Я представляю инновационный проект «Радиоэлектроника – это просто», который направлен на решение задач технического образования детей школьного возраста основам электротехники, электроники, автоматики и вычислительной техники. Чтобы это было действительно просто, я предлагаю универсальный образовательный конструктор «Электронные кубики». В перспективе этот вариант образовательного конструктора имеет потенциал, чтобы постепенно вытеснить с рынка другие направления монтажных наборов, предназначенных для учебных целей (см. конкурентные преимущества в конце этой статьи).
Идея проекта родилась более 30 лет назад. В то время я работал в сфере детского технического творчества в дополнительном образовании в качестве руководителя кружка радиоконструирования. При этом я ощущал острую потребность в специальном учебно-лабораторном оборудовании для беспаечного монтажа и исследования электрических схем. Те монтажные наборы и электронные конструкторы, которые мы приобретали в торговой сети, имели много недостатков и не решали задач обеспечения эффективности учебного процесса. Поэтому на учебных занятиях мы решили создать свой монтажный набор, который был бы свободен от недостатков существующих конструкций и при этом обеспечивал максимальный учебный результат. То есть наш проект – это ответ на дефицит специального учебно-лабораторного оборудования, необходимого для обучения школьников основам электроники.
В процессе работы над проектом были поставлены и успешно решены все технические задачи, в результате чего мы создали конкурентный инновационный продукт. В изготовлении опытных образцов образовательного конструктора «Электронные кубики» принимали участие дети – члены технического кружка радиоконструирования. При этом они получали практический опыт и развивали трудовые навыки в области радиолюбительских технологий и печатного монтажа.
Затем в течение более 20 лет я не занимался проектом, так как уже не работал в этот период в дополнительном образовании. За это время на рынке появились универсальные беспаечные макетные платы китайского производства и электронные конструкторы «ЗНАТОК». Я приобретал эти монтажные наборы и тестировал их. По результатам тестирования я убедился в том, что мой конструктор «Электронные кубики» превосходит по своим параметрам и функциональным возможностям все существующие монтажные наборы, в том числе и те, которые комплектуются универсальными беспаечными китайскими платами. Кроме этого я наблюдал за тем, как детское техническое творчество за этот период было практически уничтожено. Системы школьного и дополнительного образования превратились в сферы услуг. Была навязана концепция – нам творцы не нужны, требуются квалифицированные потребители. На этой основе было закрыто большое количество технических кружков, которые готовили и воспитывали будущих инженеров. Поэтому я решил вернуться к идее проекта после длительного перерыва и продолжить работу по теме «Радиоэлектроника – это просто». И сделал первый шаг в этом направлении - оформил заявку на изобретение и в конце 2021 года получил патент.
Данный монтажный набор, защищенный патентом № 2758947, отличается тем, что благодаря инновационному расположению гнезд на макетной плате и использованию специальных переходников («электронных кубиков») обеспечивается возможность беспаечного монтажа электронных устройств непосредственно по принципиальным схемам без использования монтажных документов, что обеспечивает максимальную наглядность и эффективное достижение учебных целей при небольших затратах времени.
Конструктор "Электронные кубики" может применяться для обучения основам схемотехники через исследование электронных устройств. Это универсальное учебно-лабораторное оборудование прежде всего для образовательных учреждений. При этом можно подготовить линейку образовательных конструкторов для розничной продаж, ориентированных на разные возрастные категории (начиная с 6 лет) на основе всего двух вариантов конструкций универсальных монтажных плат, комплектуя учебные наборы электронными кубиками разной степени интеграции (от дискретных элементов до чипов). Это так удобно - приобрести беспаечную плату один раз, а потом постепенно покупать дополнительные электронные кубики для расширения функциональных возможностей образовательного конструктора.
Инновационные технические решения, заложенные в проект, дают возможность сформировать универсальную модульную основу для серийного производства унифицированного учебно-лабораторного оборудования, которое обеспечивает возможность организации учебного процесса для разных возрастных групп (от начальной школы до высших учебных заведений).
На следующем слайде представлено четыре базовых способа электрических соединений, которые традиционно используются в образовательных электронных конструкторах, выпускаемых разными производителями, представленных в торговой сети и интернет-магазинах.
------1 способ------------2 способ-----------3 способ-----------4 способ-----
1 способ. Размещение электронных компонентов в переходниках – электронных кубиках, на боковых гранях которых установлены электрические контакты. Электрическое соединение производится путем соприкосновения кубиков друг с другом через эти контакты. Если на боковых гранях дополнительно предусмотрены механические крепления, то макетирование и исследование электрических схем возможно без монтажной платы и соединительных проводов, только за счет электрических контактов между электронными кубиками. Возможен вариант установки электрических элементов в контейнере, который входит, например, в комплект модульного радиоконструктора "Электронные кубики" (МРК-2). Аналог МРК-2 - конструктор "ЭКОН 01", который отличается от МРК-2 тем, что в конструкции контейнера предусмотрена возможность фиксации каждого электрического элемента, поэтому нет необходимости для каждой электрической схемы полностью заполнять контейнер кубиками.
Недостатки таких монтажных наборов:
· Невозможность изготовления «электронных кубиков» в домашних условиях или на учебных занятиях в технических кружках
· Ограниченность функциональных возможностей. Примитивный набор электронных компонентов
· Сборка электрических схем только по монтажным документам
· Невозможность подключения измерительных приборов для исследования электронных устройств
В настоящее время этот способ электрических соединений электронных компонентов не встречается. Таких монтажных наборов нет в продаже.
2 способ. Проводной беспаечный монтаж. На слайде представлено несколько примеров таких образовательных конструкторов («Юный электроник», «Лаборатория ЮЭ», «Power elektronic lab»). Эти монтажные наборы отличаются тем, что электронные компоненты жестко закреплены внутри корпуса. Верхняя поверхность корпуса устройства представляет собой монтажное поле с условными изображениями всех элементов схемы и контактами, электрически соединенными с выводами электронных компонентов. Конструкция контактов обеспечивает возможность соединения контактов друг с другом при помощи соединительных проводов без использования пайки.
Недостатки:
· Ограниченность функциональных возможностей. Жесткий набор встроенных электронных компонентов. Узкая специализация
· Сборка электрических схем только по монтажным документам
· Подключение измерительных приборов для исследования электронных устройств не предусмотрено
Такие конструкторы также сняты с производства и больше не используются.
3 способ. Можно выделить образовательные конструкторы серии «ЗНАТОК» в отдельный способ электрического соединения электронных компонентов. Все электронные компоненты помещены в пластмассовые переходники - электронные модули, снабженные электрическими контактами, обеспечивающих надежное электрическое соединение. Сборка электрических схем производится на специальном основании из диэлектрического материала, в котором предусмотрена возможность механического крепления всех элементов схемы. Конструкторы "ЗНАТОК" представлены различными комплектами, обеспечивающими возможность сборки от 15 до 999 электронных схем. Эти электронные конструкторы в первую очередь предназначены для дошкольников (5+) и детей младшего школьного возраста.
Недостатки конструктора «ЗНАТОК»
· Функциональность монтажных наборов ограничена и определяется набором электрических элементов («электронных кубиков») в составе конструктора.
· Конструктор «ЗНАТОК» не предназначен для системного изучения цифровых и логических электрических схем, построенных на основе использования микросхем, хотя элементы такого обучения представлены в учебных пособиях в составе конструктора.
· Изготовление дополнительных электрических модулей возможно только в условиях производства
· Разные комплекты «Знаток» частично дублируют друг друга. Чтобы расширить функциональные возможности, необходимо постоянно приобретать новый конструктор.
· Подключение измерительных приборов для исследования схем не предусмотрено, хотя этот вопрос можно решить.
Нет возможности использовать дополнительные электронные компоненты для исследования электрических схем.
В настоящее время «Знаток» - это самый популярный образовательный конструктор, предназначенный для учебных целей
4 способ. Очень много современных образовательных конструкторов, предназначенных для детей школьного возраста (кроме конструктора «ЗНАТОК») укомплектованы беспаечными макетными платами китайского производства (примеры конструкторов «Эвольвектор», «Микроник», «Азбука электронщика», «Электроника», «СМАРТ», «Электроник», "Практическая электроника» и др.). В комплекты таких монтажных наборов входят учебные пособия с монтажными схемами, наборы электронных компонентов (резисторы, конденсаторы, диоды, светодиоды, выключатели, клеммы, кнопки, потенциометры, фоторезисторы, транзисторы, микросхемы, элементы питания и батарейные отсеки, перемычки и наборы соединительных проводов, зуммеры и пр.). и соединительные провода.
Беспаечные макетные платы китайского производства (170, 400, 830 точек) захватили рынок монтажных плат и пользуются спросом у радиолюбителей и электронщиков. При этом большинство современных образовательных конструкторов комплектуется именно такими платами. Пользоваться макетной платой достаточно просто. При создании схемы в отверстия на пластиковом корпусе вставляются необходимые элементы - конденсаторы, резисторы, индикаторы, транзисторы, микросхемы и пр. Гнезда макетной платы позволяют подключать проводники и выводы электронных компонентов с сечением от 0,4 до 0,7 мм. Гнезда на плате расположены с шагом 2,54 мм (0,1 дюйма). Именно такой шаг имеют выводы импортных микросхем. Микросхемы отечественного производства имеют шаг выводов микросхем 2,5 мм. Если корпус микросхемы не очень длинный, то такое несоответствие практически не заметно.
Основной недостаток этих монтажных наборов заключается в том, что универсальная макетная плата китайского производства предназначена в первую очередь для подготовленных электронщиков, так как в процессе сборки электрических схем необходимо уметь пользоваться справочными данными об электронных компонентах (цветная кодировка резисторов, расположение выводов транзисторов и микросхем и пр.).
Кроме того такая конструкция беспаечной макетной платы не дает возможности монтажа и исследования электрических схем непосредственно по принципиальной схеме, а требует предварительного оформления монтажных документов. При этом увеличивается количество ошибок ввиду отсутствия наглядности и визуального соответствия с принципиальной схемой. Электрические соединения выводов электронных компонентов с гнездами макетной платы ненадежны, так как диаметр выводов электронных компонентов различный. По этой причине электрические схемы могут не работать и такие плохие контакты трудно диагностировать. Поэтому для образовательных целей подобные электронные конструкторы не пригодны и при этом имеют ограниченные возможности, которые полностью определяются содержанием обучающих пособий, которыми комплектуются монтажные наборы. Это главная проблема для детей школьного возраста.
Для решения проблемы я предлагаю образовательный конструктор «Электронные кубики» в составе авторского проекта «Радиоэлектроника – это просто».
Данный монтажный набор включает в себя различные варианты универсальных беспаечных макетных плат с инновационным расположением гнезд. Гнезда расположены на плате определенным образом, обеспечивающим возможность макетирования и исследования любых электронных устройств без использования монтажных документов непосредственно по принципиальной схеме. Монтажная плата и электронные кубики защищены патентом.
Все электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы, коммутационные элементы) встроены в унифицированные модули – переходники - электронные кубики.
Эти модули в нижней части имеют электрические контакты (штекеры), совместимые с гнездами монтажных плат.
На верхней поверхности электронных кубиков представлена вся необходимая графическая и справочная информация о параметрах и расположении выводов электронных компонентов. Условные графические изображения электронных компонентов выполнены по правилам оформления принципиальных схем. Монтажные платы и электронные кубики имеют простую технологичную конструкцию и могут быть изготовлены даже в технических кружках дополнительного образования с участием школьников и даже в домашних условиях.
В образовательном конструкторе «Электронные кубики» предусмотрено использование трех типов универсальных беспаечных монтажных плат и двух вариантов конструкций электронных кубиков:
1. Специализированная плата для электрического монтажа и исследования аналоговых схем с электронными компонентами низкой степени интеграции, имеющих от 2 до 4 электрических выводов. Для макетирования таких схем соединительные провода не требуются, хотя их можно дополнительно использовать вместо кубиков-перемычек.
2. Специализированная плата для электрического монтажа и исследования логических схем с использованием микросхем различной степени интеграции (от элементарных логических элементов до цифровых устройств). Монтаж и исследование логических схем производится также по принципиальным схемам, но с помощью соединительных проводов, которые оканчиваются штеккерами, совместимыми с гнездами монтажной платы и гнездами, расположенными на поверхности электронных модулей.
3. Универсальная монтажная плата, предназначенная для электрического монтажа аналоговых и цифровых схем. Она совместима со всеми вариантами конструкций электронных кубиков и цифровых модулей различной степени интеграции. Универсальная монтажная плата объединяет в себе функциональные возможности всех специализированных монтажных плат в составе конструктора «Электронные кубики».
----------------------------------------------------------------------------------
Для электрического монтажа и исследования аналоговых электронных схем на основе использования электронных компонентов низкой степени интеграции, имеющих 2 – 4 электрических выводов разработан самый простой вариант универсальной монтажной платы (см. патент). К таким электронным компонентам относятся кубики-перемычки, индикаторы (лампочки и светодиоды), кнопки и выключатели, резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы,
Для электрического монтажа и исследования логических схем на основе использования микросхем различного уровня интеграции (от логических элементов до цифровых устройств) разработаны варианты специальных монтажных плат и конструкции электронных модулей. Монтаж схем производится по электрической принципиальной схеме с помощью соединительных проводов, которые оканчиваются штеккерами, совместимыми с гнездами монтажной платы и гнездами, расположенными на поверхности электронных модулей. На следующем слайде представлен самый простой вариант монтажной платы, предназначенной для исследования цифровых и логических схем.
Далее представлены несколько вариантов беспаечной макетной платы для исследования логических схем, схем автоматики и вычислительных устройств, отличающихся друг от друга только размерами и количеством ячеек для установки логических и цифровых модулей
Кроме двух типов специализированных монтажных плат в образовательном конструкторе «Электронные кубики» предусмотрена универсальная макетная плата, которая совмещает в себе возможности специальных плат. Универсальная плата, предназначена для электрического монтажа любых аналоговых и цифровых схем. Она совместима со всеми вариантами конструкций электронных кубиков и цифровых модулей различной степени интеграции.
КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА конструктора «Электронные кубики» по сравнению с аналогичными товарами
Конкурентные преимущества были выявлены по результатам опытной эксплуатации образовательного конструктора на учебных занятиях технического кружка. Инновационный проект «Радиоэлектроника – это очень просто» не только теория, а практика, которая показала, что все функциональные возможности существующих монтажных наборов уже представлены и обеспечены в конструкторе «Электронные кубики» и при этом реализованы дополнительные функции, которых нет у конкурентов.
1. Возможность исследования аналоговых и цифровых электронных схем непосредственно по принципиальной схеме без использования монтажных документов
2. Возможность подключения измерительных приборов в любые контрольные точки и участки электрической цепи для исследования электронных схем
3. Модульность конструкции и универсальность монтажных плат в составе образовательного конструктора
4. Возможность комплектации большого количества вариантов образовательных конструкторов для разных учебных целей.
5. Возможность неограниченного расширения функций и потребительских свойств конструктора за счет проектирования и изготовления новых «электронных кубиков»
6. Уникальная возможность монтажных плат использовать для исследования электрических схем кроме электронных кубиков радиокомпоненты, не встроенные в электрические модули. Такого совмещения функций нет в других вариантах электронных конструкторов, в том числе у раскрученного бренда "ЗНАТОК".
7. Технологичность производства макетных плат и электронных кубиков на основе печатного монтажа. Возможность изготовления образовательного конструктора в домашних условиях и технических кружках в сфере дополнительного образования
8. Возможность унификации и стандартизации учебно-лабораторного оборудования для исследования аналоговых и цифровых схем для организации учебного процесса для разных возрастных групп и учебных заведений.
9. Системный подход к организации учебного процесса на основе использования образовательного конструктора «Электронные кубики».
10. Возможность непрерывного расширения целевой аудитории и раннего привлечения детей к техническому творчеству, начиная с начальной школы.
Новый вариант конструкции монтажного набора «Электронные кубики»
Появились новые мысли, идеи - хочется их реализовать.
Пока для продолжения работы нет финансовых ресурсов, поэтому проект пришлось отложить.
Это два возможных варианта образовательного конструктора в базовой комплектации для организации рабочего места в образовательных учреждениях или для розничной продажи.
1. Монтажный беспаечный набор для исследования аналоговых электронных устройств из компонентов низкой степени интеграции (не более 4 электрических выводов - кнопки, реле, индикаторы, резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и пр.).
2. Монтажный беспаечный набор для исследования логических схем и элементов вычислительной техники (логические элементы "И", "ИЛИ", "НЕ", триггеры, дешифраторы, счетчики, регистры и пр.).
Вариантов компоновки монтажных наборов на базе универсальных плат и электронных кубиков может быть очень много. Ниже представляю несколько примеров конструкций монтажных плат и электронных кубиков..