機(jī)械教學(xué)設(shè)計(jì)3D打印模型庫的應(yīng)用

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摘要：3d打印模型庫結(jié)合了機(jī)械、電氣、控制等多方面的專業(yè)知識，整體為一個(gè)體積小、便于攜帶的手提箱。為滿足教學(xué)需要，在箱體中設(shè)置可以搭建多種機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jié)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(xí)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用虛實(shí)對應(yīng)的演示方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)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(xí)模式，進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)演練。應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)；模型庫；實(shí)踐；創(chuàng)新

3D打印技術(shù)逐漸普及，越來越多地應(yīng)用于航天、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)及教育服務(wù)等領(lǐng)域。將3D打印技術(shù)融入教學(xué)探索過程，出現(xiàn)了應(yīng)用于教學(xué)的3D打印機(jī)械模型庫。在機(jī)械專業(yè)教學(xué)過程中使用3D打印技術(shù)加工出微型的各種機(jī)構(gòu)零件、構(gòu)件，學(xué)生再對各種機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場組裝和分析運(yùn)動(dòng)原理，這種將理論與實(shí)踐及時(shí)結(jié)合起來的方式，對教育教學(xué)工作有很好的促進(jìn)作用，對培養(yǎng)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(jī)械教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器在生產(chǎn)中可以減輕或代替人力勞動(dòng)，機(jī)械專業(yè)的學(xué)生可學(xué)習(xí)常用機(jī)器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握機(jī)器的工作過程并對機(jī)器進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新、裝配維護(hù)等。當(dāng)前教學(xué)雖然已經(jīng)擺脫了“黑板上開機(jī)器”的教學(xué)模式，視頻、動(dòng)畫等虛擬的機(jī)構(gòu)模型演示為學(xué)習(xí)機(jī)械機(jī)構(gòu)提供了較直觀的學(xué)習(xí)條件；但是對于初學(xué)者來說，視頻、動(dòng)畫的演示盡管形象，總有過眼煙云的感覺，即使演示了很多，也感覺距離現(xiàn)實(shí)較遠(yuǎn)，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)生展開空間想象，使學(xué)生更形象地理解教學(xué)內(nèi)容?，F(xiàn)有的機(jī)構(gòu)模型一方面受到教學(xué)場地的影響，一方面又受到數(shù)量的限制，已經(jīng)固定成形，主要還是以觀察為主，可操作性不強(qiáng)。為了進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效果，若在教學(xué)過程中將機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場組裝，使理論與實(shí)踐及時(shí)結(jié)合起來，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(chǔ)上可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新嘗試、模擬更多機(jī)器的動(dòng)作，達(dá)到扎實(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、提升創(chuàng)新能力的目的。

2實(shí)用新型3D打印模型庫的設(shè)計(jì)方案

2.1基本思路

該機(jī)械模型庫主要是在箱體中設(shè)置一個(gè)可以搭建不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的演示單元，根據(jù)教學(xué)需要搭建不同種類的機(jī)械結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生理解機(jī)械原理相關(guān)知識。該演示箱可隨意變換不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)，并通過顯示屏演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，達(dá)到理論與實(shí)踐一體化學(xué)習(xí)的目的。

2.2主要構(gòu)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(jī)構(gòu)組件的演示。機(jī)械模型庫包括箱體、機(jī)構(gòu)演示單元、構(gòu)件庫、輔助連接件、虛擬動(dòng)畫顯示屏和操作按鍵，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，桿件兩端分別通過直線軸承與所述滑軌配合，桿件上設(shè)置有多個(gè)滑塊，可以在桿件上滑動(dòng)，滑塊設(shè)置有垂直于框架所在平面的通孔，通孔中設(shè)置有銷座。（2）構(gòu)件庫為不同長度的桿狀構(gòu)件、齒輪、齒條、凸輪、連桿、導(dǎo)桿和曲柄滑塊等零件，可以進(jìn)行多種機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合。（3）輔助連接件：銷座為帶螺紋頭銷座或不帶螺紋頭銷座，帶螺紋頭銷座為伸出滑塊部分設(shè)置有螺紋頭；還包括多個(gè)銷，銷的軸向中心處一端開有螺紋孔，螺紋孔與帶螺紋頭銷座的螺紋頭配合，銷的軸向至少設(shè)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(gòu)件豐富，可搭建形式多樣的機(jī)構(gòu)；（3）擴(kuò)展性強(qiáng)，可完成創(chuàng)新發(fā)散式教學(xué)；（4）理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過軟件分析機(jī)構(gòu)的受力情況；（5）可與其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，進(jìn)行二次開發(fā)。

2.4技術(shù)關(guān)鍵

（1）模型庫應(yīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶的要求；（2）構(gòu)件在演示箱中的擺放位置應(yīng)設(shè)計(jì)合理；（3）為節(jié)省空間，一個(gè)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)多種用途；（4）在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的情況下，使搭建的機(jī)構(gòu)在演示平臺(tái)上能夠固定，將構(gòu)件放置平穩(wěn)；（5）搭建的機(jī)構(gòu)有手動(dòng)和電動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式；（6）通過軟件及顯示屏展示機(jī)構(gòu)工作原理并分析機(jī)構(gòu)的受力情況。

2.5使用方法

使用過程中，學(xué)生在構(gòu)件庫內(nèi)找到需要的機(jī)構(gòu)零件，在演示盤上將構(gòu)件組裝成各種機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)在手動(dòng)或電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在顯示屏上展示該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，并可配以語音講解。

33D打印模型庫設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性

教學(xué)過程中，學(xué)生在課堂上邊學(xué)習(xí)理論邊組裝機(jī)構(gòu)，使理論與實(shí)踐及時(shí)結(jié)合起來，教師在學(xué)生動(dòng)手組裝的過程中進(jìn)行原理分析，開拓學(xué)生的創(chuàng)新性思維，并在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新演示、模擬許多機(jī)器的動(dòng)作，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生扎實(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)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)過程中，一方面對模型庫的應(yīng)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(yàn)和觀察結(jié)論，為機(jī)械結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)提供參考。為了更好地達(dá)到教學(xué)目的，將機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真模擬和實(shí)際機(jī)構(gòu)的搭建有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化。通過學(xué)生親自動(dòng)手搭建機(jī)構(gòu)，多元化地認(rèn)識機(jī)構(gòu)，再輔以機(jī)構(gòu)原理動(dòng)畫演示和講解，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的認(rèn)知；進(jìn)一步擴(kuò)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發(fā)。

3.1科學(xué)性

對于現(xiàn)開發(fā)的這種新型實(shí)用的多功能機(jī)構(gòu)模型庫，通過大量的觀摩、調(diào)研機(jī)器結(jié)構(gòu)實(shí)例，統(tǒng)計(jì)了主要演示的機(jī)構(gòu)和構(gòu)件數(shù)量；列出可操作演示的基本機(jī)構(gòu)20多種，對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行先行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證后得出結(jié)論，再進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)構(gòu)圖形繪制；經(jīng)過具體細(xì)致的實(shí)施，形成最終的設(shè)計(jì)方案，使得此裝置能夠直觀、真實(shí)地演示各種機(jī)構(gòu)的組成與運(yùn)動(dòng)原理，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。

3.2先進(jìn)性

首先，模型庫結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶；其次，為節(jié)省空間，對各種構(gòu)件在演示箱中的擺放位置進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)；最后，為提高可操作性，能夠完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)件在搭建機(jī)構(gòu)過程中的互換性好。

4應(yīng)用效果對比分析

目前，國內(nèi)外并沒有此類教育產(chǎn)品的開發(fā)，國內(nèi)外教育產(chǎn)品主要以大型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備為主。軟件公司開發(fā)教育教學(xué)虛擬應(yīng)用軟件，設(shè)備生產(chǎn)公司開發(fā)實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，沒有將模擬仿真與實(shí)物操作相結(jié)合的輔助教學(xué)設(shè)備。在教學(xué)中，學(xué)生很難將抽象、簡化的機(jī)構(gòu)原理與工作的實(shí)物機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來：學(xué)習(xí)了原理，卻不了解實(shí)物結(jié)構(gòu)；看見實(shí)物結(jié)構(gòu)，又不能應(yīng)用抽象原理，不能學(xué)以致用。模型庫實(shí)物制造過程中應(yīng)用多種繪圖軟件、建模軟件及3D打印技術(shù)，緊跟當(dāng)下工科發(fā)展的前沿技術(shù)，打破“紙上談兵”，進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)演練階段。應(yīng)用新的教學(xué)手段，使用實(shí)物來模擬工作情景，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(guī)模的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)投入，直接可以將教室轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)室，使課堂教學(xué)與實(shí)踐一體化。運(yùn)用虛實(shí)對應(yīng)演示的方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)對專業(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(jié)約學(xué)校對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的資金投入，集中資金購進(jìn)更為先進(jìn)的設(shè)備。3D打印快速成型技術(shù)的發(fā)展能進(jìn)一步促進(jìn)模型庫的開發(fā)和創(chuàng)新，加工出貼近生產(chǎn)實(shí)際需要和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的零部件，在眾多工科類院校中都有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，適用于更多領(lǐng)域，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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作者：黃雪琪 單位：蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院