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标题

模块化串并联电路积木玩教具设计

范文

葛晓扬

摘要：通过直观的形象呈现串联和并联电路的基础知识原理，设计符合7-12岁儿童认知规律的电路课程教具。将组成电路的各基本要素进行模块化设计，形成各自独立且能够自由组装的教具套装，并可以直观地呈现电路中电流的输送方向。该教具套装可以组合设计出多种多样的串联、并联电路，展示多种电路基础知识。教具模块采用城市道路规划的主题样式，增加趣味性的同时还可以让儿童通过道路行驶方向来直观地类比认知电路中的电流方向。

关键词：模块化设计电路教具设计基础教育物理课

中图分类号：J524.1

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 05-0106-04

引言

信息时代和智能化的快速发展不断为教育领域提出新的时代命题，如今儿童生长在电子信息产品的全面普及和快速更新换代，以计算思维为代表的一系列新内容越来越成为基础教育中的重要部分[1]。与之相匹配的，教育领域也涌现出越来越多面向儿童的电子信息类课程[2]。在众多的STEM课程、儿童创客课程或儿童编程课程中，往往都会涉及到简单电路这一基础知识[3]。但是，与传统的儿童教育内容不同，电学知识的原理具有较强的抽象逻辑性，不太容易从感官体验直接获得对知识原理的认识。比如电路中的电流，实际流经路径和速度均无法直接感知。因此，如何设计符合儿童认知规律的教学方法和教具，帮助儿童在学习过程中有效地理解电路的原理和规律是教学的重点和难点。

从儿童认知水平角度看，很多计算思维和儿童编程课程面向小学阶段[4]，也就是7-12岁的儿童。此阶段处在皮亚杰提出的“具体运算阶段”，这一时期的儿童基本可以认知简单的因果关系等规律，但这种认知往往需要依托具体的事物才能建立[5][6]。因此，面向这一阶段的儿童电路课程设计应当重视具体事物或感官体验与知识原理之间的联系，灵活运用形象类比等方法，帮助儿童建立起对电路原理的理解。

从知识内容角度看，电流走向分析是基础电路知识中的重要内容。能够正确地识别电路中电流沿着导线通过的路径，是理解电路工作效果、识别串并联电路等电路基础知识的前提。在众多常见的儿童玩具类别中，城市道路规划主题的积木搭建玩具，从玩法和形象上都很适合类比电路中电流走向分析这一学习任务。将看不见的电流路径形象地呈现为有行驶方向的道路积木，不仅可以帮助儿童理解知识，还可以通过积木化的玩法提升学习兴趣[7][8]，进一步营造自我学习的氛围。

一、知识内容与设计思路分析

（一）电学知识内容梳理

电路是各种用电器使用電力发挥效用最常见形式，是学习或制作用电器的基础知识。在电路相关的知识内容中，串联和并联电路具体的呈现形式非常多样，是学生在电路知识学习过程中的重点和难点内容。

具体的，以人教版教材为例，串联与并联课程出现在小学四年级下册科学教材第三单元第三节，以及初中三年级教材第十五章第三节[9]。这部分内容的学习首先要求学生能够区分不同电路中，用电器的连接形式为串联或是并联。同时，在理解电流流通路径的前提下，判断电路中用电器的工作状态，以及经由电路连接形式是否会对其他用电器产生影响。总结来看，串并联电路是电路单元中的重点和难点课程，能够正确分析电路中电流的流通路径是掌握这部分学习内容的关键。

（二）模块设计对应关系

从教具设计思路角度分析，结合儿童认知规律和形象化的设计理念，需要将构成串并联电路的基本要素，也就是电源、开关、导线、用电器等对象进行主题化和模块化设计重构。在结构上实现可通过导线模块对其他模块进行自由组合的功能，并可以直观地指示其中电流的流经方向。

在主题设计上，将抽象的电路设计与制作过程类比为直观的城市道路规划游戏玩法，根据各个模块的功能对应设计其形象。具体的，导线可以类比为道路。电源和用电器构成了供应和使用的关系，因此电源可以类比设计为工厂的形象，而用电器可以设计成可亮灯的民宅或可转动的风车等形象。最后，一般教学实验中常见的闸刀式开关，可以结合道路主题设计成吊桥的样式。

（三）模块组合方式设计

组合与连接方式是积木模块类玩具设计的重要环节，直接关系到玩法的易上手性和组合自由度等产品关键特性[10]。基于上文对串并联电路教学特点的分析，道路积木块的设计最为关键，在组合方式上需要能够实现正向和反向拼接，并且能指示当前位置的电路连接是否正确。同时，为了实现丰富的串并联连接方式，除了直通的导线模块，还需要设计可以转弯和产生分支的导线模块。在形象上，该模块可以设计成十字路口的样式，既可以实现四个方向的电路连通，同时也兼顾了转向功能。在模块的连接结构设计方面，为了方便操作和调整，积木模块应当无需借助其他工具即可完成组合和拆分。

二、方案模块设计

结合上文分析，模块化串并联电路积木玩教具包含如下部件：实现供电功能的工厂模块、实现导线功能的道路模块、实现开关功能的吊桥模块、实现转向和分支功能的十字路口模块、以及实现各类用电器功能的住宅或风车等模块。它们依次对应图1中所示的a到f各积木模块，下面详细说明这些模块的设计方案。

（一）导线道路模块设计

导线道路积木是整个教具中最为基础的模块，需要具备如下三个功能：首先，负责整个电路的连接组织功能。其次，能够逐步指示当前位置的电流方向。最后，在电路形成回路后能够指示当前线路已完全接通。如图2所示，为了实现这些功能，道路模块需要设有L1、L2两条供电线路和一条接回电源负极的GND线路。其中，L1线路负责指示当前电路的正确方向。L1与GND线路中间设有灯珠，并对应道路模块上箭头形状的方向指示灯。每个道路模块在拼接到电源上后可以通过GND线路构成内部回路并点亮方向指示灯的灯珠。配合L1线路右侧的二极管，可以在模块反向连接时阻止灯珠通电，从而起到判断和指示电流方向是否正确的功能。L2线路是用电器专用线路，其中配有发光二极管元件，与通路指示灯对应。由于该线路不与GND线路连接，所以只有当道路模块连接顺序正确，且与电源模块完全形成回路后才会被点亮，以此指示当前电路是否完全接通并为线路上的用电器供电。

道路模块的连接结构应当支持正向和反向两种拼接方式，模块的电路接头和固定方式需要具有旋转对称性，且便于拆装。因此模块两端电路接头的三条线路采用上下依次排列的方案，保证在平面上旋转后也可以正确对应连接。同时，模块端头设置两个用于强化连接的磁铁点，左右分别对应S极和N极。这样既可以保证在平面旋转下的一致性，又可以在上下翻转后用同极相斥阻止错误的线路拼接。

（二）电源工厂模块设计

以工厂为形象的电源模块负责为整个教具稳定供电，同时还需要识别短路等特殊情况并做出警示。如图3所示，该模块的核心部件由主控芯片和电池组成。由于整个教具支持自定义组装，最终电路上可以连接的单元数量差异较大，因此主控芯片需要内置恒压恒流模块，以保证电源的稳定输出。同时，主控芯片还设有RGB LED和蜂鸣器元件，当电路正常工作时，RGB LED为淡绿色灯光，当电路形成回路但未加载任何用电器时，主控芯片会停止对外供电并控制状态指示灯为红色闪烁状态，配合蜂鸣器发出电路短路的警报，提醒修改电路。

在拼装组合方式上，电源模块两端的磁铁固定端头与导线道路模块的结构和操作方式相同，但电路接头设置与其他模块略有区别。由于电源模块负极一侧最终只需要将L2线路接回电源GND端，因此负极一侧只设有下方一个电路连接点，正极方向触点设置与其他模块相同。

（三）开关吊桥模块

以吊桥为造型的开关模块主要负责直接控制电路的通断。同时，与道路模块一样，也通过方向指示灯内置的灯珠指示当前电路连接的方向是否正确，并且在电路连通成回路时点亮通路指示灯。如图4所示，吊桥开关模块的电路原理与道路模块基本相同，只是在吊桥对岸位置设有L2线路触点，并在吊桥前端底面设有触片和固定用的小磁铁。当吊桥落下时，吊桥前端底部的触片会将模块内的L2线路接通，从而实现对回路中用电器所在的L2线路的通断控制。

组装方式上，开关模块两端的磁铁点位和电路接头与道路模块一致，并且在线路内设有二极管，当模块反方向组装时阻断电路。

（四）分支十字路口模块

电路分支十字路口模块的主要功能是在4个方向上连通电路，使得模块内的L1、L2、GND线路可以在转弯或分支状态下保持连接。由于电流有正负极流通方向的区别，因此使用十字路口的方式是最简便的设计方法，否则需要分别设计左转弯、右转弯模块以及多种通行方向的T形路口模块，无论在产品成本还是实际操作上都会产生很多不便。

如图5所示，十字路口模块的功能原理与道路模块基本一致，但是考虑到多方向的组合关系，模块内并未设有限制电流方向的二极管元件。同时，由于实际电流方向并不确定，因此方向指示灯的造型从箭头改为圆形。同时为了符合十字路口的主题，通路指示灯的造型调整为4组人行横道，并且可以根据实际的电流流经通路分别点亮。其他方面包括模块四个方向的电路接头和磁铁端点均与道路模块一致。

（五）用电器模块

用电器模块是展示电能和电路效果的最终表现形式，根据灯珠、马达等不同用电器元件的不同功能，结合城市道路规划主题可以对应设计出多种多样的表现形式。这里以内置直流减速电机的风车积木模块和内置灯珠的住宅积木模块为例进行分析。

如图6所示，首先，与其他模块不同，用电器模块无需区分和指示电流方向，因此不需要在线路中串联二极管元件。其次，模块的功能应当在电路整体形成完整回路并闭合开关后才开始执行工作，故模块内置的直流减速马达或灯珠应当串联在L2电路上。最后，L1和GND两条线路为直通模式，给前后的模块连接提供通路。其他方面，如模块前后的电路接头和磁铁固定端点，均与道路模块的标准形式一致。

经过一系列的组合拼装，当风车用电器模块所在的L2电路形成回路后，其内置的直流减速马达会带动风车旋转。同样，住宅模块内置的灯珠在相同的情况下也会点亮表示正常工作。基于这种模式，还可以设计引入更多的用电器模块，为教具带来更丰富的课程内容和体验效果。

三、模块化组装案例及应用分析

基于上述模块各自不同的功能和自由组合方式，模块化串并联电路积木玩教具可以搭建出多种多样的电路连接形式，并且可以在操作过程中实时呈现电路连接是否正确。图7展示了使用这些模块所能搭建出的几种常见电路形式：

图7一（a）是最简单的电路回路，由一个电源模块、一个开关模块、一个用住宅电器模块、若干道路模块和十字路口模块组成。当按照正确顺序将这些模块串联起来后，闭合开关即可点亮用住宅电器，显示电路组合成功。

图7一（b）是一个简单的串联电路，在图7一（a）的基础上，将一个风车用电器模块串聯进电路中。同样，闭合开关后两个用电器模块可以同时被启动。

图7一（c）是一个简单的并联电路，在图7一（a）的外围增设若干道路和十字路口模块形成新的分支线路。并在新的路线中安装风车用电器模块，同时为两个用电器单独配置了开关模块。这样便能通过电路中三个位置的开关模块分别对电路的总体和各个部分进行控制，从而直观地表现并联电路的工作特点。

积木模块不仅可以实现简单电路的拼接，还能组合出更多更丰富的电路形式。图7一（d）是一个同时包含串联和并联形式的电路案例。以图7一（c）为基础，在主干线路上增设一个用电器，从而形成复合电路，原有的用电器之间为并联形式，新增的用电器又与它们一起组成串联形式。儿童还可自由组合出更多不同的组合，在实际操作中感受和学习丰富多彩的电路知识。

除了_上述列举的电路形式，教具还可以识别并提示各种电路组装的错误。图8列举了几种常见的电路问题及对应的表现效果：

图8一（a）是未完成回路连接的组合状态，此时沿着电源输出方向，开关和道路模块可以指示当前线路电流方向是否正确，但由于整体线路未构成回路，因此用电器模块不会工作，并且道路模块上的通路指示灯也不会点亮。此时儿童需要继续拼接模块，将电路形成完整回路。

图8一（b）是电路方向拼接错误的情况，由于用电器模块后续的道路模块拼接方向错误，使得后续线路上的方向指示灯无法继续通电点亮，但并不影响之前方向正确的线路。这样可以明确地提示线路中出现错误的位置。另外，由于L2线路内置二极管因此在这种情况下整个电路的通路指示灯和用电器均会停止工作。此时儿童需要跟随方向指示灯已点亮的正确线路，找到出现错误拼接的位置，调整道路模块方向完成电路的修正。

图8一（c）是一个未加载任何用电器的短路案例，在这种状态下，电源内置的主控芯片会识别电路负载的异常状态，并停止L1和L2的电源输出，同时调整状态指示灯的颜色并发出蜂鸣警报，提示当前电路出现错误需要修改。

丰富的电路组合形式还为教具的使用方式带来了多种可能。主题化的造型和积木化的操作方式可以让该教具成为儿童的玩具，在游玩过程中通过游戏规则传达电路知识原理。无论是在课堂还是在家中，均可实现在玩中学的体验式授课。如图9所示，针对不同的课程内容，可以搭配不同的课程任务说明和地图底板。每张地图底板印有与积木模块对应的电路连接说明，根据地图上每个格子的图标，教师或儿童自己将对应的模块放置连好即可完成一部分该课程或关卡的电路布局。剩下空缺的格子，需要儿童阅读地图上的任务要求并根据电路知识，选择正确的模块和安装方向来完成组装，实现诸如“对某条线路的单独控制”或“同时点亮多个建筑”等任务要求。

这种搭配任务地图的形式类似拼图解谜游戏的玩法，可以通过持续发布对应新课程的任务地图和带有新功能的积木模块，让一套教具模块对应实现非常多的学习和游玩内容。从而改变传统课堂教具的使用逻辑，拓展教具产品的生命周期。同时，该教具还可以支持更多的儿童一起参与，无论是共同合作设计一套完整的电路，还是想办法将各自组合的电路融合连接到一起，都将带来更丰富更有趣的合作体验。

结论分析

当前模块化电路玩教具方案已经可以实现非常多的电路组合形式。在未来的设计深化和方案迭代中，应该引入如“立交桥模块”的单元，从而实现更为立体和丰富的电路搭建方式。同时，教具方案还需要扩展对接更多的电学知识原理，以串并联电路为基础.扩展讲解功率、电压、电阻等内容，建构完整的课程体系。

模块化串并联电路积木是一套易于操作且能够直观呈现基础电路知识原理的玩教具系统，可以适应家庭或学校等多种教学使用场景。整个系统以二极管为主要的电流方向约束单元，在无需运行复杂的程序的条件下，可以控制和呈现电路中电流的流经方向，从而对应串并联电路课程的核心教学内容。在造型和操作设计方面，以城市道路建设为主题，通过实物操作的方式，更容易让儿童在游玩过程中建立感受，理解本来较难感知的电路知识原理。最后，模块化的核心设计思路不仅提供了丰富的组合自由度，还为未来内容的可扩展性提供了很大的发展空间。.

基金项目：中央高校自主科研基金学位点建设支持计划项目“活动式教学形式下小学生自主学习教具的系统设计研究”（ 0109-T0000102）。

参考文献

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[2]贾艳红，韩宇翃，开源硬件在儿童创客教育产品中的应用研究[J]设计，2017 （21）：112-113

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[6]吴剑锋，上官培军，基于认知特征的儿童益智玩具设计研究[J]设计， 2018 （09）：9-11

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[9]中华人民共和国教育部，义务教育物理课程标准（2011年版）[M]北京：北京师范大学出版社，2011

[10]王增，韦紫高，郭鑫，张铭，互動式儿童玩具设计研究[J]包装工程，2015 （04）：76-79+104

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