基于“积木式”电路实验模块的开发研究

胡晓霞，张琳，韩昌朔，赖奇奇，张灿，张泽帅

（西安工商学院，陕西西安，710200）

0 引言

进入信息时代以来，生活和学习环境的智能化趋势不断发展，教育领域的发展也在不断地革新。在新工科建设的大环境下，高校不断加大电子类实践课程的资源投入，我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点。如何改进基础实验设备，使得其能高快、更高效的被在电子信息产品的全面普及和快速更新换代的环境下成长起来的新一代大学生所接受，是我们将要深入探索的重要课题。此外，教育领域也涌现出越来越多面向儿童的电类通识教育的课程，如何设计适合儿童思维规律的电学教辅工具，以促进他们更加高效的理解具有较强的抽象逻辑性的电学原理也是亟需我们关注的研究方向。

1 传统教辅工具现状

在目前市面上出现的大多数电路教辅工具中，过多线路、元件接口处外露，不利于学生的使用和收整，同时安全性能一般，易引起不必要的风险意外。在电学类相关实践课程的部分实验项目中，若实验内容较复杂，所需线路较多或导线较长，则实验中的线路易纠缠，引起混淆，不利于学生实验操作，同时也影响对实验过程的观察思考。各高校为培养学生的动手能力，使电路基础元件的使用次数大幅增加，再加上学生的不妥善使用，基础实验元件易造成损坏，影响实验效果，增加教学实验误差，不利于学生对实验的准确分析判断，同时缩短元器件的使用寿命，增大了学校在实验设备上的资金投放。

此外，在儿童智能化水平的培养上，在电子信息类课程的研发过程中，大多数电类益智玩具大多停留在积木拼接和搭建阶段，有部分涉及到了模块化、可视化的简单编程，局限在单纯的培养学生的空间结构、计算机模块化编程等方面的能力，而忽略了物理电学知识的培养。不利于电学启蒙的多知识模块发展，影响儿童新思维启蒙拓展，不利于电工电子技术的推进和发展。市面上，现存的一些直观地电学原理科普类实验玩具操作刻板，缺少对儿童创造性的培养，一定程度束缚了儿童的思维，创新性益智作用大打折扣。

2 本文提出的“积木式”电路实验元件模块化

本文提出的“积木式”电路实验元件模块化的研究内容主要包括：首先，确定制作电路积木的原材料，选择合适且安全的材料作为产品制作的原材料。其次，是对电路实验所需元件外观进行设计改造，以积木形式呈现导线、电池电阻等元件，对导线等元件起到一定保护作用，延长实验耗材的寿命。也使实验成品更加美观。第三，对线路连接方式进行改造，将线路的连接转换为积木的拼接或插入式，操作时利用底板与积木元件相契合的凹槽进行基本元件固定，提高实验与学生课本与所绘制电路图的匹配契合度。元件两端的内嵌式接口与插头或转换头进行不同导线与元件间的连接，构成理想电路图成品，增强学生物理电路实验的安全性、可行性。

电路积木外形材料的选择上，应考虑到设计提出的初衷--安全实用，材料既要保证能够完全承载电学元器件，又要考虑其体积、重量、质感对使用者感官的接受程度。此外，由于电学材料本身的特殊性，还要考虑其耐热性等特殊要求。

在电路积木的外形设计上,一是选择合适的形状包裹电学元件，二是模块与模块之间的连接方式的选择。而其中设计的重点就在于如何将电路积木利用相契合的凹槽或是磁铁等方式实现电路元件的连通。同时，考虑到器件的维护和更换等问题，拆装的便捷度也是设计过程中要考虑的重要因素。

此外，在实现电路实验元件积木化设计的基础上，还可实现电路功能模块的积木化，以积木的外形，承载开发板模块的内涵，实现学生对复杂电路的设计构想的实现，推动创新性思维的发展，增强电路积木的趣味性。

3 具体设计方案

积木式电路实验模块基本包含如下部件：直流电压供电模块、实现导线功能的模块、实现开关功能的模块、实现分支功能的结点模块、万用表等实验仪器探针安插模块以及实现各类用电器功能的电阻等模块。如图1所示，为已完成部分模块的3D示意图。以下对几个主要模块进行详细介绍。

图1 部分模块的3D示意图

3.1 导线模块设计

导线模块是整个教具中最为基础的模块，设计时考虑到以下几点：首先，负责整个电路的连接组织功能，应用场合广泛。其次，考虑到设计的最初目的，外形应具备隐藏性和安全性。第三，由于导线不具备方向性，导线模块的连接结构应当支持正向和反向两种拼接方式，因此导线模块的电路接头和固定方式需要具有对称性，且便于拆装。最后，为方便控制电路尺寸，导线模块的外形除直线型外，还有左拐弯型和右拐弯型。图2为直线型导线模块的具体设计图，包含外部形状，及内部组成结构。

图2 直线型导线模块示意图及其内部结构

3.2 实现分支功能的结点模块

实现分支功能的结点模块，主要功能是在3个以上的支路连接时起到联通作用。结点模块的设计基于四种模式，十字型、T字型、左拐完型、右拐外型。其中十字型、T字型为基础结点模块，左拐弯型、右拐弯型为辅助结点模块，主要工作为辅助基础节点模块拼接完成π型或其它四条以上支路的结点模块。图3所示，为T型结点模块示意图及其内部结构。

图3 T型结点模块示意图及其内部结构

3.3 万用表等实验仪器探针安插模块

万用表等测量仪器探针安插模块的主要功能是为了方便电路实验室的常规测量仪器能够应用于积木式电路实验中进行正常测量工作。

电路实验的目的不仅仅是从外观上观测实验效果，更为主要的是进行实验数据的测量，从而达到验证所学理论的正确性。因此该模块的设计正是区分电学玩具和电学教具的关键设计。测量仪器探针安插模块主要分两大类，一类针对于实验室的探针式，例如万用表红黑表笔，电流插座等以导线模块为基础，模块上留有常规探针粗细的连接孔，采用自锁式插孔。插入时向下稍稍用力即可，松开时逆时针转动向上拔出。为方便电流的测量，解决拆分电路的麻烦，设计电流插座模块。另一类针对夹子类探头连接方式进行设计，如示波器，信号源等实验设备的连接。在导线模块基础上设计接线柱，并配以适合其大小的绝缘保护盖。接入设备时，拔下保护盖。在不进行实验测量操作时，起到安全用电的保护作用。

4 结语

本设计的主要特色是独特的积木安装与插口设计使操作更加简易便捷。帮助学生优化教学情境，直观的积木型电路便于观察思考，理清电路实验思路，简化电路实验过程。进行实验更便利的操作与深入研究。

电路积木项目，通过积木的方式完善物理电学实验元件。不仅更好的激发学生学习兴趣，加深对电路知识的理解学习，还可对教辅工具起到保护作用，从而延长电学教辅工具使用寿命，减少学校在实验设备上的资金投放，一定程度节约社会资源成本。可创造的积木设计激励学生自主学习创造及深入探究，使学生锻炼发散性思维，敢于联想想象，突破自身思维局限性。

作为儿童电学启蒙益智玩具，融合知识性、创造性、趣味性和实用性，激发儿童对物理科学的探知欲与创造性思维，在积木拼接的物理启蒙过程中培养孩子专注力和耐心，提升通过实验完成后的成就感所树立的信心。同时，弥补市场上电学益智类教具的不足。推进电工电子技术的发展。

物理实验教具是能够有效提升初中物理教学效果的方法途径之一，教具制作的关键地位不言而喻。本问所提出的研究，将会更好地提升对教具制作使用的掌控力度，从而通过合理化的措施与方法，进一步优化初中物理电路等教学的最终整体效果。体现新课标的探究精神，激励学生发明创新，想方设法使教具变得更加完美、适用，这对激发学生的创造性思维，培养创新型人才，引导学生用物理学的观点重新认识自己周围环境中的事物和现象等方面，都有重要的启迪作用。