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摘要：本文系统地介绍了《3D电子实验室》与Arduino电子控制平台相结合，作为《嵌入式开发》课程的辅助教学软件，将Dreamer Nano控制板以及相关电子元件以3D效果进行虚拟设计，集合了3D面包板视图模块、电路原理图绘制模块、程序代码读写模块，文中以“闪烁的小灯泡”项目为例，详细地阐述了三大模块的具体使用方法，从而体现出《3D电子实验室》相较于目前市场上已经存在的其他类型的电子实验室，拥有的突出优势，以及作为《嵌入式开发》课程的辅助教学软件，能够为师生提供的便利教学条件和良好学习效果。
关键词：3D电子实验室；嵌入式开发；Arduino电子控制平台；Dreamer Nano控制板
本文引用格式：和雪姣.《3D电子实验室》在《嵌入式开发》课程教学手段改革中的研究与应用[J].教育现代化,2019,6(34):42-44.
一《嵌入式开发》课程辅助教学软件分类
目前，《嵌入式开发》课程以电子实验室作为辅助教学软件的有两大类，一类是基于增强现实技术研发的大型仿真虚拟电子实验室，使用者需要佩戴3D眼镜进行庞大的电子项目制作，实现复杂的电子实验，这一类虚拟电子实验室能够省去购买真实电子元件所消耗的人力和物力，避免因为实验失败而造成资源浪费的情况。但是，研发这一类庞大高端的虚拟空间电子实验室耗时耗力，并不适用于高校教学之中，因为学生数量众多，虚拟电子实验室很难做到将资源均匀配置，不利于保证所有学生的学习质量。
第二类是基于电脑平台的二维电子项目仿真制作软件，如与Arduino电子控制平台及其配套电子元件相结合设计的“Fritizing”，是一款开源的原理图绘制、PCB制作软件，虽然配备齐全的电子项目制作流程介绍和程序代码的开源供应，但是，因为受限于如小灯泡不能真实发光、所有电子元件均为扁平化设计等弊端，导致电子元件的物理性质无法被真实还原，仿真度大大降低，不能保证学生的学习质量，教师的教学手段也得不到充分发挥。
可见，现有的两大类型的电子实验室，均存在应用于高校教学之中的各种弊端。对此，提出《3D电子实验室》的研究与实践，与现下流行的Arduino电子控制平台相结合，旨在克服上述两大类型电子实验室存在的各种弊端，填补目前没有适用于高校《嵌入式开发》课程教学的虚拟电子实验室软件的空白。
二Arduino电子控制平台的应用
Arduino是一款源自意大利的开源电子控制平台，包括一块具备简单I/O功能的控制板和一套计算机端的程序开发环境。Arduino电子控制平台可以开发交互产品，读取大量开关信号和传感信号，控制电灯、电机等各类外围物理设备，也可以开发与计算机相连接的周边装置，能在运行时与计算机上的软件实行双向通信。
《3D电子实验室》之所以选择与Arduino电子控制平台相结合，除了因为Arduino电子控制平台具备有利于电子知识薄弱的学生快速入门的产品优势之外，还考虑到Arduino是一款真正推动开源硬件发展的电子控制平台，而“开源”思想正是《3D电子实验室》作为《嵌入式开发》课程辅助教学和学习软件的设计宗旨之一，即为教师培养学生独立自主学习的能力提供条件，为学生获取学习资源提供最大便利。
开源硬件作为开源文化的一部分，是指在设计中公开详细信息的硬件设计，包括电子元件、电子电路图和程序代码等。开源文化是相对于封源文化而言的，软件资源和控制代码都是开放且免费获取的。“开源”思想能够以最大的程度来集成四面八方的聪明思想和天才设计，使硬件设施和软件系统得到充分完善。
不同于开源软件，开源硬件是需要制作成本的。通常开源硬件中的软件部分是完全免费且可复制分发的，硬件部分的价格定位需保持在项目持续发展的最低价格，以保证产品质量。Arduino电子控制平台出现以前，虽然也有一些公司推广了简单易学的嵌入式控制板，但是由于嵌入式平台种类繁多，应用这些平台提供的控制板进行电子项目制作，需要学生了解电子技术、数字逻辑、程序语言等诸多内容，而后才能制作出来一个简单的电子产品。这种情况给开源硬件的推广设置了一个初学者难以跨越的鸿沟，需要其投入大量精力才能掌握嵌入式控制板的正确应用方法以及排除造成硬件故障的原因，最终导致许多初学者丧失了学习兴趣。
Arduino电子控制平台可以帮助学生很快地完成一个电子项目的制作，同时开放并分享这个电子项目的所有软、硬件资料，帮助其他学生也能很快地完成这个电子项目。然而，值得注意的是，Arduino电子控制平台真正开放并能够免费获取的也只是软件资料，由于硬件资料需要制作成本，所以无法做到无偿获取，这正是Arduino电子控制平台作为《嵌入式开发》课程辅助教学软件的不足之处。应运而生的《3D电子实验室》，作为一款以计算机为平台的三维虚拟电子实验室，将全部电子元件等比例地制作为虚拟元件，以360度无死角的立体效果呈现在三维的操作界面空间之中，省去了电子元件的制作成本，从真正意义上实现了开源硬件[1-3]。
三《3D电子实验室》的实践与应用
《3D电子实验室》作为《嵌入式开发》课程的辅助教学软件，集合了3D面包板视图模块、电路原理图绘制模块、程序代码读写模块，共三个功能模块。学生在程序代码读写模块可以直接下载系统预设的电子项目程序代码（带注释），便于教师讲解代码编写原则。教师也可以根据学生学习能力的高低，指导学生重新编写相关电子项目代码。学生在面包板视图模块，完成电子项目的制作之后，系统会在电路原理图绘制模块自动生成电路原理图。教师可指导学生通过查看电路原理图，了解Dreamer Nano控制板各管脚的连接状态。学生在程序代码读写模块，上传程序代码至Dreamer Nano控制板，最终获得电子项目的3D虚拟效果。《3D电子实验室》在每一个功能模块的界面下方均设置了切换标签，既可以方便学生随时观察各模块参数更改后产生的影响，又能够辅助教师讲解各个模块中的电子知识。
《3D电子实验室》的第一个模块为面包板视图的3D界面，是虚拟电子项目的制作区域。界面的右上方为电子元件陈列区，摆放了如Dreamer Nano控制板、导线、电阻、发光二极管等诸多3D效果的电子元件。虚拟控制板的设计还原Arduino电子控制平台中的Dreamer Nano控制板，其中管脚0至13标注为D0至D13，每一个标识都位于管脚的上方。由于真实的Dreamer Nano控制板左上角的D1TX管脚和右上角的VIN管脚的上方均有安装孔，虚拟的Dreamer Nano控制板完全将其还原，所以也将D1TX和VIN两个标识标注在对应管脚的旁边而不是上方。标识D1TX和D0RX对应的是管脚D1和D0，其中TX和RX是指这两个管脚可被用作TX和RX的功能。
与真实的Dreamer Nano控制板相同，虚拟的Dreamer Nano控制板上同样板载4个LED灯，虚拟发光指示Dreamer Nano的状态。这4个板载LED灯从左向右依次被标注为TX、RX、L、ON。TX灯和RX灯是Dreamer Nano与外部进行数据交换的指示灯，TX灯虚拟闪烁表示Dreamer Nano正在发送数据，RX灯虚拟闪烁表示Dreamer Nano正在接收数据。最右边的ON灯是Dreamer Nano的电源指示灯，当Dreamer Nano通电时ON灯会被虚拟点亮且一直持续至Dreamer Nano断电。ON灯左边的L灯是板载测试灯，当它与Dreamer Nano的管脚D13相连接时，通过修改D13的状态代码，学生可以直观地看到虚拟端口的状态变化。与真实的Dreamer Nano控制板出厂设置一样，虚拟的Dreamer Nano控制板也会事先烧写一个让板载L灯闪烁的例子。
虚拟的针孔面包板可无限扩展，当电子元件被移至面包板时，与其管脚相连通的面包板插孔周围都会出现淡绿色光圈，表明这些插孔可以直接连接其他电子元件。虚拟的红、黄、绿等各个颜色的LED小灯泡发光真实，发光二极管的正极长管脚与负极短管脚可360度辨别无死角。
虚拟的导线配备红、黄、绿、蓝、黑、白等多种颜色，且长短可调。一般来说，红色导线作为＋5V电源线，黑色导线作为接地线。这种方式可以帮助教师指导学生快速地分辨每条导线在电路中的功能，在制作电子项目的过程中，导线的颜色也可以随时按需调整。
在面包板视图模块中，将鼠标悬停在电子元件的图标上，该图标会变大表示已被选中，旋转鼠标可360度观察该电子元件。单击电子元件，则下方会弹出属性菜单。比如，单击虚拟电阻图标，属性菜单中会显示当前选中的电阻的阻止、封装、公差等信息，通过字符输入的方式可以更改这些属性参数，某些属性的改变会直接反映在电子元件的外观上。设置好所有参数之后，将电子元件拖拽至针孔面包板上，即可实现电子项目的虚拟制作。
第二个模块为电路原理图视图界面，电池、电阻、发光二极管等电子元件均以电气符号的形式出现，符号之间用黑线连接，拖拽电气符号即可调整其所在位置，单击界面下方的自动布线按钮，即可得到一张整洁清晰的电路原理图。
第三个模块为程序代码读写界面，最上方的区域是菜单栏和按钮的操作区，中间的白色区域是程序编辑区，下方的黑色区域为信息提示区。操作区中的菜单栏共有6个按钮，依次为校验、上传、新建、打开、保存和串口监视窗。单击“打开”按钮可以直接打开一个系统预设的程序代码文件，也可以根据虚拟电子项目的预期实现效果，自行更改程序代码。
例如，Dreamer Nano控制板内载的“闪烁”程序，是Dreamer Nano的出厂默认功能，除了能够实现管脚D13外接发光二极管的闪烁效果之外，还可以实现Dreamer Nano控制板的4个板载LED灯TX、RX、L、ON之中的板载测试灯，即L灯闪烁。
单击菜单栏中的“打开”按钮，在下拉菜单中选择系统预设的“闪烁”程序，将代码加载到程序编辑区。单击“校验”按钮编译程序，此时程序编辑区域的下边框会出现一个绿色进度条，即加载状态栏。校验完成后，单击“上传”按钮，将程序写入Dreamer Nano控制板。此时，单击界面下方的面包板视图模块标签，可转换到面包板视图界面，观察Dreamer Nano控制板的变化。由于真实的Dreamer Nano控制板在写入程序时需要几分钟的等待时间，板载串口指示灯——TX灯和RX灯会不断闪烁，所以虚拟的Dreamer Nano控制板的板载串口指示灯——TX灯和RX灯在此过程中的也会不断地虚拟闪烁。
上传完成后，状态栏出现“上传成功”，提示程序已成功写入Dreamer Nano控制板，此时，进入面包板视图模块，会发现Dreamer Nano控制板的板载测试灯——L灯正在不断地虚拟闪烁。
目前《3D电子实验室》为学生配备的基础学习项目除了上述的“闪烁的小灯泡”之外、还有“交通指示灯”项目和“摇晃的骰子”项目，相较于目前市场中已出现的《嵌入式开发》课程辅助教学软件，《3D电子实验室》主要具有如下核心优势：
1.3D效果虚拟电子元件，节省硬件制作成本，真正实现了硬件开源。
2.电路原理图可以自动生成，省时省力，为教师讲解电子电路搭建原理提供教学条件。
3.预设程序代码可随时更改，教师可以因材施教，针对学生学习能力的高低给予不同程度的指导。
4.游戏化设计，设置关卡解锁新的电子项目，以得分机制激励学生的学习热情，又可以作为教师评分的参考标准，寓教于乐，寓学于乐。
5.连接网络，线上沟通，实时共享，解决因师生不能及时沟通，导致延误学习的问题。
以《3D电子实验室》的研发设计及其在《嵌入式开发》课程中的教学实践为研究思路，在对《3D电子实验室》进行多次线上测试，保证其运行稳定的基础之上，将《3D电子实验室》带入《嵌入式开发》课程之中，在教学中获得师生的真实反馈，作为用户调研的研究数据，验证《3D电子实验室》作为改革的教学手段实践于《嵌入式开发》课程之中，可以得到预期的教学实效性。
四 总结
教师使用《3D电子实验室》作为《嵌入式开发》课程的辅助教学软件，可以随时放大Dreamer Nano控制板等各种电子元件的细节，便于学生观察学习，提高理论与实践相结合教学的实效性与趣味性，既能够帮助学生透彻掌握课程的理论知识，又可以提升学生制作电子项目的实操能力。同时，免去师生上课携带电子元件的麻烦，省去误操作电子元件导致的资金损耗。
《3D电子实验室》以游戏化的思维方式，使电子技术不再那么遥远和难于上手，帮助电子知识基础薄弱，甚至是没有电子相关学习背景的艺术类专业学生，能够在一个逼真的虚拟现实世界之中动手制作完成一个有趣的电子作品[4,5]。
参考文献
[1]程晨.Arduino电子设计实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013.
[2]翁恺.学Arduino玩转电子制作[M].北京:人民邮电出版社,2013.
[3]杨佩璐,任昱衡.Arduino入门很简单[M].北京：清华大学出版社，2015.
[4]姜芳芳.计算机基础课程教学方法的改革[J].教育现代化，2015(10):65-66.
[5]陆玲,李丽华.基于现代化教学辅助系统的人工智能课程教学改革[J].教育现代化,2015(10):147-149.
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