模塊化串并聯電路積木玩教具設計

葛曉揚

摘要：通過直觀的形象呈現串聯和并聯電路的基礎知識原理，設計符合7-12歲兒童認知規律的電路課程教具。將組成電路的各基本要素進行模塊化設計，形成各自獨立且能夠自由組裝的教具套裝，并可以直觀地呈現電路中電流的輸送方向。該教具套裝可以組合設計出多種多樣的串聯、并聯電路，展示多種電路基礎知識。教具模塊采用城市道路規劃的主題樣式，增加趣味性的同時還可以讓兒童通過道路行駛方向來直觀地類比認知電路中的電流方向。

關鍵詞：模塊化設計電路教具設計基礎教育物理課

中圖分類號：J524.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 05-0106-04

引言

信息時代和智能化的快速發展不斷為教育領域提出新的時代命題，如今兒童生長在電子信息產品的全面普及和快速更新換代，以計算思維為代表的一系列新內容越來越成為基礎教育中的重要部分[1]。與之相匹配的，教育領域也涌現出越來越多面向兒童的電子信息類課程[2]。在眾多的STEM課程、兒童創客課程或兒童編程課程中，往往都會涉及到簡單電路這一基礎知識[3]。但是，與傳統的兒童教育內容不同，電學知識的原理具有較強的抽象邏輯性，不太容易從感官體驗直接獲得對知識原理的認識。比如電路中的電流，實際流經路徑和速度均無法直接感知。因此，如何設計符合兒童認知規律的教學方法和教具，幫助兒童在學習過程中有效地理解電路的原理和規律是教學的重點和難點。

從兒童認知水平角度看，很多計算思維和兒童編程課程面向小學階段[4]，也就是7-12歲的兒童。此階段處在皮亞杰提出的“具體運算階段”，這一時期的兒童基本可以認知簡單的因果關系等規律，但這種認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計應當重視具體事物或感官體驗與知識原理之間的聯系，靈活運用形象類比等方法，幫助兒童建立起對電路原理的理解。

從知識內容角度看，電流走向分析是基礎電路知識中的重要內容。能夠正確地識別電路中電流沿著導線通過的路徑，是理解電路工作效果、識別串并聯電路等電路基礎知識的前提。在眾多常見的兒童玩具類別中，城市道路規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習任務。將看不見的電流路徑形象地呈現為有行駛方向的道路積木，不僅可以幫助兒童理解知識，還可以通過積木化的玩法提升學習興趣[7][8]，進一步營造自我學習的氛圍。

一、知識內容與設計思路分析

（一）電學知識內容梳理

電路是各種用電器使用電力發揮效用最常見形式，是學習或制作用電器的基礎知識。在電路相關的知識內容中，串聯和并聯電路具體的呈現形式非常多樣，是學生在電路知識學習過程中的重點和難點內容。

具體的，以人教版教材為例，串聯與并聯課程出現在小學四年級下冊科學教材第三單元第三節，以及初中三年級教材第十五章第三節[9]。這部分內容的學習首先要求學生能夠區分不同電路中，用電器的連接形式為串聯或是并聯。同時，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，以及經由電路連接形式是否會對其他用電器產生影響。總結來看，串并聯電路是電路單元中的重點和難點課程，能夠正確分析電路中電流的流通路徑是掌握這部分學習內容的關鍵。

（二）模塊設計對應關系

從教具設計思路角度分析，結合兒童認知規律和形象化的設計理念，需要將構成串并聯電路的基本要素，也就是電源、開關、導線、用電器等對象進行主題化和模塊化設計重構。在結構上實現可通過導線模塊對其他模塊進行自由組合的功能，并可以直觀地指示其中電流的流經方向。

在主題設計上，將抽象的電路設計與制作過程類比為直觀的城市道路規劃游戲玩法，根據各個模塊的功能對應設計其形象。具體的，導線可以類比為道路。電源和用電器構成了供應和使用的關系，因此電源可以類比設計為工廠的形象，而用電器可以設計成可亮燈的民宅或可轉動的風車等形象。最后，一般教學實驗中常見的閘刀式開關，可以結合道路主題設計成吊橋的樣式。

（三）模塊組合方式設計

組合與連接方式是積木模塊類玩具設計的重要環節，直接關系到玩法的易上手性和組合自由度等產品關鍵特性[10]。基于上文對串并聯電路教學特點的分析，道路積木塊的設計最為關鍵，在組合方式上需要能夠實現正向和反向拼接，并且能指示當前位置的電路連接是否正確。同時，為了實現豐富的串并聯連接方式，除了直通的導線模塊，還需要設計可以轉彎和產生分支的導線模塊。在形象上，該模塊可以設計成十字路口的樣式，既可以實現四個方向的電路連通，同時也兼顧了轉向功能。在模塊的連接結構設計方面，為了方便操作和調整，積木模塊應當無需借助其他工具即可完成組合和拆分。

二、方案模塊設計

結合上文分析，模塊化串并聯電路積木玩教具包含如下部件：實現供電功能的工廠模塊、實現導線功能的道路模塊、實現開關功能的吊橋模塊、實現轉向和分支功能的十字路口模塊、以及實現各類用電器功能的住宅或風車等模塊。它們依次對應圖1中所示的a到f各積木模塊，下面詳細說明這些模塊的設計方案。

（一）導線道路模塊設計

導線道路積木是整個教具中最為基礎的模塊，需要具備如下三個功能：首先，負責整個電路的連接組織功能。其次，能夠逐步指示當前位置的電流方向。最后，在電路形成回路后能夠指示當前線路已完全接通。如圖2所示，為了實現這些功能，道路模塊需要設有L1、L2兩條供電線路和一條接回電源負極的GND線路。其中，L1線路負責指示當前電路的正確方向。L1與GND線路中間設有燈珠，并對應道路模塊上箭頭形狀的方向指示燈。每個道路模塊在拼接到電源上后可以通過GND線路構成內部回路并點亮方向指示燈的燈珠。配合L1線路右側的二極管，可以在模塊反向連接時阻止燈珠通電，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，其中配有發光二極管元件，與通路指示燈對應。由于該線路不與GND線路連接，所以只有當道路模塊連接順序正確，且與電源模塊完全形成回路后才會被點亮，以此指示當前電路是否完全接通并為線路上的用電器供電。

道路模塊的連接結構應當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對稱性，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，保證在平面上旋轉后也可以正確對應連接。同時，模塊端頭設置兩個用于強化連接的磁鐵點，左右分別對應S極和N極。這樣既可以保證在平面旋轉下的一致性，又可以在上下翻轉后用同極相斥阻止錯誤的線路拼接。

（二）電源工廠模塊設計

以工廠為形象的電源模塊負責為整個教具穩定供電，同時還需要識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。由于整個教具支持自定義組裝，最終電路上可以連接的單元數量差異較大，因此主控芯片需要內置恒壓恒流模塊，以保證電源的穩定輸出。同時，主控芯片還設有RGB LED和蜂鳴器元件，當電路正常工作時，RGB LED為淡綠色燈光，當電路形成回路但未加載任何用電器時，主控芯片會停止對外供電并控制狀態指示燈為紅色閃爍狀態，配合蜂鳴器發出電路短路的警報，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線道路模塊的結構和操作方式相同，但電路接頭設置與其他模塊略有區別。由于電源模塊負極一側最終只需要將L2線路接回電源GND端，因此負極一側只設有下方一個電路連接點，正極方向觸點設置與其他模塊相同。

（三）開關吊橋模塊

以吊橋為造型的開關模塊主要負責直接控制電路的通斷。同時，與道路模塊一樣，也通過方向指示燈內置的燈珠指示當前電路連接的方向是否正確，并且在電路連通成回路時點亮通路指示燈。如圖4所示，吊橋開關模塊的電路原理與道路模塊基本相同，只是在吊橋對岸位置設有L2線路觸點，并在吊橋前端底面設有觸片和固定用的小磁鐵。當吊橋落下時，吊橋前端底部的觸片會將模塊內的L2線路接通，從而實現對回路中用電器所在的L2線路的通斷控制。

組裝方式上，開關模塊兩端的磁鐵點位和電路接頭與道路模塊一致，并且在線路內設有二極管，當模塊反方向組裝時阻斷電路。

（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個方向上連通電路，使得模塊內的L1、L2、GND線路可以在轉彎或分支狀態下保持連接。由于電流有正負極流通方向的區別，因此使用十字路口的方式是最簡便的設計方法，否則需要分別設計左轉彎、右轉彎模塊以及多種通行方向的T形路口模塊，無論在產品成本還是實際操作上都會產生很多不便。

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系，模塊內并未設有限制電流方向的二極管元件。同時，由于實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。同時為了符合十字路口的主題，通路指示燈的造型調整為4組人行橫道，并且可以根據實際的電流流經通路分別點亮。其他方面包括模塊四個方向的電路接頭和磁鐵端點均與道路模塊一致。

（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形式，根據燈珠、馬達等不同用電器元件的不同功能，結合城市道路規劃主題可以對應設計出多種多樣的表現形式。這里以內置直流減速電機的風車積木模塊和內置燈珠的住宅積木模塊為例進行分析。

如圖6所示，首先，與其他模塊不同，用電器模塊無需區分和指示電流方向，因此不需要在線路中串聯二極管元件。其次，模塊的功能應當在電路整體形成完整回路并閉合開關后才開始執行工作，故模塊內置的直流減速馬達或燈珠應當串聯在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，均與道路模塊的標準形式一致。

經過一系列的組合拼裝，當風車用電器模塊所在的L2電路形成回路后，其內置的直流減速馬達會帶動風車旋轉。同樣，住宅模塊內置的燈珠在相同的情況下也會點亮表示正常工作。基于這種模式，還可以設計引入更多的用電器模塊，為教具帶來更豐富的課程內容和體驗效果。

三、模塊化組裝案例及應用分析

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，并且可以在操作過程中實時呈現電路連接是否正確。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）是最簡單的電路回路，由一個電源模塊、一個開關模塊、一個用住宅電器模塊、若干道路模塊和十字路口模塊組成。當按照正確順序將這些模塊串聯起來后，閉合開關即可點亮用住宅電器，顯示電路組合成功。

圖7一（b）是一個簡單的串聯電路，在圖7一（a）的基礎上，將一個風車用電器模塊串聯進電路中。同樣，閉合開關后兩個用電器模塊可以同時被啟動。

圖7一（c）是一個簡單的并聯電路，在圖7一（a）的外圍增設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車用電器模塊，同時為兩個用電器單獨配置了開關模塊。這樣便能通過電路中三個位置的開關模塊分別對電路的總體和各個部分進行控制，從而直觀地表現并聯電路的工作特點。

積木模塊不僅可以實現簡單電路的拼接，還能組合出更多更豐富的電路形式。圖7一（d）是一個同時包含串聯和并聯形式的電路案例。以圖7一（c）為基礎，在主干線路上增設一個用電器，從而形成復合電路，原有的用電器之間為并聯形式，新增的用電器又與它們一起組成串聯形式。兒童還可自由組合出更多不同的組合，在實際操作中感受和學習豐富多彩的電路知識。

除了_上述列舉的電路形式，教具還可以識別并提示各種電路組裝的錯誤。圖8列舉了幾種常見的電路問題及對應的表現效果：

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

圖8一（b）是電路方向拼接錯誤的情況，由于用電器模塊后續的道路模塊拼接方向錯誤，使得后續線路上的方向指示燈無法繼續通電點亮，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錯誤的位置。另外，由于L2線路內置二極管因此在這種情況下整個電路的通路指示燈和用電器均會停止工作。此時兒童需要跟隨方向指示燈已點亮的正確線路，找到出現錯誤拼接的位置，調整道路模塊方向完成電路的修正。

圖8一（c）是一個未加載任何用電器的短路案例，在這種狀態下，電源內置的主控芯片會識別電路負載的異常狀態，并停止L1和L2的電源輸出，同時調整狀態指示燈的顏色并發出蜂鳴警報，提示當前電路出現錯誤需要修改。

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，在游玩過程中通過游戲規則傳達電路知識原理。無論是在課堂還是在家中，均可實現在玩中學的體驗式授課。如圖9所示，針對不同的課程內容，可以搭配不同的課程任務說明和地圖底板。每張地圖底板印有與積木模塊對應的電路連接說明，根據地圖上每個格子的圖標，教師或兒童自己將對應的模塊放置連好即可完成一部分該課程或關卡的電路布局。剩下空缺的格子，需要兒童閱讀地圖上的任務要求并根據電路知識，選擇正確的模塊和安裝方向來完成組裝，實現諸如“對某條線路的單獨控制”或“同時點亮多個建筑”等任務要求。

這種搭配任務地圖的形式類似拼圖解謎游戲的玩法，可以通過持續發布對應新課程的任務地圖和帶有新功能的積木模塊，讓一套教具模塊對應實現非常多的學習和游玩內容。從而改變傳統課堂教具的使用邏輯，拓展教具產品的生命周期。同時，該教具還可以支持更多的兒童一起參與，無論是共同合作設計一套完整的電路，還是想辦法將各自組合的電路融合連接到一起，都將帶來更豐富更有趣的合作體驗。

結論分析

當前模塊化電路玩教具方案已經可以實現非常多的電路組合形式。在未來的設計深化和方案迭代中，應該引入如“立交橋模塊”的單元，從而實現更為立體和豐富的電路搭建方式。同時，教具方案還需要擴展對接更多的電學知識原理，以串并聯電路為基礎.擴展講解功率、電壓、電阻等內容，建構完整的課程體系。

模塊化串并聯電路積木是一套易于操作且能夠直觀呈現基礎電路知識原理的玩教具系統，可以適應家庭或學校等多種教學使用場景。整個系統以二極管為主要的電流方向約束單元，在無需運行復雜的程序的條件下，可以控制和呈現電路中電流的流經方向，從而對應串并聯電路課程的核心教學內容。在造型和操作設計方面，以城市道路建設為主題，通過實物操作的方式，更容易讓兒童在游玩過程中建立感受，理解本來較難感知的電路知識原理。最后，模塊化的核心設計思路不僅提供了豐富的組合自由度，還為未來內容的可擴展性提供了很大的發展空間。.

基金項目：中央高校自主科研基金學位點建設支持計劃項目“活動式教學形式下小學生自主學習教具的系統設計研究”（ 0109-T0000102）。

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