謝東桓，李安然

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京100000）

鑒于在電子電路學習與搭建過程中，電子電路元件實驗存在效果不明顯、易損壞、不易安裝、難以檢測是否正常工作等問題，需要一款可以規(guī)避上述問題的電子電路實驗平臺，從而進行該方向的研究調查與分析。

1 調查與分析

通過訪問調研法對電子電路實驗相關問題進行調查，重點調查對象為小學生、初中生以及授課教師。調查發(fā)現存在以下幾點問題：①電子電路實驗在課堂上實驗效果不明顯；②電子元件在課堂實驗上易損壞；③電子元件在課堂實驗中不易安裝；④電子元件在課堂實驗中難以檢查是否在正常工作；⑤常用電子原件丟失率高。

通過網上調查發(fā)現，上述問題在網絡中并沒有明確的解決方案。同時發(fā)現，該問題處于空白階段，所以對新型電子實驗平臺展開研究有重要意義。

2 網絡調研

2.1 360/百度網站搜索

通過現在主流網站搜索引擎搜索“電子試驗臺”“電路實驗”“試驗臺”等關鍵詞，并沒有發(fā)現相關產品以及實驗用具，但通過網上搜索發(fā)現網上關于電子實驗存在實驗效果不明顯、原件易損壞、電子元件不易安裝等信息。

2.2 國家知識產權局

通過國家知識產權局官網發(fā)現，現在并沒有相似或相關產品、相似或相關專利、相似或相關文獻。

2.3 淘寶網

通過淘寶網進行“電子電路”“電子實驗”“實驗臺”等關鍵詞的搜索，沒有發(fā)現相關或相似商品。

2.4 網絡調研結論

通過在360、百度等主流搜索引擎、國家知識產權局官方網站、淘寶網等電商網站上進行搜索均得出：①在電子電路實驗中以及教學中，存在實驗效果不明顯、原件易損壞、電子元件不易安裝等問題；②目前并沒有相關、相似產品或相關、相似文獻。

從而得出在電子電路實驗中的確存在問題，但是沒有相關應對措施，也沒有相關研究人員對此進行研究。

3 訪問調研法調查

通過訪問調研北京市25 位科學教師以及100 位學習科技的學生，累計訪問125 人，有效訪問125 人（25 位教師、100 位學生），訪問有效率100%。

通過實地調研再來看電子實驗臺中可能存在的問題。經過試驗，經過實驗總結電路中電子元件可能存在的問題為：①IC555 常用，靈活，不需要固化；②LED 常用，靈活，種類多，連接方式多種多樣；③電阻常用，靈活，種類多，位置不固定；④滑動變阻，難插類，相對固定，但是原件在面包板上難以安裝，引腳粗，距離長；⑤繼電器，難插類，共有6 條引腳，很難插在電路上，容易出現錯誤；⑥干簧管，易損類，很脆弱，稍不注意就容易損壞，成本高；⑦喇叭，難插類，沒有引腳，需要焊線，且容易損壞；⑧傳感器，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝；⑨電容，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝；⑩三極管，靈活類，種類多，電路需求不同，且相對容易安裝。

4 訪問調研分析

在調查中，25 位教師全部期望對現有電路實驗器具進行升級改進，100 位學生全部期望對現有電路實驗器具進行升級改進。

通過信度分析得出：實驗效果不明顯、電子元件易損壞、實驗過程中電子原件不易安裝、電路檢測困難、常用元件丟失?？煽啃越y計資料的Cronbach 的Alpha 系數實驗結果為0.978，通過了信度分析。

5 數據分析

通過單變量回歸分析得出：①教師與電子實驗的實驗效果存在顯著關系。分析得出授課教師對實驗效果非常重視。②教師與電子元件易損壞存在顯著關系。分析得出授課教師不希望電子元件頻繁損壞。③教師與電子元件不易安裝存在顯著關系。分析得出授課教師希望電子元件安裝更加便捷。④教師與電子元件難以檢查是否正常工作存在顯著關系。分析得出授課教師在實驗電路中希望可以快速檢測到元件是否正常工作。⑤教師與常用元件丟失不存在顯著關系。分析得出授課教師對常用零件丟失并沒有特別關注。⑥學生與電子實驗的實驗效果存在顯著關系。分析得出學生對實驗效果非常重視。⑦學生與電子元件易損壞存在顯著關系。分析得出學生不希望電子元件頻繁損壞。⑧學生與電子元件不易安裝存在顯著關系。分析得出學生希望電子元件安裝更加便捷。⑨學生與電子元件難以檢查是否正常工作不存在顯著關系。分析得出學生對電子元件是否正常工作并沒有過多關系。⑩學生與常用元件丟失存在顯著關系。分析得出學生非常在意常用零件丟失問題。

6 調研結論

通過網絡調查、訪問調研得出，現在存在的電子電路試驗器具存在需要改進的地方，并通過信度分析，回歸分析得出授課教師與學生需要的新型電子電路試驗臺需要優(yōu)化：①新型電子實驗臺要自帶電源，初步確定使用電池盒提供3 V 和6 V 的電壓，這是在電路中比較常見常使用電壓；②將容易損壞、丟失、難以安裝的元件固化在新型實驗臺上；③能夠直觀、簡單地檢測電路中遇到的問題，檢測指標為檢測元件的電壓情況；④使用要安全、穩(wěn)定、不影響操作，且大多數人易上手；⑤外觀精美，造價便宜，性價比高。

7 設計思路

依據調研結論，制訂新型電子實驗臺設計及驗收標準。同時，要求設計標準滿足設計功能原則和設計結構原則。

初步想法：基礎的電路實驗部分使用面包板實現（現有面包板型號尺寸豐富，可以根據整體設計進行調整），這是一個相對成熟和普遍大眾所熟悉的方法，在后期使用中普及難度低，易推廣；新型電子實驗臺應具有電源功能，可以直接為電路供電，同時可供選擇3 V/6 V 以滿足大多數電子實驗的需求，避免準備不同規(guī)格的電源帶來的不便；新型電子實驗臺應具有檢測功能，可以直接檢測電路中不同位置的電壓情況，以查找連接錯誤或零件損壞；新型電子實驗臺應具有功能區(qū)不易壞、易安裝的電子電路元件，根據設計思路，初步擬定新型電子實驗臺主體結構采用3D 打印技術實現。

8 設計

依據功能分析及設計思路，將新型電子實驗臺分為4 大區(qū)域（功能模塊），分別是：試驗區(qū)域、功能區(qū)域、電源區(qū)域和檢測區(qū)域。測量安裝的電子元件外觀尺寸并詳細記錄，整體結構下各區(qū)域間相對獨立且預留安裝孔，如圖1 所示。

8.1 確定試驗區(qū)域選用規(guī)格

設計思路：試驗區(qū)域電路實驗的部分采用無焊接電子試驗臺（面包板）實現功能。

圖1 示意圖

設計規(guī)格標準依據：①使用人群的使用習慣；②電路實驗孔位數量；③無焊接電子試驗臺外觀尺寸。

根據標準選用2 塊SYB-130 型號面包板，提供2 組“65*10 實驗孔位”“22*5 電源孔位”。

8.2 確定功能區(qū)域固化零件

零件選用思路：功能區(qū)域主要將容易損壞、丟失、難以安裝的元件固化在新型實驗臺上。

確定固化的零件：①滑動變阻。依據電路使用情況分析，功能區(qū)域固化“10 K 滑動變阻器”和“100 K 滑動變阻器”兩款滑動變阻器。應具有明顯區(qū)分，保持相對距離，保證滑動過程中不誤碰其他電子元件。②繼電器、干簧管、喇叭。三者均具有對磁的敏感性，同時其之間會存在相互干擾的問題，因此，在功能區(qū)域內三者相對位置遠離，以保證使用正常。③電源區(qū)域。為了保證新型電子實驗臺的可便攜性，方便使用，電源部分采用2 個3 V 電池盒作為供電部分，再通過內部電路連接，使電源輸出可以分為同時輸出2 組3 V 電源和2 組6 V 電源。④檢測區(qū)域。檢測區(qū)域安裝2 塊數顯電壓表（其精度可達0.01 V），同時兩塊數顯電壓表采用不同的數顯顏色便于區(qū)分測量數據。為了保證測量數據準確性，2 塊數顯電壓表獨立供電，不與電源區(qū)域共用電源。

9 制作

9.1 3D 打印

按照圖紙及建模，對試驗臺的整體架構進行打印。選擇黑色的底托，因黑色顯得沉穩(wěn)大氣，不浮夸，符合人們在做實驗時的心理特性。面板上，除了試驗區(qū)用面包板，其他的部分采用黃色的材料，有明朗活潑、恰如青少年的朝氣。

9.2 安裝電子元件

打印好材料后，將電子元件安裝在相應的位置，功能區(qū)的電子元件和電源區(qū)的電池盒以及檢測區(qū)的數顯電壓表，這些電子元件在安裝時也要特別注意，因為在其旁邊需要設置接線柱，能夠與電子元件的引腳相連，所以在連接時需要思路清晰，手眼配合。

9.3 焊接連線

將電子元件的引腳與接線柱連接，用焊接的方法連接，要注意焊接時接觸時間不可過長，否則容易燒毀電子元件；電源區(qū)的電池盒要特別注意，要區(qū)別3 V 和6 V 的電源，要分別采用串聯和并聯的方式進行。電壓表作為檢測工具，也要與接線柱焊接好，并設置電壓表的開關和電源內置。

9.4 安裝完成

焊接好電子元件后實驗各部分元件功能是否完整，功能確認無誤后安裝，并且把面包板裝好，新型電子實驗臺完成。

10 驗證及結果

對新型電子實驗臺進行功能驗證，最終滿足設計標準。