一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置

摘要

本实用新型提供一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置，应用于教学用具技术领域，包括用于组合安装电子元件的坐标实验板，所述坐标实验板与PC端连接，所述坐标实验板上安装有计量模块、主控模块和温度序列矩阵模块，所述温度序列矩阵模块分别与计量模块和主控模块耦合。该教学辅助装置能够快速便捷地连接电子元件以验证电学理论，此外，依靠软件与硬件结合的方式进行曲面方程计算，有利于学生理解理论知识，提高学习兴趣。

说明书

技术领域

本实用新型属于教学用具技术领域，具体涉及一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置。

背景技术

教学用具是使学生能直观、形象地理解教学内容所使用的各类器具及教师授课时使用的用具。

电学是物理学的分支学科之一，主要研究“电”的形成及其应用；数学是研究数量、结构、变化、空间以及信息等概念的一门学科。由于数学和电学领域的知识比较复杂，需要借助教学辅助装置帮助学生理解运用，然而目前，我国各高校的相关专业中，只有少数高校能够配置主要用于教学的中高端仪器，大部分高校由于经费限制，所配置的这些仪器主要保证科研需求。

因此，亟需设计一种教学辅助装置，实现对电学理论的验证，比如欧姆定律、基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律等；同时也能学习高斯法求解曲面方程以及曲面拟合的视觉呈现，达到趣味教学的目的，帮助学生更好的理解理论知识。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在上述问题，本实用新型的目的是提供一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置，能够通过组合安装电子元件的方式进行电学理论的验证学习，依靠软件与硬件的结合呈现数学曲面，实现趣味教学的目的。

一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置，包括用于组合安装电子元件的坐标实验板，所述坐标实验板与PC端连接，所述坐标实验板上安装有计量模块、主控模块和温度序列矩阵模块，所述温度序列矩阵模块分别与计量模块和主控模块耦合。

为了实现将测量的数据传输入PC端进行电学理论和数学方法的验证学习，所述计量模块与主控模块分别与PC端连接，所述主控模块通过Zigbee与PC端进行信号交互。

为了便于电子元件的组合安装与接通，所述坐标实验板上设置有至少一个接地线、电源线，所述接地线与电源线形成矩形栅格。

为了便于对温度序列矩阵模块上的位置进行定位，所述接地线与电源线的交点处安装有供短接帽或温度传感器卡接的排母。

为了便于电子元件的快速连接，相邻的两个排母之间设有供电子元件卡接的插入槽。

所述坐标实验板上设有绝缘边。

本实用新型的有益效果是：该栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置，通过直插的方式能够任意组合各电子元件，快速连接不同的电路，区别于采用导线连接的方式，该坐标实验板没有复杂的接线，能够快速验证电路连接是否正确，且通过计量模块进行物理量的测量，相较于手动测量的结果更加准确。

此外，通过各接地线和电源线形成格栅结构，并在接地线与电源线的交点处安装排母，有利于确定温度传感器的位置；通过主控模块向PC端输入坐标点与温度值结合的数据，能够拟合曲面方程，依靠软件与硬件结合的方式呈现曲面并进行高斯法求解，能够便于学生理解且提高其学习兴趣。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的坐标实验板的结构示意图。

图中标记为：1、接地线；2、主控模块；3、绝缘边；4、电源线；5、计量模块。

具体实施方式

实施例一

如图1至图2所示，一种栅格结构的电学与数学理论教学辅助装置，包括用于组合安装电子元件的坐标实验板，所述坐标实验板上设置有至少一个接地线1、电源线4，坐标实验板为PCB板，其中电源线4在PCB板的顶层布线，且为水平方向，可通过拨码开关控制电源线4的通断，接地线1在PCB板的底层布线，且为垂直方向，所述接地线1与电源线4形成矩形栅格。

接地线1与电源线4的交点处安装有供短接帽卡接的排母，排母的引脚与接地线1、电源线4连接，排母的位置可用坐标点(X

依靠直插式的结构便于电子元件的快速安装和随意组合，通过短接帽将各支路导通，避免采用导线连接而使接线杂乱，有利于快速核对电路连接是否正确。

如图1所示，坐标实验板与PC端连接，所述坐标实验板上安装有计量模块5、主控模块2和温度序列矩阵模块，所述温度序列矩阵模块分别与计量模块5和主控模块2耦合，所述计量模块5与主控模块2分别与PC端连接，所述主控模块2通过Zigbee与PC端进行信号交互。

通过计量模块5对电压、电流等物理量进行测量，并通过串口发送至PC端，依靠PC端对欧姆定律和基尔霍夫定律等电学理论进行验证。

电学部分：

(1)验证欧姆定律：

将电阻卡接于两个排母之间的插入槽中，再将短接帽卡接于对应的排母中，并通过拨码开关控制相应的电源线4导通从而使该支路导通，依靠计量模块5对该支路的电流I、电阻R及两个排母之间的电压U进行测量，从而验证欧姆定律。其中，可更换不同的电阻和坐标实验板的位置进行多次验证。

(2)验证基尔霍夫定律：

根据需求接通电路，并在闭合回路中选取不同的支路进行测量验证。

实施例二

本实施例的结构与实施例一中基本相同，其不同之处在于：本实施例所述接地线1与电源线4的交点处安装有供温度传感器(温度传感器的型号可为18B20)卡接的排母，排母的位置可用坐标点(X

根据热力学第二定律“热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体”的原理，该区域在不接受外来热量的情况下，温度趋于平整，当使用热风枪等热源对温度序列矩阵进行加热时，温度曲面会发生变化。

主控模块2将(X

数学部分：

求解方程时，方程系数的个数与坐标个数的关系如下：

m次曲面表示

当m＝2时，N＝9，即计算二次曲面方程需要采集9个坐标点的数值以计算6个系数。

可利用最小二乘法对数据进行拟合，求作m次(m＝N)多项式

以求二次曲面方程为例：

设拟合出来的曲面方程为Z＝C

则总误差

得

所以

同理得出其他5条包含C20，C11，C02，C10，C01，C00的方程：

计算出x，x

最后，联立方程组利用高斯消元法求出曲面方程系数。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。