摘要：3D打印模型庫結合了機械、電氣、控制等多方面的專(zhuān)業(yè)知識，整體為一個(gè)體積小、便于攜帶的手提箱。為滿(mǎn)足教學(xué)需要，在箱體中設置可以搭建多種機械結構的演示單元，拼接形式變換多樣。將課堂的理論與實(shí)踐相結合，提高學(xué)生的課堂參與度，使學(xué)生能高效率、全方位地學(xué)習各種機械結構，運用虛實(shí)對應的演示方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，增強學(xué)生對機械原理等相關(guān)知識的理解和掌握,學(xué)以致用打破“紙上談兵”的學(xué)習模式，進(jìn)入實(shí)戰演練。應用新的教學(xué)手段，實(shí)物模擬工作情景，使學(xué)生在今后的工作中能夠快速進(jìn)入狀態(tài)。

關(guān)鍵字:3D打印技術(shù)；機械結構；模型庫；實(shí)踐；創(chuàng )新

3D打印技術(shù)逐漸普及，越來(lái)越多地應用于航天、醫療、工業(yè)設計及教育服務(wù)等領(lǐng)域。將3D打印技術(shù)融入教學(xué)探索過(guò)程，出現了應用于教學(xué)的3D打印機械模型庫。在機械專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中使用3D打印技術(shù)加工出微型的各種機構零件、構件，學(xué)生再對各種機械結構進(jìn)行現場(chǎng)組裝和分析運動(dòng)原理，這種將理論與實(shí)踐及時(shí)結合起來(lái)的方式，對教育教學(xué)工作有很好的促進(jìn)作用，對培養大學(xué)生的創(chuàng )新能力、提升學(xué)生的綜合能力具有重要意義。

1機械教學(xué)現狀分析

機器在生產(chǎn)中可以減輕或代替人力勞動(dòng)，機械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可學(xué)習常用機器的結構組成、工作原理、運動(dòng)規律，掌握機器的工作過(guò)程并對機器進(jìn)行設計創(chuàng )新、裝配維護等。當前教學(xué)雖然已經(jīng)擺脫了“黑板上開(kāi)機器”的教學(xué)模式，視頻、動(dòng)畫(huà)等虛擬的機構模型演示為學(xué)習機械機構提供了較直觀(guān)的學(xué)習條件；但是對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，視頻、動(dòng)畫(huà)的演示盡管形象，總有過(guò)眼煙云的感覺(jué)，即使演示了很多，也感覺(jué)距離現實(shí)較遠，很難留下深刻的印象。而實(shí)物模型是反映前人研究成果的最原始的資料，其真實(shí)可靠性是其他方式不可替代的。利用實(shí)物教學(xué)道具幫助學(xué)生展開(kāi)空間想象，使學(xué)生更形象地理解教學(xué)內容。現有的機構模型一方面受到教學(xué)場(chǎng)地的影響，一方面又受到數量的限制，已經(jīng)固定成形，主要還是以觀(guān)察為主，可操作性不強。為了進(jìn)一步提高學(xué)習效果，若在教學(xué)過(guò)程中將機構進(jìn)行現場(chǎng)組裝，使理論與實(shí)踐及時(shí)結合起來(lái)，讓學(xué)生邊動(dòng)手邊分析，一定會(huì )收到很好的效果。在此基礎上可以進(jìn)行機構的創(chuàng )新嘗試、模擬更多機器的動(dòng)作，達到扎實(shí)學(xué)習基礎、提升創(chuàng )新能力的目的。

2實(shí)用新型3D打印模型庫的設計方案

2.1基本思路

該機械模型庫主要是在箱體中設置一個(gè)可以搭建不同機械結構的演示單元，根據教學(xué)需要搭建不同種類(lèi)的機械結構，方便學(xué)生理解機械原理相關(guān)知識。該演示箱可隨意變換不同的機械結構，形式多變，整體為一個(gè)手提箱，體積小，便于攜帶。在課堂上可動(dòng)手搭建實(shí)際機構，并通過(guò)顯示屏演示機構的運動(dòng)原理，達到理論與實(shí)踐一體化學(xué)習的目的。

2.2主要構成

3D打印模型庫產(chǎn)生的主要目的在于便攜多功能地完成各種常用機構組件的演示。機械模型庫包括箱體、機構演示單元、構件庫、輔助連接件、虛擬動(dòng)畫(huà)顯示屏和操作按鍵，箱體和箱蓋鉸鏈連接。整體效果如圖1所示。（1）演示單元包括框架、桿件和滑塊，框架上下兩端固定有滑軌，桿件兩端分別通過(guò)直線(xiàn)軸承與所述滑軌配合，桿件上設置有多個(gè)滑塊，可以在桿件上滑動(dòng)，滑塊設置有垂直于框架所在平面的通孔，通孔中設置有銷(xiāo)座。（2）構件庫為不同長(cháng)度的桿狀構件、齒輪、齒條、凸輪、連桿、導桿和曲柄滑塊等零件，可以進(jìn)行多種機械結構的組合。（3）輔助連接件：銷(xiāo)座為帶螺紋頭銷(xiāo)座或不帶螺紋頭銷(xiāo)座，帶螺紋頭銷(xiāo)座為伸出滑塊部分設置有螺紋頭；還包括多個(gè)銷(xiāo)，銷(xiāo)的軸向中心處一端開(kāi)有螺紋孔，螺紋孔與帶螺紋頭銷(xiāo)座的螺紋頭配合，銷(xiāo)的軸向至少設置一個(gè)環(huán)形槽。

2.3創(chuàng )新點(diǎn)

（1）體積小巧，便于攜帶；（2）構件豐富，可搭建形式多樣的機構；（3）擴展性強，可完成創(chuàng )新發(fā)散式教學(xué)；（4）理論與實(shí)踐相結合，實(shí)體機構運動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)軟件分析機構的受力情況；（5）可與其他學(xué)科實(shí)驗實(shí)訓相結合，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2.4技術(shù)關(guān)鍵

（1）模型庫應達到結構緊湊、便于攜帶的要求；（2）構件在演示箱中的擺放位置應設計合理；（3）為節省空間，一個(gè)構件可實(shí)現多種用途；（4）在滿(mǎn)足機構運動(dòng)要求的情況下，使搭建的機構在演示平臺上能夠固定，將構件放置平穩；（5）搭建的機構有手動(dòng)和電動(dòng)兩種驅動(dòng)模式；（6）通過(guò)軟件及顯示屏展示機構工作原理并分析機構的受力情況。

2.5使用方法

使用過(guò)程中，學(xué)生在構件庫內找到需要的機構零件，在演示盤(pán)上將構件組裝成各種機構，如連桿機構、槽輪機構；機構在手動(dòng)或電動(dòng)的驅動(dòng)方式下運動(dòng)，同時(shí)在顯示屏上展示該機構的運動(dòng)原理，并可配以語(yǔ)音講解。

33D打印模型庫設計的科學(xué)性、先進(jìn)性

教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在課堂上邊學(xué)習理論邊組裝機構，使理論與實(shí)踐及時(shí)結合起來(lái)，教師在學(xué)生動(dòng)手組裝的過(guò)程中進(jìn)行原理分析，開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng )新性思維，并在原有機構的基礎上進(jìn)行機構的創(chuàng )新演示、模擬許多機器的動(dòng)作，以達到促進(jìn)學(xué)生扎實(shí)學(xué)習基礎知識、提升其創(chuàng )新能力的目的，并使課堂教學(xué)更為靈活有趣。另外，在教學(xué)過(guò)程中，一方面對模型庫的應用情況進(jìn)行記錄，以便進(jìn)一步改進(jìn)；另一方面獲得大量的實(shí)驗和觀(guān)察結論，為機械結構的學(xué)習提供參考。為了更好地達到教學(xué)目的，將機械結構的仿真模擬和實(shí)際機構的搭建有機結合在一起，實(shí)現理論與實(shí)踐的一體化。通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手搭建機構，多元化地認識機構，再輔以機構原理動(dòng)畫(huà)演示和講解，增強學(xué)生對機械結構原理的認知；進(jìn)一步擴展學(xué)生的創(chuàng )新創(chuàng )造能力，對該模型庫進(jìn)行更深層次的二次開(kāi)發(fā)。

3.1科學(xué)性

對于現開(kāi)發(fā)的這種新型實(shí)用的多功能機構模型庫，通過(guò)大量的觀(guān)摩、調研機器結構實(shí)例，統計了主要演示的機構和構件數量；列出可操作演示的基本機構20多種，對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行先行設計和驗證后得出結論，再進(jìn)行詳細的機構圖形繪制；經(jīng)過(guò)具體細致的實(shí)施，形成最終的設計方案，使得此裝置能夠直觀(guān)、真實(shí)地演示各種機構的組成與運動(dòng)原理，并進(jìn)行機構創(chuàng )新。

3.2先進(jìn)性

首先，模型庫結構緊湊、便于攜帶；其次，為節省空間，對各種構件在演示箱中的擺放位置進(jìn)行了合理的設計；最后，為提高可操作性，能夠完成機構運動(dòng)，構件在搭建機構過(guò)程中的互換性好。

4應用效果對比分析

目前，國內外并沒(méi)有此類(lèi)教育產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，國內外教育產(chǎn)品主要以大型實(shí)驗實(shí)訓設備為主。軟件公司開(kāi)發(fā)教育教學(xué)虛擬應用軟件，設備生產(chǎn)公司開(kāi)發(fā)實(shí)物實(shí)驗設備，沒(méi)有將模擬仿真與實(shí)物操作相結合的輔助教學(xué)設備。在教學(xué)中，學(xué)生很難將抽象、簡(jiǎn)化的機構原理與工作的實(shí)物機構聯(lián)系起來(lái)：學(xué)習了原理，卻不了解實(shí)物結構；看見(jiàn)實(shí)物結構，又不能應用抽象原理，不能學(xué)以致用。模型庫實(shí)物制造過(guò)程中應用多種繪圖軟件、建模軟件及3D打印技術(shù)，緊跟當下工科發(fā)展的前沿技術(shù)，打破“紙上談兵”，進(jìn)入實(shí)戰演練階段。應用新的教學(xué)手段，使用實(shí)物來(lái)模擬工作情景，使學(xué)生在今后的工作中能夠快速進(jìn)入狀態(tài)。模型庫不占用大空間，不需要大規模的實(shí)驗實(shí)訓室建設投入，直接可以將教室轉變?yōu)閷?shí)驗室，使課堂教學(xué)與實(shí)踐一體化。運用虛實(shí)對應演示的方式提高學(xué)生學(xué)習的興趣，增強對專(zhuān)業(yè)知識的理解和掌握，改善了課堂教學(xué)的方式方法，優(yōu)化了教學(xué)手段，豐富了教學(xué)素材，節約學(xué)校對實(shí)驗實(shí)訓設備的資金投入，集中資金購進(jìn)更為先進(jìn)的設備。3D打印快速成型技術(shù)的發(fā)展能進(jìn)一步促進(jìn)模型庫的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新，加工出貼近生產(chǎn)實(shí)際需要和實(shí)訓項目的零部件，在眾多工科類(lèi)院校中都有一定的實(shí)際應用價(jià)值，適用于更多領(lǐng)域，達到更好的教學(xué)效果。

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