模塊化串并聯(lián)電路積木玩教具設(shè)計(jì)

葛曉揚(yáng)

摘要：通過(guò)直觀的形象呈現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)電路的基礎(chǔ)知識(shí)原理，設(shè)計(jì)符合7-12歲兒童認(rèn)知規(guī)律的電路課程教具。將組成電路的各基本要素進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，形成各自獨(dú)立且能夠自由組裝的教具套裝，并可以直觀地呈現(xiàn)電路中電流的輸送方向。該教具套裝可以組合設(shè)計(jì)出多種多樣的串聯(lián)、并聯(lián)電路，展示多種電路基礎(chǔ)知識(shí)。教具模塊采用城市道路規(guī)劃的主題樣式，增加趣味性的同時(shí)還可以讓兒童通過(guò)道路行駛方向來(lái)直觀地類比認(rèn)知電路中的電流方向。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)電路教具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教育物理課

中圖分類號(hào)：J524.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 05-0106-04

引言

信息時(shí)代和智能化的快速發(fā)展不斷為教育領(lǐng)域提出新的時(shí)代命題，如今兒童生長(zhǎng)在電子信息產(chǎn)品的全面普及和快速更新?lián)Q代，以計(jì)算思維為代表的一系列新內(nèi)容越來(lái)越成為基礎(chǔ)教育中的重要部分[1]。與之相匹配的，教育領(lǐng)域也涌現(xiàn)出越來(lái)越多面向兒童的電子信息類課程[2]。在眾多的STEM課程、兒童創(chuàng)客課程或兒童編程課程中，往往都會(huì)涉及到簡(jiǎn)單電路這一基礎(chǔ)知識(shí)[3]。但是，與傳統(tǒng)的兒童教育內(nèi)容不同，電學(xué)知識(shí)的原理具有較強(qiáng)的抽象邏輯性，不太容易從感官體驗(yàn)直接獲得對(duì)知識(shí)原理的認(rèn)識(shí)。比如電路中的電流，實(shí)際流經(jīng)路徑和速度均無(wú)法直接感知。因此，如何設(shè)計(jì)符合兒童認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)方法和教具，幫助兒童在學(xué)習(xí)過(guò)程中有效地理解電路的原理和規(guī)律是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

從兒童認(rèn)知水平角度看，很多計(jì)算思維和兒童編程課程面向小學(xué)階段[4]，也就是7-12歲的兒童。此階段處在皮亞杰提出的“具體運(yùn)算階段”，這一時(shí)期的兒童基本可以認(rèn)知簡(jiǎn)單的因果關(guān)系等規(guī)律，但這種認(rèn)知往往需要依托具體的事物才能建立[5][6]。因此，面向這一階段的兒童電路課程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重視具體事物或感官體驗(yàn)與知識(shí)原理之間的聯(lián)系，靈活運(yùn)用形象類比等方法，幫助兒童建立起對(duì)電路原理的理解。

從知識(shí)內(nèi)容角度看，電流走向分析是基礎(chǔ)電路知識(shí)中的重要內(nèi)容。能夠正確地識(shí)別電路中電流沿著導(dǎo)線通過(guò)的路徑，是理解電路工作效果、識(shí)別串并聯(lián)電路等電路基礎(chǔ)知識(shí)的前提。在眾多常見的兒童玩具類別中，城市道路規(guī)劃主題的積木搭建玩具，從玩法和形象上都很適合類比電路中電流走向分析這一學(xué)習(xí)任務(wù)。將看不見的電流路徑形象地呈現(xiàn)為有行駛方向的道路積木，不僅可以幫助兒童理解知識(shí)，還可以通過(guò)積木化的玩法提升學(xué)習(xí)興趣[7][8]，進(jìn)一步營(yíng)造自我學(xué)習(xí)的氛圍。

一、知識(shí)內(nèi)容與設(shè)計(jì)思路分析

（一）電學(xué)知識(shí)內(nèi)容梳理

電路是各種用電器使用電力發(fā)揮效用最常見形式，是學(xué)習(xí)或制作用電器的基礎(chǔ)知識(shí)。在電路相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容中，串聯(lián)和并聯(lián)電路具體的呈現(xiàn)形式非常多樣，是學(xué)生在電路知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。

具體的，以人教版教材為例，串聯(lián)與并聯(lián)課程出現(xiàn)在小學(xué)四年級(jí)下冊(cè)科學(xué)教材第三單元第三節(jié)，以及初中三年級(jí)教材第十五章第三節(jié)[9]。這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)首先要求學(xué)生能夠區(qū)分不同電路中，用電器的連接形式為串聯(lián)或是并聯(lián)。同時(shí)，在理解電流流通路徑的前提下，判斷電路中用電器的工作狀態(tài)，以及經(jīng)由電路連接形式是否會(huì)對(duì)其他用電器產(chǎn)生影響。總結(jié)來(lái)看，串并聯(lián)電路是電路單元中的重點(diǎn)和難點(diǎn)課程，能夠正確分析電路中電流的流通路徑是掌握這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵。

（二）模塊設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系

從教具設(shè)計(jì)思路角度分析，結(jié)合兒童認(rèn)知規(guī)律和形象化的設(shè)計(jì)理念，需要將構(gòu)成串并聯(lián)電路的基本要素，也就是電源、開關(guān)、導(dǎo)線、用電器等對(duì)象進(jìn)行主題化和模塊化設(shè)計(jì)重構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)可通過(guò)導(dǎo)線模塊對(duì)其他模塊進(jìn)行自由組合的功能，并可以直觀地指示其中電流的流經(jīng)方向。

在主題設(shè)計(jì)上，將抽象的電路設(shè)計(jì)與制作過(guò)程類比為直觀的城市道路規(guī)劃游戲玩法，根據(jù)各個(gè)模塊的功能對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)其形象。具體的，導(dǎo)線可以類比為道路。電源和用電器構(gòu)成了供應(yīng)和使用的關(guān)系，因此電源可以類比設(shè)計(jì)為工廠的形象，而用電器可以設(shè)計(jì)成可亮燈的民宅或可轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)車等形象。最后，一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的閘刀式開關(guān)，可以結(jié)合道路主題設(shè)計(jì)成吊橋的樣式。

（三）模塊組合方式設(shè)計(jì)

組合與連接方式是積木模塊類玩具設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到玩法的易上手性和組合自由度等產(chǎn)品關(guān)鍵特性[10]?；谏衔膶?duì)串并聯(lián)電路教學(xué)特點(diǎn)的分析，道路積木塊的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，在組合方式上需要能夠?qū)崿F(xiàn)正向和反向拼接，并且能指示當(dāng)前位置的電路連接是否正確。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)豐富的串并聯(lián)連接方式，除了直通的導(dǎo)線模塊，還需要設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)彎和產(chǎn)生分支的導(dǎo)線模塊。在形象上，該模塊可以設(shè)計(jì)成十字路口的樣式，既可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的電路連通，同時(shí)也兼顧了轉(zhuǎn)向功能。在模塊的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了方便操作和調(diào)整，積木模塊應(yīng)當(dāng)無(wú)需借助其他工具即可完成組合和拆分。

二、方案模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合上文分析，模塊化串并聯(lián)電路積木玩教具包含如下部件：實(shí)現(xiàn)供電功能的工廠模塊、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線功能的道路模塊、實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的吊橋模塊、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和分支功能的十字路口模塊、以及實(shí)現(xiàn)各類用電器功能的住宅或風(fēng)車等模塊。它們依次對(duì)應(yīng)圖1中所示的a到f各積木模塊，下面詳細(xì)說(shuō)明這些模塊的設(shè)計(jì)方案。

（一）導(dǎo)線道路模塊設(shè)計(jì)

導(dǎo)線道路積木是整個(gè)教具中最為基礎(chǔ)的模塊，需要具備如下三個(gè)功能：首先，負(fù)責(zé)整個(gè)電路的連接組織功能。其次，能夠逐步指示當(dāng)前位置的電流方向。最后，在電路形成回路后能夠指示當(dāng)前線路已完全接通。如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，道路模塊需要設(shè)有L1、L2兩條供電線路和一條接回電源負(fù)極的GND線路。其中，L1線路負(fù)責(zé)指示當(dāng)前電路的正確方向。L1與GND線路中間設(shè)有燈珠，并對(duì)應(yīng)道路模塊上箭頭形狀的方向指示燈。每個(gè)道路模塊在拼接到電源上后可以通過(guò)GND線路構(gòu)成內(nèi)部回路并點(diǎn)亮方向指示燈的燈珠。配合L1線路右側(cè)的二極管，可以在模塊反向連接時(shí)阻止燈珠通電，從而起到判斷和指示電流方向是否正確的功能。L2線路是用電器專用線路，其中配有發(fā)光二極管元件，與通路指示燈對(duì)應(yīng)。由于該線路不與GND線路連接，所以只有當(dāng)?shù)缆纺K連接順序正確，且與電源模塊完全形成回路后才會(huì)被點(diǎn)亮，以此指示當(dāng)前電路是否完全接通并為線路上的用電器供電。

道路模塊的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)支持正向和反向兩種拼接方式，模塊的電路接頭和固定方式需要具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，且便于拆裝。因此模塊兩端電路接頭的三條線路采用上下依次排列的方案，保證在平面上旋轉(zhuǎn)后也可以正確對(duì)應(yīng)連接。同時(shí)，模塊端頭設(shè)置兩個(gè)用于強(qiáng)化連接的磁鐵點(diǎn)，左右分別對(duì)應(yīng)S極和N極。這樣既可以保證在平面旋轉(zhuǎn)下的一致性，又可以在上下翻轉(zhuǎn)后用同極相斥阻止錯(cuò)誤的線路拼接。

（二）電源工廠模塊設(shè)計(jì)

以工廠為形象的電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)教具穩(wěn)定供電，同時(shí)還需要識(shí)別短路等特殊情況并做出警示。如圖3所示，該模塊的核心部件由主控芯片和電池組成。由于整個(gè)教具支持自定義組裝，最終電路上可以連接的單元數(shù)量差異較大，因此主控芯片需要內(nèi)置恒壓恒流模塊，以保證電源的穩(wěn)定輸出。同時(shí)，主控芯片還設(shè)有RGB LED和蜂鳴器元件，當(dāng)電路正常工作時(shí)，RGB LED為淡綠色燈光，當(dāng)電路形成回路但未加載任何用電器時(shí)，主控芯片會(huì)停止對(duì)外供電并控制狀態(tài)指示燈為紅色閃爍狀態(tài)，配合蜂鳴器發(fā)出電路短路的警報(bào)，提醒修改電路。

在拼裝組合方式上，電源模塊兩端的磁鐵固定端頭與導(dǎo)線道路模塊的結(jié)構(gòu)和操作方式相同，但電路接頭設(shè)置與其他模塊略有區(qū)別。由于電源模塊負(fù)極一側(cè)最終只需要將L2線路接回電源GND端，因此負(fù)極一側(cè)只設(shè)有下方一個(gè)電路連接點(diǎn)，正極方向觸點(diǎn)設(shè)置與其他模塊相同。

（三）開關(guān)吊橋模塊

以吊橋?yàn)樵煨偷拈_關(guān)模塊主要負(fù)責(zé)直接控制電路的通斷。同時(shí)，與道路模塊一樣，也通過(guò)方向指示燈內(nèi)置的燈珠指示當(dāng)前電路連接的方向是否正確，并且在電路連通成回路時(shí)點(diǎn)亮通路指示燈。如圖4所示，吊橋開關(guān)模塊的電路原理與道路模塊基本相同，只是在吊橋?qū)Π段恢迷O(shè)有L2線路觸點(diǎn)，并在吊橋前端底面設(shè)有觸片和固定用的小磁鐵。當(dāng)?shù)鯓蚵湎聲r(shí)，吊橋前端底部的觸片會(huì)將模塊內(nèi)的L2線路接通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)回路中用電器所在的L2線路的通斷控制。

組裝方式上，開關(guān)模塊兩端的磁鐵點(diǎn)位和電路接頭與道路模塊一致，并且在線路內(nèi)設(shè)有二極管，當(dāng)模塊反方向組裝時(shí)阻斷電路。

（四）分支十字路口模塊

電路分支十字路口模塊的主要功能是在4個(gè)方向上連通電路，使得模塊內(nèi)的L1、L2、GND線路可以在轉(zhuǎn)彎或分支狀態(tài)下保持連接。由于電流有正負(fù)極流通方向的區(qū)別，因此使用十字路口的方式是最簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法，否則需要分別設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎模塊以及多種通行方向的T形路口模塊，無(wú)論在產(chǎn)品成本還是實(shí)際操作上都會(huì)產(chǎn)生很多不便。

如圖5所示，十字路口模塊的功能原理與道路模塊基本一致，但是考慮到多方向的組合關(guān)系，模塊內(nèi)并未設(shè)有限制電流方向的二極管元件。同時(shí)，由于實(shí)際電流方向并不確定，因此方向指示燈的造型從箭頭改為圓形。同時(shí)為了符合十字路口的主題，通路指示燈的造型調(diào)整為4組人行橫道，并且可以根據(jù)實(shí)際的電流流經(jīng)通路分別點(diǎn)亮。其他方面包括模塊四個(gè)方向的電路接頭和磁鐵端點(diǎn)均與道路模塊一致。

（五）用電器模塊

用電器模塊是展示電能和電路效果的最終表現(xiàn)形式，根據(jù)燈珠、馬達(dá)等不同用電器元件的不同功能，結(jié)合城市道路規(guī)劃主題可以對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)出多種多樣的表現(xiàn)形式。這里以內(nèi)置直流減速電機(jī)的風(fēng)車積木模塊和內(nèi)置燈珠的住宅積木模塊為例進(jìn)行分析。

如圖6所示，首先，與其他模塊不同，用電器模塊無(wú)需區(qū)分和指示電流方向，因此不需要在線路中串聯(lián)二極管元件。其次，模塊的功能應(yīng)當(dāng)在電路整體形成完整回路并閉合開關(guān)后才開始執(zhí)行工作，故模塊內(nèi)置的直流減速馬達(dá)或燈珠應(yīng)當(dāng)串聯(lián)在L2電路上。最后，L1和GND兩條線路為直通模式，給前后的模塊連接提供通路。其他方面，如模塊前后的電路接頭和磁鐵固定端點(diǎn)，均與道路模塊的標(biāo)準(zhǔn)形式一致。

經(jīng)過(guò)一系列的組合拼裝，當(dāng)風(fēng)車用電器模塊所在的L2電路形成回路后，其內(nèi)置的直流減速馬達(dá)會(huì)帶動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)。同樣，住宅模塊內(nèi)置的燈珠在相同的情況下也會(huì)點(diǎn)亮表示正常工作?；谶@種模式，還可以設(shè)計(jì)引入更多的用電器模塊，為教具帶來(lái)更豐富的課程內(nèi)容和體驗(yàn)效果。

三、模塊化組裝案例及應(yīng)用分析

基于上述模塊各自不同的功能和自由組合方式，模塊化串并聯(lián)電路積木玩教具可以搭建出多種多樣的電路連接形式，并且可以在操作過(guò)程中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)電路連接是否正確。圖7展示了使用這些模塊所能搭建出的幾種常見電路形式：

圖7一（a）是最簡(jiǎn)單的電路回路，由一個(gè)電源模塊、一個(gè)開關(guān)模塊、一個(gè)用住宅電器模塊、若干道路模塊和十字路口模塊組成。當(dāng)按照正確順序?qū)⑦@些模塊串聯(lián)起來(lái)后，閉合開關(guān)即可點(diǎn)亮用住宅電器，顯示電路組合成功。

圖7一（b）是一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路，在圖7一（a）的基礎(chǔ)上，將一個(gè)風(fēng)車用電器模塊串聯(lián)進(jìn)電路中。同樣，閉合開關(guān)后兩個(gè)用電器模塊可以同時(shí)被啟動(dòng)。

圖7一（c）是一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)電路，在圖7一（a）的外圍增設(shè)若干道路和十字路口模塊形成新的分支線路。并在新的路線中安裝風(fēng)車用電器模塊，同時(shí)為兩個(gè)用電器單獨(dú)配置了開關(guān)模塊。這樣便能通過(guò)電路中三個(gè)位置的開關(guān)模塊分別對(duì)電路的總體和各個(gè)部分進(jìn)行控制，從而直觀地表現(xiàn)并聯(lián)電路的工作特點(diǎn)。

積木模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單電路的拼接，還能組合出更多更豐富的電路形式。圖7一（d）是一個(gè)同時(shí)包含串聯(lián)和并聯(lián)形式的電路案例。以圖7一（c）為基礎(chǔ)，在主干線路上增設(shè)一個(gè)用電器，從而形成復(fù)合電路，原有的用電器之間為并聯(lián)形式，新增的用電器又與它們一起組成串聯(lián)形式。兒童還可自由組合出更多不同的組合，在實(shí)際操作中感受和學(xué)習(xí)豐富多彩的電路知識(shí)。

除了_上述列舉的電路形式，教具還可以識(shí)別并提示各種電路組裝的錯(cuò)誤。圖8列舉了幾種常見的電路問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)效果：

圖8一（a）是未完成回路連接的組合狀態(tài)，此時(shí)沿著電源輸出方向，開關(guān)和道路模塊可以指示當(dāng)前線路電流方向是否正確，但由于整體線路未構(gòu)成回路，因此用電器模塊不會(huì)工作，并且道路模塊上的通路指示燈也不會(huì)點(diǎn)亮。此時(shí)兒童需要繼續(xù)拼接模塊，將電路形成完整回路。

圖8一（b）是電路方向拼接錯(cuò)誤的情況，由于用電器模塊后續(xù)的道路模塊拼接方向錯(cuò)誤，使得后續(xù)線路上的方向指示燈無(wú)法繼續(xù)通電點(diǎn)亮，但并不影響之前方向正確的線路。這樣可以明確地提示線路中出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置。另外，由于L2線路內(nèi)置二極管因此在這種情況下整個(gè)電路的通路指示燈和用電器均會(huì)停止工作。此時(shí)兒童需要跟隨方向指示燈已點(diǎn)亮的正確線路，找到出現(xiàn)錯(cuò)誤拼接的位置，調(diào)整道路模塊方向完成電路的修正。

圖8一（c）是一個(gè)未加載任何用電器的短路案例，在這種狀態(tài)下，電源內(nèi)置的主控芯片會(huì)識(shí)別電路負(fù)載的異常狀態(tài)，并停止L1和L2的電源輸出，同時(shí)調(diào)整狀態(tài)指示燈的顏色并發(fā)出蜂鳴警報(bào)，提示當(dāng)前電路出現(xiàn)錯(cuò)誤需要修改。

豐富的電路組合形式還為教具的使用方式帶來(lái)了多種可能。主題化的造型和積木化的操作方式可以讓該教具成為兒童的玩具，在游玩過(guò)程中通過(guò)游戲規(guī)則傳達(dá)電路知識(shí)原理。無(wú)論是在課堂還是在家中，均可實(shí)現(xiàn)在玩中學(xué)的體驗(yàn)式授課。如圖9所示，針對(duì)不同的課程內(nèi)容，可以搭配不同的課程任務(wù)說(shuō)明和地圖底板。每張地圖底板印有與積木模塊對(duì)應(yīng)的電路連接說(shuō)明，根據(jù)地圖上每個(gè)格子的圖標(biāo)，教師或兒童自己將對(duì)應(yīng)的模塊放置連好即可完成一部分該課程或關(guān)卡的電路布局。剩下空缺的格子，需要兒童閱讀地圖上的任務(wù)要求并根據(jù)電路知識(shí)，選擇正確的模塊和安裝方向來(lái)完成組裝，實(shí)現(xiàn)諸如“對(duì)某條線路的單獨(dú)控制”或“同時(shí)點(diǎn)亮多個(gè)建筑”等任務(wù)要求。

這種搭配任務(wù)地圖的形式類似拼圖解謎游戲的玩法，可以通過(guò)持續(xù)發(fā)布對(duì)應(yīng)新課程的任務(wù)地圖和帶有新功能的積木模塊，讓一套教具模塊對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)非常多的學(xué)習(xí)和游玩內(nèi)容。從而改變傳統(tǒng)課堂教具的使用邏輯，拓展教具產(chǎn)品的生命周期。同時(shí)，該教具還可以支持更多的兒童一起參與，無(wú)論是共同合作設(shè)計(jì)一套完整的電路，還是想辦法將各自組合的電路融合連接到一起，都將帶來(lái)更豐富更有趣的合作體驗(yàn)。

結(jié)論分析

當(dāng)前模塊化電路玩教具方案已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)非常多的電路組合形式。在未來(lái)的設(shè)計(jì)深化和方案迭代中，應(yīng)該引入如“立交橋模塊”的單元，從而實(shí)現(xiàn)更為立體和豐富的電路搭建方式。同時(shí)，教具方案還需要擴(kuò)展對(duì)接更多的電學(xué)知識(shí)原理，以串并聯(lián)電路為基礎(chǔ).擴(kuò)展講解功率、電壓、電阻等內(nèi)容，建構(gòu)完整的課程體系。

模塊化串并聯(lián)電路積木是一套易于操作且能夠直觀呈現(xiàn)基礎(chǔ)電路知識(shí)原理的玩教具系統(tǒng)，可以適應(yīng)家庭或?qū)W校等多種教學(xué)使用場(chǎng)景。整個(gè)系統(tǒng)以二極管為主要的電流方向約束單元，在無(wú)需運(yùn)行復(fù)雜的程序的條件下，可以控制和呈現(xiàn)電路中電流的流經(jīng)方向，從而對(duì)應(yīng)串并聯(lián)電路課程的核心教學(xué)內(nèi)容。在造型和操作設(shè)計(jì)方面，以城市道路建設(shè)為主題，通過(guò)實(shí)物操作的方式，更容易讓兒童在游玩過(guò)程中建立感受，理解本來(lái)較難感知的電路知識(shí)原理。最后，模塊化的核心設(shè)計(jì)思路不僅提供了豐富的組合自由度，還為未來(lái)內(nèi)容的可擴(kuò)展性提供了很大的發(fā)展空間。.

基金項(xiàng)目：中央高校自主科研基金學(xué)位點(diǎn)建設(shè)支持計(jì)劃項(xiàng)目“活動(dòng)式教學(xué)形式下小學(xué)生自主學(xué)習(xí)教具的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究”（ 0109-T0000102）。

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