基于“積木式”電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)研究

胡曉霞，張琳，韓昌朔，賴奇奇，張燦，張澤帥

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

0 引言

進(jìn)入信息時(shí)代以來，生活和學(xué)習(xí)環(huán)境的智能化趨勢不斷發(fā)展，教育領(lǐng)域的發(fā)展也在不斷地革新。在新工科建設(shè)的大環(huán)境下，高校不斷加大電子類實(shí)踐課程的資源投入，我國高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點(diǎn)。如何改進(jìn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使得其能高快、更高效的被在電子信息產(chǎn)品的全面普及和快速更新?lián)Q代的環(huán)境下成長起來的新一代大學(xué)生所接受，是我們將要深入探索的重要課題。此外，教育領(lǐng)域也涌現(xiàn)出越來越多面向兒童的電類通識教育的課程，如何設(shè)計(jì)適合兒童思維規(guī)律的電學(xué)教輔工具，以促進(jìn)他們更加高效的理解具有較強(qiáng)的抽象邏輯性的電學(xué)原理也是亟需我們關(guān)注的研究方向。

1 傳統(tǒng)教輔工具現(xiàn)狀

在目前市面上出現(xiàn)的大多數(shù)電路教輔工具中，過多線路、元件接口處外露，不利于學(xué)生的使用和收整，同時(shí)安全性能一般，易引起不必要的風(fēng)險(xiǎn)意外。在電學(xué)類相關(guān)實(shí)踐課程的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，若實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較復(fù)雜，所需線路較多或?qū)Ь€較長，則實(shí)驗(yàn)中的線路易糾纏，引起混淆，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)也影響對實(shí)驗(yàn)過程的觀察思考。各高校為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使電路基礎(chǔ)元件的使用次數(shù)大幅增加，再加上學(xué)生的不妥善使用，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)元件易造成損壞，影響實(shí)驗(yàn)效果，增加教學(xué)實(shí)驗(yàn)誤差，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確分析判斷，同時(shí)縮短元器件的使用壽命，增大了學(xué)校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的資金投放。

此外，在兒童智能化水平的培養(yǎng)上，在電子信息類課程的研發(fā)過程中，大多數(shù)電類益智玩具大多停留在積木拼接和搭建階段，有部分涉及到了模塊化、可視化的簡單編程，局限在單純的培養(yǎng)學(xué)生的空間結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)模塊化編程等方面的能力，而忽略了物理電學(xué)知識的培養(yǎng)。不利于電學(xué)啟蒙的多知識模塊發(fā)展，影響兒童新思維啟蒙拓展，不利于電工電子技術(shù)的推進(jìn)和發(fā)展。市面上，現(xiàn)存的一些直觀地電學(xué)原理科普類實(shí)驗(yàn)玩具操作刻板，缺少對兒童創(chuàng)造性的培養(yǎng)，一定程度束縛了兒童的思維，創(chuàng)新性益智作用大打折扣。

2 本文提出的“積木式”電路實(shí)驗(yàn)元件模塊化

本文提出的“積木式”電路實(shí)驗(yàn)元件模塊化的研究內(nèi)容主要包括：首先，確定制作電路積木的原材料，選擇合適且安全的材料作為產(chǎn)品制作的原材料。其次，是對電路實(shí)驗(yàn)所需元件外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，以積木形式呈現(xiàn)導(dǎo)線、電池電阻等元件，對導(dǎo)線等元件起到一定保護(hù)作用，延長實(shí)驗(yàn)耗材的壽命。也使實(shí)驗(yàn)成品更加美觀。第三，對線路連接方式進(jìn)行改造，將線路的連接轉(zhuǎn)換為積木的拼接或插入式，操作時(shí)利用底板與積木元件相契合的凹槽進(jìn)行基本元件固定，提高實(shí)驗(yàn)與學(xué)生課本與所繪制電路圖的匹配契合度。元件兩端的內(nèi)嵌式接口與插頭或轉(zhuǎn)換頭進(jìn)行不同導(dǎo)線與元件間的連接，構(gòu)成理想電路圖成品，增強(qiáng)學(xué)生物理電路實(shí)驗(yàn)的安全性、可行性。

電路積木外形材料的選擇上，應(yīng)考慮到設(shè)計(jì)提出的初衷--安全實(shí)用，材料既要保證能夠完全承載電學(xué)元器件，又要考慮其體積、重量、質(zhì)感對使用者感官的接受程度。此外，由于電學(xué)材料本身的特殊性，還要考慮其耐熱性等特殊要求。

在電路積木的外形設(shè)計(jì)上,一是選擇合適的形狀包裹電學(xué)元件，二是模塊與模塊之間的連接方式的選擇。而其中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就在于如何將電路積木利用相契合的凹槽或是磁鐵等方式實(shí)現(xiàn)電路元件的連通。同時(shí)，考慮到器件的維護(hù)和更換等問題，拆裝的便捷度也是設(shè)計(jì)過程中要考慮的重要因素。

此外，在實(shí)現(xiàn)電路實(shí)驗(yàn)元件積木化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)電路功能模塊的積木化，以積木的外形，承載開發(fā)板模塊的內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)創(chuàng)新性思維的發(fā)展，增強(qiáng)電路積木的趣味性。

3 具體設(shè)計(jì)方案

積木式電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K基本包含如下部件：直流電壓供電模塊、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線功能的模塊、實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的模塊、實(shí)現(xiàn)分支功能的結(jié)點(diǎn)模塊、萬用表等實(shí)驗(yàn)儀器探針安插模塊以及實(shí)現(xiàn)各類用電器功能的電阻等模塊。如圖1所示，為已完成部分模塊的3D示意圖。以下對幾個(gè)主要模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 部分模塊的3D示意圖

3.1 導(dǎo)線模塊設(shè)計(jì)

導(dǎo)線模塊是整個(gè)教具中最為基礎(chǔ)的模塊，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到以下幾點(diǎn)：首先，負(fù)責(zé)整個(gè)電路的連接組織功能，應(yīng)用場合廣泛。其次，考慮到設(shè)計(jì)的最初目的，外形應(yīng)具備隱藏性和安全性。第三，由于導(dǎo)線不具備方向性，導(dǎo)線模塊的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)支持正向和反向兩種拼接方式，因此導(dǎo)線模塊的電路接頭和固定方式需要具有對稱性，且便于拆裝。最后，為方便控制電路尺寸，導(dǎo)線模塊的外形除直線型外，還有左拐彎型和右拐彎型。圖2為直線型導(dǎo)線模塊的具體設(shè)計(jì)圖，包含外部形狀，及內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)。

圖2 直線型導(dǎo)線模塊示意圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)現(xiàn)分支功能的結(jié)點(diǎn)模塊

實(shí)現(xiàn)分支功能的結(jié)點(diǎn)模塊，主要功能是在3個(gè)以上的支路連接時(shí)起到聯(lián)通作用。結(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)基于四種模式，十字型、T字型、左拐完型、右拐外型。其中十字型、T字型為基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)模塊，左拐彎型、右拐彎型為輔助結(jié)點(diǎn)模塊，主要工作為輔助基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)模塊拼接完成π型或其它四條以上支路的結(jié)點(diǎn)模塊。圖3所示，為T型結(jié)點(diǎn)模塊示意圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 T型結(jié)點(diǎn)模塊示意圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3 萬用表等實(shí)驗(yàn)儀器探針安插模塊

萬用表等測量儀器探針安插模塊的主要功能是為了方便電路實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)測量儀器能夠應(yīng)用于積木式電路實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行正常測量工作。

電路實(shí)驗(yàn)的目的不僅僅是從外觀上觀測實(shí)驗(yàn)效果，更為主要的是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，從而達(dá)到驗(yàn)證所學(xué)理論的正確性。因此該模塊的設(shè)計(jì)正是區(qū)分電學(xué)玩具和電學(xué)教具的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。測量儀器探針安插模塊主要分兩大類，一類針對于實(shí)驗(yàn)室的探針式，例如萬用表紅黑表筆，電流插座等以導(dǎo)線模塊為基礎(chǔ)，模塊上留有常規(guī)探針粗細(xì)的連接孔，采用自鎖式插孔。插入時(shí)向下稍稍用力即可，松開時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向上拔出。為方便電流的測量，解決拆分電路的麻煩，設(shè)計(jì)電流插座模塊。另一類針對夾子類探頭連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如示波器，信號源等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接。在導(dǎo)線模塊基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)接線柱，并配以適合其大小的絕緣保護(hù)蓋。接入設(shè)備時(shí)，拔下保護(hù)蓋。在不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量操作時(shí)，起到安全用電的保護(hù)作用。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的主要特色是獨(dú)特的積木安裝與插口設(shè)計(jì)使操作更加簡易便捷。幫助學(xué)生優(yōu)化教學(xué)情境，直觀的積木型電路便于觀察思考，理清電路實(shí)驗(yàn)思路，簡化電路實(shí)驗(yàn)過程。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更便利的操作與深入研究。

電路積木項(xiàng)目，通過積木的方式完善物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)元件。不僅更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對電路知識的理解學(xué)習(xí)，還可對教輔工具起到保護(hù)作用，從而延長電學(xué)教輔工具使用壽命，減少學(xué)校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的資金投放，一定程度節(jié)約社會資源成本?？蓜?chuàng)造的積木設(shè)計(jì)激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造及深入探究，使學(xué)生鍛煉發(fā)散性思維，敢于聯(lián)想想象，突破自身思維局限性。

作為兒童電學(xué)啟蒙益智玩具，融合知識性、創(chuàng)造性、趣味性和實(shí)用性，激發(fā)兒童對物理科學(xué)的探知欲與創(chuàng)造性思維，在積木拼接的物理啟蒙過程中培養(yǎng)孩子專注力和耐心，提升通過實(shí)驗(yàn)完成后的成就感所樹立的信心。同時(shí)，彌補(bǔ)市場上電學(xué)益智類教具的不足。推進(jìn)電工電子技術(shù)的發(fā)展。

物理實(shí)驗(yàn)教具是能夠有效提升初中物理教學(xué)效果的方法途徑之一，教具制作的關(guān)鍵地位不言而喻。本問所提出的研究，將會更好地提升對教具制作使用的掌控力度，從而通過合理化的措施與方法，進(jìn)一步優(yōu)化初中物理電路等教學(xué)的最終整體效果。體現(xiàn)新課標(biāo)的探究精神，激勵(lì)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)新，想方設(shè)法使教具變得更加完美、適用，這對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，引導(dǎo)學(xué)生用物理學(xué)的觀點(diǎn)重新認(rèn)識自己周圍環(huán)境中的事物和現(xiàn)象等方面，都有重要的啟迪作用。