新型電子試驗臺的創(chuàng)新設(shè)計研究

謝東桓，李安然

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京100000）

鑒于在電子電路學(xué)習(xí)與搭建過程中，電子電路元件實(shí)驗存在效果不明顯、易損壞、不易安裝、難以檢測是否正常工作等問題，需要一款可以規(guī)避上述問題的電子電路實(shí)驗平臺，從而進(jìn)行該方向的研究調(diào)查與分析。

1 調(diào)查與分析

通過訪問調(diào)研法對電子電路實(shí)驗相關(guān)問題進(jìn)行調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查對象為小學(xué)生、初中生以及授課教師。調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在以下幾點(diǎn)問題：①電子電路實(shí)驗在課堂上實(shí)驗效果不明顯；②電子元件在課堂實(shí)驗上易損壞；③電子元件在課堂實(shí)驗中不易安裝；④電子元件在課堂實(shí)驗中難以檢查是否在正常工作；⑤常用電子原件丟失率高。

通過網(wǎng)上調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上述問題在網(wǎng)絡(luò)中并沒有明確的解決方案。同時發(fā)現(xiàn)，該問題處于空白階段，所以對新型電子實(shí)驗平臺展開研究有重要意義。

2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)研

2.1 360/百度網(wǎng)站搜索

通過現(xiàn)在主流網(wǎng)站搜索引擎搜索“電子試驗臺”“電路實(shí)驗”“試驗臺”等關(guān)鍵詞，并沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品以及實(shí)驗用具，但通過網(wǎng)上搜索發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上關(guān)于電子實(shí)驗存在實(shí)驗效果不明顯、原件易損壞、電子元件不易安裝等信息。

2.2 國家知識產(chǎn)權(quán)局

通過國家知識產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在并沒有相似或相關(guān)產(chǎn)品、相似或相關(guān)專利、相似或相關(guān)文獻(xiàn)。

2.3 淘寶網(wǎng)

通過淘寶網(wǎng)進(jìn)行“電子電路”“電子實(shí)驗”“實(shí)驗臺”等關(guān)鍵詞的搜索，沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)或相似商品。

2.4 網(wǎng)絡(luò)調(diào)研結(jié)論

通過在360、百度等主流搜索引擎、國家知識產(chǎn)權(quán)局官方網(wǎng)站、淘寶網(wǎng)等電商網(wǎng)站上進(jìn)行搜索均得出：①在電子電路實(shí)驗中以及教學(xué)中，存在實(shí)驗效果不明顯、原件易損壞、電子元件不易安裝等問題；②目前并沒有相關(guān)、相似產(chǎn)品或相關(guān)、相似文獻(xiàn)。

從而得出在電子電路實(shí)驗中的確存在問題，但是沒有相關(guān)應(yīng)對措施，也沒有相關(guān)研究人員對此進(jìn)行研究。

3 訪問調(diào)研法調(diào)查

通過訪問調(diào)研北京市25 位科學(xué)教師以及100 位學(xué)習(xí)科技的學(xué)生，累計訪問125 人，有效訪問125 人（25 位教師、100 位學(xué)生），訪問有效率100%。

通過實(shí)地調(diào)研再來看電子實(shí)驗臺中可能存在的問題。經(jīng)過試驗，經(jīng)過實(shí)驗總結(jié)電路中電子元件可能存在的問題為：①IC555 常用，靈活，不需要固化；②LED 常用，靈活，種類多，連接方式多種多樣；③電阻常用，靈活，種類多，位置不固定；④滑動變阻，難插類，相對固定，但是原件在面包板上難以安裝，引腳粗，距離長；⑤繼電器，難插類，共有6 條引腳，很難插在電路上，容易出現(xiàn)錯誤；⑥干簧管，易損類，很脆弱，稍不注意就容易損壞，成本高；⑦喇叭，難插類，沒有引腳，需要焊線，且容易損壞；⑧傳感器，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝；⑨電容，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝；⑩三極管，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝。

4 訪問調(diào)研分析

在調(diào)查中，25 位教師全部期望對現(xiàn)有電路實(shí)驗器具進(jìn)行升級改進(jìn)，100 位學(xué)生全部期望對現(xiàn)有電路實(shí)驗器具進(jìn)行升級改進(jìn)。

通過信度分析得出：實(shí)驗效果不明顯、電子元件易損壞、實(shí)驗過程中電子原件不易安裝、電路檢測困難、常用元件丟失?？煽啃越y(tǒng)計資料的Cronbach 的Alpha 系數(shù)實(shí)驗結(jié)果為0.978，通過了信度分析。

5 數(shù)據(jù)分析

通過單變量回歸分析得出：①教師與電子實(shí)驗的實(shí)驗效果存在顯著關(guān)系。分析得出授課教師對實(shí)驗效果非常重視。②教師與電子元件易損壞存在顯著關(guān)系。分析得出授課教師不希望電子元件頻繁損壞。③教師與電子元件不易安裝存在顯著關(guān)系。分析得出授課教師希望電子元件安裝更加便捷。④教師與電子元件難以檢查是否正常工作存在顯著關(guān)系。分析得出授課教師在實(shí)驗電路中希望可以快速檢測到元件是否正常工作。⑤教師與常用元件丟失不存在顯著關(guān)系。分析得出授課教師對常用零件丟失并沒有特別關(guān)注。⑥學(xué)生與電子實(shí)驗的實(shí)驗效果存在顯著關(guān)系。分析得出學(xué)生對實(shí)驗效果非常重視。⑦學(xué)生與電子元件易損壞存在顯著關(guān)系。分析得出學(xué)生不希望電子元件頻繁損壞。⑧學(xué)生與電子元件不易安裝存在顯著關(guān)系。分析得出學(xué)生希望電子元件安裝更加便捷。⑨學(xué)生與電子元件難以檢查是否正常工作不存在顯著關(guān)系。分析得出學(xué)生對電子元件是否正常工作并沒有過多關(guān)系。⑩學(xué)生與常用元件丟失存在顯著關(guān)系。分析得出學(xué)生非常在意常用零件丟失問題。

6 調(diào)研結(jié)論

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、訪問調(diào)研得出，現(xiàn)在存在的電子電路試驗器具存在需要改進(jìn)的地方，并通過信度分析，回歸分析得出授課教師與學(xué)生需要的新型電子電路試驗臺需要優(yōu)化：①新型電子實(shí)驗臺要自帶電源，初步確定使用電池盒提供3 V 和6 V 的電壓，這是在電路中比較常見常使用電壓；②將容易損壞、丟失、難以安裝的元件固化在新型實(shí)驗臺上；③能夠直觀、簡單地檢測電路中遇到的問題，檢測指標(biāo)為檢測元件的電壓情況；④使用要安全、穩(wěn)定、不影響操作，且大多數(shù)人易上手；⑤外觀精美，造價便宜，性價比高。

7 設(shè)計思路

依據(jù)調(diào)研結(jié)論，制訂新型電子實(shí)驗臺設(shè)計及驗收標(biāo)準(zhǔn)。同時，要求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)滿足設(shè)計功能原則和設(shè)計結(jié)構(gòu)原則。

初步想法：基礎(chǔ)的電路實(shí)驗部分使用面包板實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)有面包板型號尺寸豐富，可以根據(jù)整體設(shè)計進(jìn)行調(diào)整），這是一個相對成熟和普遍大眾所熟悉的方法，在后期使用中普及難度低，易推廣；新型電子實(shí)驗臺應(yīng)具有電源功能，可以直接為電路供電，同時可供選擇3 V/6 V 以滿足大多數(shù)電子實(shí)驗的需求，避免準(zhǔn)備不同規(guī)格的電源帶來的不便；新型電子實(shí)驗臺應(yīng)具有檢測功能，可以直接檢測電路中不同位置的電壓情況，以查找連接錯誤或零件損壞；新型電子實(shí)驗臺應(yīng)具有功能區(qū)不易壞、易安裝的電子電路元件，根據(jù)設(shè)計思路，初步擬定新型電子實(shí)驗臺主體結(jié)構(gòu)采用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

8 設(shè)計

依據(jù)功能分析及設(shè)計思路，將新型電子實(shí)驗臺分為4 大區(qū)域（功能模塊），分別是：試驗區(qū)域、功能區(qū)域、電源區(qū)域和檢測區(qū)域。測量安裝的電子元件外觀尺寸并詳細(xì)記錄，整體結(jié)構(gòu)下各區(qū)域間相對獨(dú)立且預(yù)留安裝孔，如圖1 所示。

8.1 確定試驗區(qū)域選用規(guī)格

設(shè)計思路：試驗區(qū)域電路實(shí)驗的部分采用無焊接電子試驗臺（面包板）實(shí)現(xiàn)功能。

圖1 示意圖

設(shè)計規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)：①使用人群的使用習(xí)慣；②電路實(shí)驗孔位數(shù)量；③無焊接電子試驗臺外觀尺寸。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用2 塊SYB-130 型號面包板，提供2 組“65*10 實(shí)驗孔位”“22*5 電源孔位”。

8.2 確定功能區(qū)域固化零件

零件選用思路：功能區(qū)域主要將容易損壞、丟失、難以安裝的元件固化在新型實(shí)驗臺上。

確定固化的零件：①滑動變阻。依據(jù)電路使用情況分析，功能區(qū)域固化“10 K 滑動變阻器”和“100 K 滑動變阻器”兩款滑動變阻器。應(yīng)具有明顯區(qū)分，保持相對距離，保證滑動過程中不誤碰其他電子元件。②繼電器、干簧管、喇叭。三者均具有對磁的敏感性，同時其之間會存在相互干擾的問題，因此，在功能區(qū)域內(nèi)三者相對位置遠(yuǎn)離，以保證使用正常。③電源區(qū)域。為了保證新型電子實(shí)驗臺的可便攜性，方便使用，電源部分采用2 個3 V 電池盒作為供電部分，再通過內(nèi)部電路連接，使電源輸出可以分為同時輸出2 組3 V 電源和2 組6 V 電源。④檢測區(qū)域。檢測區(qū)域安裝2 塊數(shù)顯電壓表（其精度可達(dá)0.01 V），同時兩塊數(shù)顯電壓表采用不同的數(shù)顯顏色便于區(qū)分測量數(shù)據(jù)。為了保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，2 塊數(shù)顯電壓表獨(dú)立供電，不與電源區(qū)域共用電源。

9 制作

9.1 3D 打印

按照圖紙及建模，對試驗臺的整體架構(gòu)進(jìn)行打印。選擇黑色的底托，因黑色顯得沉穩(wěn)大氣，不浮夸，符合人們在做實(shí)驗時的心理特性。面板上，除了試驗區(qū)用面包板，其他的部分采用黃色的材料，有明朗活潑、恰如青少年的朝氣。

9.2 安裝電子元件

打印好材料后，將電子元件安裝在相應(yīng)的位置，功能區(qū)的電子元件和電源區(qū)的電池盒以及檢測區(qū)的數(shù)顯電壓表，這些電子元件在安裝時也要特別注意，因為在其旁邊需要設(shè)置接線柱，能夠與電子元件的引腳相連，所以在連接時需要思路清晰，手眼配合。

9.3 焊接連線

將電子元件的引腳與接線柱連接，用焊接的方法連接，要注意焊接時接觸時間不可過長，否則容易燒毀電子元件；電源區(qū)的電池盒要特別注意，要區(qū)別3 V 和6 V 的電源，要分別采用串聯(lián)和并聯(lián)的方式進(jìn)行。電壓表作為檢測工具，也要與接線柱焊接好，并設(shè)置電壓表的開關(guān)和電源內(nèi)置。

9.4 安裝完成

焊接好電子元件后實(shí)驗各部分元件功能是否完整，功能確認(rèn)無誤后安裝，并且把面包板裝好，新型電子實(shí)驗臺完成。

10 驗證及結(jié)果

對新型電子實(shí)驗臺進(jìn)行功能驗證，最終滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。