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新型电子试验台创新设计研究

摘要:通过研究新型电子试验台,以期改变现在单一使用面包板进行电路实验的现状。目前市面上进行电子实验的几乎都是普通的面包板,只是基础的板子,不具备其他功能,而新型电子试验台集合了试验区域、功能区域、电源区域和检测区域,具有了试验和检测及拓展的功能,在学生学习各类电路中非常实用。

关键词:电子实验;面包板;整体设计;电源

鉴于在电子电路学习与搭建过程中,电子电路元件实验存在效果不明显、易损坏、不易安装、难以检测是否正常工作等问题,需要一款可以规避上述问题的电子电路实验平台,从而进行该方向的研究调查与分析。

1调查与分析

通过访问调研法对电子电路实验相关问题进行调查,重点调查对象为小学生、初中生以及授课教师。调查发现存在以下几点问题:①电子电路实验在课堂上实验效果不明显;②电子元件在课堂实验上易损坏;③电子元件在课堂实验中不易安装;④电子元件在课堂实验中难以检查是否在正常工作;⑤常用电子原件丢失率高。通过网上调查发现,上述问题在网络中并没有明确的解决方案。同时发现,该问题处于空白阶段,所以对新型电子实验平台展开研究有重要意义。

2网络调研

2.1360/百度网站搜索。通过现在主流网站搜索引擎搜索“电子试验台”“电路实验”“试验台”等关键词,并没有发现相关产品以及实验用具,但通过网上搜索发现网上关于电子实验存在实验效果不明显、原件易损坏、电子元件不易安装等信息。2.2国家知识产权局。通过国家知识产权局官网发现,现在并没有相似或相关产品、相似或相关专利、相似或相关文献。2.3淘宝网。通过淘宝网进行“电子电路”“电子实验”“实验台”等关键词的搜索,没有发现相关或相似商品。2.4网络调研结论。通过在360、百度等主流搜索引擎、国家知识产权局官方网站、淘宝网等电商网站上进行搜索均得出:①在电子电路实验中以及教学中,存在实验效果不明显、原件易损坏、电子元件不易安装等问题;②目前并没有相关、相似产品或相关、相似文献。从而得出在电子电路实验中的确存在问题,但是没有相关应对措施,也没有相关研究人员对此进行研究。

3访问调研法调查

通过访问调研北京市25位科学教师以及100位学习科技的学生,累计访问125人,有效访问125人(25位教师、100位学生),访问有效率100%。通过实地调研再来看电子实验台中可能存在的问题。经过试验,经过实验总结电路中电子元件可能存在的问题为:①IC555常用,灵活,不需要固化;②LED常用,灵活,种类多,连接方式多种多样;③电阻常用,灵活,种类多,位置不固定;④滑动变阻,难插类,相对固定,但是原件在面包板上难以安装,引脚粗,距离长;⑤继电器,难插类,共有6条引脚,很难插在电路上,容易出现错误;⑥干簧管,易损类,很脆弱,稍不注意就容易损坏,成本高;⑦喇叭,难插类,没有引脚,需要焊线,且容易损坏;⑧传感器,灵活类,种类多,电路需求不同,且相对容易安装;⑨电容,灵活类,种类多,电路需求不同,且相对容易安装;⑩三极管,灵活类,种类多,电路需求不同,且相对容易安装。

4访问调研分析

在调查中,25位教师全部期望对现有电路实验器具进行升级改进,100位学生全部期望对现有电路实验器具进行升级改进。通过信度分析得出:实验效果不明显、电子元件易损坏、实验过程中电子原件不易安装、电路检测困难、常用元件丢失。可靠性统计资料的Cronbach的Alpha系数实验结果为0.978,通过了信度分析。

5数据分析

通过单变量回归分析得出:①教师与电子实验的实验效果存在显著关系。分析得出授课教师对实验效果非常重视。②教师与电子元件易损坏存在显著关系。分析得出授课教师不希望电子元件频繁损坏。③教师与电子元件不易安装存在显著关系。分析得出授课教师希望电子元件安装更加便捷。④教师与电子元件难以检查是否正常工作存在显著关系。分析得出授课教师在实验电路中希望可以快速检测到元件是否正常工作。⑤教师与常用元件丢失不存在显著关系。分析得出授课教师对常用零件丢失并没有特别关注。⑥学生与电子实验的实验效果存在显著关系。分析得出学生对实验效果非常重视。⑦学生与电子元件易损坏存在显著关系。分析得出学生不希望电子元件频繁损坏。⑧学生与电子元件不易安装存在显著关系。分析得出学生希望电子元件安装更加便捷。⑨学生与电子元件难以检查是否正常工作不存在显著关系。分析得出学生对电子元件是否正常工作并没有过多关系。⑩学生与常用元件丢失存在显著关系。分析得出学生非常在意常用零件丢失问题。

6调研结论

通过网络调查、访问调研得出,现在存在的电子电路试验器具存在需要改进的地方,并通过信度分析,回归分析得出授课教师与学生需要的新型电子电路试验台需要优化:①新型电子实验台要自带电源,初步确定使用电池盒提供3V和6V的电压,这是在电路中比较常见常使用电压;②将容易损坏、丢失、难以安装的元件固化在新型实验台上;③能够直观、简单地检测电路中遇到的问题,检测指标为检测元件的电压情况;④使用要安全、稳定、不影响操作,且大多数人易上手;⑤外观精美,造价便宜,性价比高。

7设计思路

依据调研结论,制订新型电子实验台设计及验收标准。同时,要求设计标准满足设计功能原则和设计结构原则。初步想法:基础的电路实验部分使用面包板实现(现有面包板型号尺寸丰富,可以根据整体设计进行调整),这是一个相对成熟和普遍大众所熟悉的方法,在后期使用中普及难度低,易推广;新型电子实验台应具有电源功能,可以直接为电路供电,同时可供选择3V/6V以满足大多数电子实验的需求,避免准备不同规格的电源带来的不便;新型电子实验台应具有检测功能,可以直接检测电路中不同位置的电压情况,以查找连接错误或零件损坏;新型电子实验台应具有功能区不易坏、易安装的电子电路元件,根据设计思路,初步拟定新型电子实验台主体结构采用3D打印技术实现。

8设计

依据功能分析及设计思路,将新型电子实验台分为4大区域(功能模块),分别是:试验区域、功能区域、电源区域和检测区域。测量安装的电子元件外观尺寸并详细记录,整体结构下各区域间相对独立且预留安装孔,如图1所示。8.1确定试验区域选用规格。设计思路:试验区域电路实验的部分采用无焊接电子试验台(面包板)实现功能。①电池盒、电源;②滑动变阻器(10K、50K);③干簧管;④电压表;⑤继电器;⑥小喇叭。设计规格标准依据:①使用人群的使用习惯;②电路实验孔位数量;③无焊接电子试验台外观尺寸。根据标准选用2块SYB-130型号面包板,提供2组“65*10实验孔位”“22*5电源孔位”。8.2确定功能区域固化零件。零件选用思路:功能区域主要将容易损坏、丢失、难以安装的元件固化在新型实验台上。确定固化的零件:①滑动变阻。依据电路使用情况分析,功能区域固化“10K滑动变阻器”和“100K滑动变阻器”两款滑动变阻器。应具有明显区分,保持相对距离,保证滑动过程中不误碰其他电子元件。②继电器、干簧管、喇叭。三者均具有对磁的敏感性,同时其之间会存在相互干扰的问题,因此,在功能区域内三者相对位置远离,以保证使用正常。③电源区域。为了保证新型电子实验台的可便携性,方便使用,电源部分采用2个3V电池盒作为供电部分,再通过内部电路连接,使电源输出可以分为同时输出2组3V电源和2组6V电源。④检测区域。检测区域安装2块数显电压表(其精度可达0.01V),同时两块数显电压表采用不同的数显颜色便于区分测量数据。为了保证测量数据准确性,2块数显电压表独立供电,不与电源区域共用电源。

9制作

9.13D打印。按照图纸及建模,对试验台的整体架构进行打印。选择黑色的底托,因黑色显得沉稳大气,不浮夸,符合人们在做实验时的心理特性。面板上,除了试验区用面包板,其他的部分采用黄色的材料,有明朗活泼、恰如青少年的朝气。9.2安装电子元件。打印好材料后,将电子元件安装在相应的位置,功能区的电子元件和电源区的电池盒以及检测区的数显电压表,这些电子元件在安装时也要特别注意,因为在其旁边需要设置接线柱,能够与电子元件的引脚相连,所以在连接时需要思路清晰,手眼配合。9.3焊接连线。将电子元件的引脚与接线柱连接,用焊接的方法连接,要注意焊接时接触时间不可过长,否则容易烧毁电子元件;电源区的电池盒要特别注意,要区别3V和6V的电源,要分别采用串联和并联的方式进行。电压表作为检测工具,也要与接线柱焊接好,并设置电压表的开关和电源内置。9.4安装完成。焊接好电子元件后实验各部分元件功能是否完整,功能确认无误后安装,并且把面包板装好,新型电子实验台完成。

10验证及结果

对新型电子实验台进行功能验证,最终满足设计标准。

作者:谢东桓 李安然 单位:雏鹰翊智(北京)教育科技有限公司

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