基于“積木式”電路實驗模塊的開發研究

胡曉霞，張琳，韓昌朔，賴奇奇，張燦，張澤帥

（西安工商學院，陜西西安，710200）

0 引言

進入信息時代以來，生活和學習環境的智能化趨勢不斷發展，教育領域的發展也在不斷地革新。在新工科建設的大環境下，高校不斷加大電子類實踐課程的資源投入，我國高等工程教育改革發展已經站在新的歷史起點。如何改進基礎實驗設備，使得其能高快、更高效的被在電子信息產品的全面普及和快速更新換代的環境下成長起來的新一代大學生所接受，是我們將要深入探索的重要課題。此外，教育領域也涌現出越來越多面向兒童的電類通識教育的課程，如何設計適合兒童思維規律的電學教輔工具，以促進他們更加高效的理解具有較強的抽象邏輯性的電學原理也是亟需我們關注的研究方向。

1 傳統教輔工具現狀

在目前市面上出現的大多數電路教輔工具中，過多線路、元件接口處外露，不利于學生的使用和收整，同時安全性能一般，易引起不必要的風險意外。在電學類相關實踐課程的部分實驗項目中，若實驗內容較復雜，所需線路較多或導線較長，則實驗中的線路易糾纏，引起混淆，不利于學生實驗操作，同時也影響對實驗過程的觀察思考。各高校為培養學生的動手能力，使電路基礎元件的使用次數大幅增加，再加上學生的不妥善使用，基礎實驗元件易造成損壞，影響實驗效果，增加教學實驗誤差，不利于學生對實驗的準確分析判斷，同時縮短元器件的使用壽命，增大了學校在實驗設備上的資金投放。

此外，在兒童智能化水平的培養上，在電子信息類課程的研發過程中，大多數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，局限在單純的培養學生的空間結構、計算機模塊化編程等方面的能力，而忽略了物理電學知識的培養。不利于電學啟蒙的多知識模塊發展，影響兒童新思維啟蒙拓展，不利于電工電子技術的推進和發展。市面上，現存的一些直觀地電學原理科普類實驗玩具操作刻板，缺少對兒童創造性的培養，一定程度束縛了兒童的思維，創新性益智作用大打折扣。

2 本文提出的“積木式”電路實驗元件模塊化

本文提出的“積木式”電路實驗元件模塊化的研究內容主要包括：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品制作的原材料。其次，是對電路實驗所需元件外觀進行設計改造，以積木形式呈現導線、電池電阻等元件，對導線等元件起到一定保護作用，延長實驗耗材的壽命。也使實驗成品更加美觀。第三，對線路連接方式進行改造，將線路的連接轉換為積木的拼接或插入式，操作時利用底板與積木元件相契合的凹槽進行基本元件固定，提高實驗與學生課本與所繪制電路圖的匹配契合度。元件兩端的內嵌式接口與插頭或轉換頭進行不同導線與元件間的連接，構成理想電路圖成品，增強學生物理電路實驗的安全性、可行性。

電路積木外形材料的選擇上，應考慮到設計提出的初衷--安全實用，材料既要保證能夠完全承載電學元器件，又要考慮其體積、重量、質感對使用者感官的接受程度。此外，由于電學材料本身的特殊性，還要考慮其耐熱性等特殊要求。

在電路積木的外形設計上,一是選擇合適的形狀包裹電學元件，二是模塊與模塊之間的連接方式的選擇。而其中設計的重點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現電路元件的連通。同時，考慮到器件的維護和更換等問題，拆裝的便捷度也是設計過程中要考慮的重要因素。

此外，在實現電路實驗元件積木化設計的基礎上，還可實現電路功能模塊的積木化，以積木的外形，承載開發板模塊的內涵，實現學生對復雜電路的設計構想的實現，推動創新性思維的發展，增強電路積木的趣味性。

3 具體設計方案

積木式電路實驗模塊基本包含如下部件：直流電壓供電模塊、實現導線功能的模塊、實現開關功能的模塊、實現分支功能的結點模塊、萬用表等實驗儀器探針安插模塊以及實現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。以下對幾個主要模塊進行詳細介紹。

圖1 部分模塊的3D示意圖

3.1 導線模塊設計

導線模塊是整個教具中最為基礎的模塊，設計時考慮到以下幾點：首先，負責整個電路的連接組織功能，應用場合廣泛。其次，考慮到設計的最初目的，外形應具備隱藏性和安全性。第三，由于導線不具備方向性，導線模塊的連接結構應當支持正向和反向兩種拼接方式，因此導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為直線型導線模塊的具體設計圖，包含外部形狀，及內部組成結構。

圖2 直線型導線模塊示意圖及其內部結構

3.2 實現分支功能的結點模塊

實現分支功能的結點模塊，主要功能是在3個以上的支路連接時起到聯通作用。結點模塊的設計基于四種模式，十字型、T字型、左拐完型、右拐外型。其中十字型、T字型為基礎結點模塊，左拐彎型、右拐彎型為輔助結點模塊，主要工作為輔助基礎節點模塊拼接完成π型或其它四條以上支路的結點模塊。圖3所示，為T型結點模塊示意圖及其內部結構。

圖3 T型結點模塊示意圖及其內部結構

3.3 萬用表等實驗儀器探針安插模塊

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驗室的常規測量儀器能夠應用于積木式電路實驗中進行正常測量工作。

電路實驗的目的不僅僅是從外觀上觀測實驗效果，更為主要的是進行實驗數據的測量，從而達到驗證所學理論的正確性。因此該模塊的設計正是區分電學玩具和電學教具的關鍵設計。測量儀器探針安插模塊主要分兩大類，一類針對于實驗室的探針式，例如萬用表紅黑表筆，電流插座等以導線模塊為基礎，模塊上留有常規探針粗細的連接孔，采用自鎖式插孔。插入時向下稍稍用力即可，松開時逆時針轉動向上拔出。為方便電流的測量，解決拆分電路的麻煩，設計電流插座模塊。另一類針對夾子類探頭連接方式進行設計，如示波器，信號源等實驗設備的連接。在導線模塊基礎上設計接線柱，并配以適合其大小的絕緣保護蓋。接入設備時，拔下保護蓋。在不進行實驗測量操作時，起到安全用電的保護作用。

4 結語

本設計的主要特色是獨特的積木安裝與插口設計使操作更加簡易便捷。幫助學生優化教學情境，直觀的積木型電路便于觀察思考，理清電路實驗思路，簡化電路實驗過程。進行實驗更便利的操作與深入研究。

電路積木項目，通過積木的方式完善物理電學實驗元件。不僅更好的激發學生學習興趣，加深對電路知識的理解學習，還可對教輔工具起到保護作用，從而延長電學教輔工具使用壽命，減少學校在實驗設備上的資金投放，一定程度節約社會資源成本。可創造的積木設計激勵學生自主學習創造及深入探究，使學生鍛煉發散性思維，敢于聯想想象，突破自身思維局限性。

作為兒童電學啟蒙益智玩具，融合知識性、創造性、趣味性和實用性，激發兒童對物理科學的探知欲與創造性思維，在積木拼接的物理啟蒙過程中培養孩子專注力和耐心，提升通過實驗完成后的成就感所樹立的信心。同時，彌補市場上電學益智類教具的不足。推進電工電子技術的發展。

物理實驗教具是能夠有效提升初中物理教學效果的方法途徑之一，教具制作的關鍵地位不言而喻。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，進一步優化初中物理電路等教學的最終整體效果。體現新課標的探究精神，激勵學生發明創新，想方設法使教具變得更加完美、適用，這對激發學生的創造性思維，培養創新型人才，引導學生用物理學的觀點重新認識自己周圍環境中的事物和現象等方面，都有重要的啟迪作用。