記住與理解。3D打印的PSW程序狀態(tài)字圓柱型教具原理圖如圖2所示。

同時打印出以下8個立體教具：

PSW位7：CY表示進位標志。

PSW位6：AC表示輔助進位標志。

PSW位5：F0表示用戶標志 0。

PSW位4-3：RS1-RS0表示寄存器區(qū)選擇。

這兩位用于選擇當前工作寄存器區(qū)。8051有8個8位寄存器R0～R7，它們在RAM中的地址可以根據(jù)用戶需要來確定。

RS1 RS0：R0～R7的地址

0 0：00H～07H 8位地址單元；

0 1：08H～0FH 8位地址單元；

1 0：10H～17H 8位地址單元；

1 1：18H～1FH 8位地址單元；

PSW位2：OV表示溢出標志。

PSW位1：F1表示用戶標志1。

PSW位0：PARITY表示奇偶標志。

以上PSW.7～PSW.0共計8個位標志，用3D打印的教具為球型，讓學生將PSW.0～PSW.7共計8個球放入相應的寄存器圓柱中。由此加深學生對寄存器的理解，使他們學習起來更加輕松自如。

2.4 利用3D打印技術(shù)打印出嵌入式系統(tǒng)課程外圍電路

在嵌入式外圍電路中大多數(shù)采用CMOS集成電路芯片[6]，以74LS138譯碼器為例，通常講授此內(nèi)容時，教師會運用畫圖及畫真值表的方法，學生憑借推理完成對電路的理解。采用3D打印技術(shù)后，可以直接打印出138譯碼器模型，同時將14個引腳也打印出來，并在引腳處用紅、藍兩種顏色LED燈表示。這樣可以讓學生清楚、直觀地看到外圍電路工作時的狀態(tài)，便于他們掌握和理解電路原理。

3 3D打印技術(shù)在嵌入式實驗課中應用

3.1 傳統(tǒng)嵌入式實驗課程

現(xiàn)有的嵌入式實驗課程主要以實驗仿真系統(tǒng)[7]、實驗箱及實驗儀器為主。學生做實驗時只是機械地完成教師安排的各項任務，沒有真正去做相關(guān)原理、電路及芯片的實驗，只是將教師講授的內(nèi)容被動地理解。長春師范大學高等?？魄度胧秸n程實驗主要包括以下實驗內(nèi)容。

3.1.1 LED發(fā)光二極管實驗仿真實驗

在本章實驗課程中主要設置閃爍的LED燈實驗、流水的LED燈實驗、左右跑馬的LED燈實驗、二進制加法實驗LED燈實驗。每種實驗課程分別采用共陰極和共陽極的電路連接方式，共4個實驗。

3.1.2 數(shù)碼管實驗

在本章實驗中主要是針對數(shù)碼管的使用方法和類別不同，設置分立式數(shù)碼管循環(huán)顯示0～9——1位共陽管實驗、集成式數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示——2，4位數(shù)碼管實驗。每種實驗分為共陽和共陰極電路，共2個實驗。

3.1.3 按鈕、外部中斷及定時器實驗

在本章實驗中主要設置了用按鍵實現(xiàn)計數(shù)加減實驗、用外部中斷實現(xiàn)計數(shù)加減實驗、T0，方式1，計時設計一個發(fā)光二極管0.05S閃爍實驗、T0，方式1，計時設計一個發(fā)光二極管1S閃爍實驗、T0、方式1實現(xiàn)四位數(shù)碼管分，秒計時器實驗、T0、方式1實現(xiàn)四位數(shù)碼管分，秒計時器可調(diào)實驗，共6個實驗。

3.1.4 蜂鳴器實驗

在本章實驗中主要設置了一個固定聲音頻率實驗、聲音由高到低變化實驗、電子門鈴實驗，共3個。

3.1.5 繼電器實驗

本章只設置使用P0.0口控制繼電器實現(xiàn)對220V照明燈的控制實驗。

3.1.6 綜合性實驗

本章主要設置了數(shù)碼顯示4×4鍵盤矩陣實驗、LED模擬交通燈創(chuàng)新實驗、智能家居照明控制系統(tǒng)實驗、媒體播放器實驗、智能家居室內(nèi)溫度實驗，共計5個實驗。

以上共六大類，21個實驗，每個實驗均要以在PROTEUS仿真環(huán)境下調(diào)試并運行成功，并在相關(guān)實驗設備上測試。

3.2 基于3D打印教具的嵌入式實驗課程

圖3 實驗課3D教具設計圖

在以上實驗課程中，首先以數(shù)碼管實驗為例進行3D打印教具的應用。數(shù)碼管是在嵌入式實驗中應用最為廣泛的電子器件，其分為1位、2位、3位、4位等，主要是制作電子時鐘、數(shù)碼顯示等功能的實驗計數(shù)顯示，其電路原理多為共陽極或共陰極電路。學生通常在做實驗時只能看到封裝好的成品，無法看到內(nèi)部實驗原理及電路。為此在實驗教學中嘗試利用3D打印技術(shù)將數(shù)碼管打印出來，并由學生自己動手連接成1位、2位、3位和4位共陽極或共陰極數(shù)碼管。這樣學生可以看到并切身體驗到實驗效果，達到預期的教學效果。經(jīng)過實際教學之后，課程組教師將針對剩余的實驗進行3D教具設計，具體如圖3所示。

(1)針對LED發(fā)光二極管實驗仿真實驗，利用3D打印技術(shù)制作LED發(fā)光二極管，制作成紅、黃、藍3種顏色的實物，供學生制作實驗用。(2)針對按鈕、外部中斷及定時器實驗，利用3D打印技術(shù)制作按鈕、中斷處理寄存器、定時處理寄存器。(3)針對蜂鳴器實驗，利用3D打印技術(shù)制作喇叭、三極管并用紅、蘭兩種顏色標注引腳。(4)針對繼電器實驗，利用3D打印技術(shù)制作繼電器，繼電器常用的有5引腳和6引腳。通過3D打印制作出5引腳和6引腳的繼電器及相關(guān)的內(nèi)容電路圖，讓學生自己動手組建。(5)針對綜合性實驗，利用3D打印技術(shù)打印出4×4鍵盤矩陣模型、LED模擬交通燈模型、智能家居照明控制模型、媒體播放器模型、智能家居室內(nèi)溫度模型。將實物模型用于教學中，使得學生能夠很快地理解和掌握相關(guān)實驗內(nèi)容，增強了他們的動手能力、創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作能力，為今后的創(chuàng)業(yè)及就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

4 3D打印技術(shù)在嵌入式實訓課中應用

實訓課程是為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力而安排的，一般為兩周80學時。學生通過實訓以2～3人為一個小組，制作智能家居電子密碼鎖。利用3D打印技術(shù)打印出密碼鎖的鍵盤、LED數(shù)碼管、智能家居門、智能家居立體模型等實訓用工具。

可見，將3D打印技術(shù)引入高職高專嵌入式教學中，使嵌入式教學內(nèi)容更加豐富多彩，生動形象。對于加強職業(yè)化教育[8]、加強學生的獨立創(chuàng)新思維能力具有深遠的意義和影響。

[1]張志勇,李曉寧.基于F2AP網(wǎng)絡安全策略模型研究[J].情報科學,2014(2)：35-42.

[2]李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術(shù)及應用趨勢[J].自動化儀表,2014(1):1-5.

[3]葉勁秋.ARM嵌入式微處理器的發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)[J].無線互聯(lián)科技,2013(1):66.

[4]袁靜.《小型網(wǎng)絡組建》精品課程移動終端app的開發(fā)[J].現(xiàn)代計算機:專業(yè)版,2014(12):61-67.

[5]王新榮,張霞,李小海,等.高等理工科課程教學方法及教學手段改革研究[J].中國電力教育,2013(1):110-111.

[6]尹利,曹衛(wèi)剛,王曉歡.淺談CMOS集成電路的應用[J].無線互聯(lián)科技,2012(7):183.

[7]楊明珊,譚鳳杰,李志中,等.電磁場與電磁波實驗仿真系統(tǒng)[J].鄭州大學學報:理學版,2013(2):64-67.

[8]馬春龍,沈呈民.獨立學院大學生職業(yè)化教育師資培養(yǎng)的研究與實踐[J].長春理工大學學報,2012(3)：19-20.

Teaching Reform of Embedded System in Higher Vocational Colleges Based on 3D Printing Technology

ZHANG Zhi-yong1,TANG Yong-lin2,XING Guo-chun1,ZHANG Zhi-gang2

(1.College of Computer Science and Technology, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032,China;2.Tourism College, Changchun University, Changchun Jilin 130607,China)

Now most vocational colleges have introduced the teaching curriculum embedded systems, however it is difficult for students to grasp.Therefore, the 3D printing technology leaded into embedded systems course , theoretical courses, teaching experiment course and training course,can greatly improve the learning ability of students, strengthen students' creative and practical ability and cultivate the talent needed for enterprise embedded.

3D printing;teaching reform;embedded

2015-09-01

吉林省教育科學“十二五”規(guī)劃項目(Gh150554)；吉林省高等教育學會規(guī)劃項目(JGJX2015C55)；吉林省高等教育教學研究重點項目(2014046)；吉林省教育科學“十二五”規(guī)劃項目(Gh14631)；吉林省教育廳“十三五”科學技術(shù)研究規(guī)劃項目(吉教科文合字[2015]582號)。

張志勇(1972- )，男，吉林長春人，長春師范大學計算機科學與技術(shù)學院副教授，碩士生導師，碩士，從事計算機網(wǎng)絡與嵌入式開發(fā)研究。

G710

A

2095-7602(2015)12-0090-04