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(xué)改革探析

張志勇，唐永林，邢國春，張志剛

(1.長春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032；2.長春大學(xué)旅游學(xué)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(xué)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(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032；2.長春大學(xué)旅游學(xué)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(xué)中，但由于嵌入式系統(tǒng)課程較難，學(xué)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(xué)，通過對理論課程、實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)改革，可以極大地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)學(xué)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打印；教學(xué)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(jì)算[1]、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，但“嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)+3D打印技術(shù)”的應(yīng)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(shè)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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)院校基于3D打印技術(shù)[2]的嵌入式教學(xué)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(shè)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(xué)以講授STC89C52和ARM11嵌入式微處理器為主，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)和圖形圖像軟件制作專業(yè)針對專科學(xué)生開設(shè)嵌入式基礎(chǔ)課程、嵌入式開發(fā)課程及嵌入式實(shí)訓(xùn)課程。課程設(shè)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(xué)為參照，只是課時有所增減。由于大多數(shù)專科學(xué)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。為了使高等專科學(xué)生可以更好地學(xué)習(xí)嵌入式課程，長春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的教師團(tuán)隊(duì)做了一系列教學(xué)改革。主要包括以下幾個方面：(1)制作嵌入式課程的實(shí)訓(xùn)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(shí)驗(yàn)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(xué)平臺等[4]。這些改革使得嵌入式教學(xué)取得了一定的教學(xué)成果，但在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生對嵌入式課程的認(rèn)識還是比較模糊，對一些實(shí)驗(yàn)原理認(rèn)識不清，只是機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)。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(tuán)隊(duì)將3D打印技術(shù)應(yīng)用到嵌入式教學(xué)中，使得課堂教學(xué)更加生動、形象。

圖1 嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)置

2 3D打印技術(shù)在嵌入式理論課中的應(yīng)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(xué)方法及教學(xué)手段的應(yīng)用[5]，由于高職高專學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不及本科學(xué)生，所以在理論教學(xué)方面有很多知識點(diǎn)學(xué)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(xué)中遇到的實(shí)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?yàn)榍度胧较到y(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(xué)生對嵌入式所學(xué)知識的理解只能靠教師的講授，而不能實(shí)際觀察到各種部件的工作狀態(tài)。學(xué)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(xué)中所教師所講授的內(nèi)容不能以實(shí)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(yīng)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(shí)際教學(xué)中，學(xué)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(yīng)的管腳，并在引腳上以紅色表示高電平，以藍(lán)色表示低電平，同時可以讓學(xué)生自己體驗(yàn)和觀察每個引腳的工作狀態(tài)，這極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)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(xué)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(shí)際存儲地址相應(yīng)放大，并配相應(yīng)的物理地址在存儲器上，當(dāng)存儲數(shù)據(jù)時，讓學(xué)生自己動手將1、0二進(jìn)制數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的存儲空間及位置上。這便可以使學(xué)生直觀地理解存儲器的工作原理，學(xué)生經(jīng)過親自體驗(yàn)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(shí)際教學(xué)中學(xué)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(jìn)位標(biāo)志。

PSW位6：AC表示輔助進(jìn)位標(biāo)志。

PSW位5：F0表示用戶標(biāo)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(dāng)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(biāo)志。

PSW位1：F1表示用戶標(biāo)志1。

PSW位0：PARITY表示奇偶標(biāo)志。

以上PSW.7～PSW.0共計(jì)8個位標(biāo)志，用3D打印的教具為球型，讓學(xué)生將PSW.0～PSW.7共計(jì)8個球放入相應(yīng)的寄存器圓柱中。由此加深學(xué)生對寄存器的理解，使他們學(xué)習(xí)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(yùn)用畫圖及畫真值表的方法，學(xué)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(lán)兩種顏色LED燈表示。這樣可以讓學(xué)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(shí)驗(yàn)課中應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)課程

現(xiàn)有的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程主要以實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)[7]、實(shí)驗(yàn)箱及實(shí)驗(yàn)儀器為主。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時只是機(jī)械地完成教師安排的各項(xiàng)任務(wù)，沒有真正去做相關(guān)原理、電路及芯片的實(shí)驗(yàn)，只是將教師講授的內(nèi)容被動地理解。長春師范大學(xué)高等專科嵌入式課程實(shí)驗(yàn)主要包括以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.1.1 LED發(fā)光二極管實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)

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

3.1.2 數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)

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

3.1.3 按鈕、外部中斷及定時器實(shí)驗(yàn)

在本章實(shí)驗(yàn)中主要設(shè)置了用按鍵實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)加減實(shí)驗(yàn)、用外部中斷實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)加減實(shí)驗(yàn)、T0，方式1，計(jì)時設(shè)計(jì)一個發(fā)光二極管0.05S閃爍實(shí)驗(yàn)、T0，方式1，計(jì)時設(shè)計(jì)一個發(fā)光二極管1S閃爍實(shí)驗(yàn)、T0、方式1實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管分，秒計(jì)時器實(shí)驗(yàn)、T0、方式1實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管分，秒計(jì)時器可調(diào)實(shí)驗(yàn)，共6個實(shí)驗(yàn)。

3.1.4 蜂鳴器實(shí)驗(yàn)

在本章實(shí)驗(yàn)中主要設(shè)置了一個固定聲音頻率實(shí)驗(yàn)、聲音由高到低變化實(shí)驗(yàn)、電子門鈴實(shí)驗(yàn)，共3個。

3.1.5 繼電器實(shí)驗(yàn)

本章只設(shè)置使用P0.0口控制繼電器實(shí)現(xiàn)對220V照明燈的控制實(shí)驗(yàn)。

3.1.6 綜合性實(shí)驗(yàn)

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

以上共六大類，21個實(shí)驗(yàn)，每個實(shí)驗(yàn)均要以在PROTEUS仿真環(huán)境下調(diào)試并運(yùn)行成功，并在相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上測試。

3.2 基于3D打印教具的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程

圖3 實(shí)驗(yàn)課3D教具設(shè)計(jì)圖

在以上實(shí)驗(yàn)課程中，首先以數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行3D打印教具的應(yīng)用。數(shù)碼管是在嵌入式實(shí)驗(yàn)中應(yīng)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(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)顯示，其電路原理多為共陽極或共陰極電路。學(xué)生通常在做實(shí)驗(yàn)時只能看到封裝好的成品，無法看到內(nèi)部實(shí)驗(yàn)原理及電路。為此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嘗試?yán)?D打印技術(shù)將數(shù)碼管打印出來，并由學(xué)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(xué)生可以看到并切身體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。經(jīng)過實(shí)際教學(xué)之后，課程組教師將針對剩余的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3D教具設(shè)計(jì)，具體如圖3所示。

(1)針對LED發(fā)光二極管實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)，利用3D打印技術(shù)制作LED發(fā)光二極管，制作成紅、黃、藍(lán)3種顏色的實(shí)物，供學(xué)生制作實(shí)驗(yàn)用。(2)針對按鈕、外部中斷及定時器實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，利用3D打印技術(shù)制作喇叭、三極管并用紅、蘭兩種顏色標(biāo)注引腳。(4)針對繼電器實(shí)驗(yàn)，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(xué)生自己動手組建。(5)針對綜合性實(shí)驗(yàn)，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(shí)物模型用于教學(xué)中，使得學(xué)生能夠很快地理解和掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了他們的動手能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)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(shí)訓(xùn)課中應(yīng)用

實(shí)訓(xùn)課程是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力而安排的，一般為兩周80學(xué)時。學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)用工具。

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

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

[2]李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術(shù)及應(yīng)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(luò)組建》精品課程移動終端app的開發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī):專業(yè)版,2014(12):61-67.

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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(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(Gh150554)；吉林省高等教育學(xué)會規(guī)劃項(xiàng)目(JGJX2015C55)；吉林省高等教育教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2014046)；吉林省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(Gh14631)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)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(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，碩士，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式開發(fā)研究。

G710

A

2095-7602(2015)12-0090-04