機械教學設計3D打印模型庫的應用

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摘要：3d打印模型庫結合了機械、電氣、控制等多方面的專業知識，整體為一個體積小、便于攜帶的手提箱。為滿足教學需要，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。將課堂的理論與實踐相結合，提高學生的課堂參與度，使學生能高效率、全方位地學習各種機械結構，運用虛實對應的演示方式激發學生的學習興趣，增強學生對機械原理等相關知識的理解和掌握,學以致用打破“紙上談兵”的學習模式，進入實戰演練。應用新的教學手段，實物模擬工作情景，使學生在今后的工作中能夠快速進入狀態。

關鍵字:3D打印技術；機械結構；模型庫；實踐；創新

3D打印技術逐漸普及，越來越多地應用于航天、醫療、工業設計及教育服務等領域。將3D打印技術融入教學探索過程，出現了應用于教學的3D打印機械模型庫。在機械專業教學過程中使用3D打印技術加工出微型的各種機構零件、構件，學生再對各種機械結構進行現場組裝和分析運動原理，這種將理論與實踐及時結合起來的方式，對教育教學工作有很好的促進作用，對培養大學生的創新能力、提升學生的綜合能力具有重要意義。

1機械教學現狀分析

機器在生產中可以減輕或代替人力勞動，機械專業的學生可學習常用機器的結構組成、工作原理、運動規律，掌握機器的工作過程并對機器進行設計創新、裝配維護等。當前教學雖然已經擺脫了“黑板上開機器”的教學模式，視頻、動畫等虛擬的機構模型演示為學習機械機構提供了較直觀的學習條件；但是對于初學者來說，視頻、動畫的演示盡管形象，總有過眼煙云的感覺，即使演示了很多，也感覺距離現實較遠，很難留下深刻的印象。而實物模型是反映前人研究成果的最原始的資料，其真實可靠性是其他方式不可替代的。利用實物教學道具幫助學生展開空間想象，使學生更形象地理解教學內容。現有的機構模型一方面受到教學場地的影響，一方面又受到數量的限制，已經固定成形，主要還是以觀察為主，可操作性不強。為了進一步提高學習效果，若在教學過程中將機構進行現場組裝，使理論與實踐及時結合起來，讓學生邊動手邊分析，一定會收到很好的效果。在此基礎上可以進行機構的創新嘗試、模擬更多機器的動作，達到扎實學習基礎、提升創新能力的目的。

2實用新型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可以搭建不同機械結構的演示單元，根據教學需要搭建不同種類的機械結構，方便學生理解機械原理相關知識。該演示箱可隨意變換不同的機械結構，形式多變，整體為一個手提箱，體積小，便于攜帶。在課堂上可動手搭建實際機構，并通過顯示屏演示機構的運動原理，達到理論與實踐一體化學習的目的。

2.2主要構成

3D打印模型庫產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，桿件上設置有多個滑塊，可以在桿件上滑動，滑塊設置有垂直于框架所在平面的通孔，通孔中設置有銷座。（2）構件庫為不同長度的桿狀構件、齒輪、齒條、凸輪、連桿、導桿和曲柄滑塊等零件，可以進行多種機械結構的組合。（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置有螺紋頭；還包括多個銷，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，銷的軸向至少設置一個環形槽。

2.3創新點

（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，可完成創新發散式教學；（4）理論與實踐相結合，實體機構運動的同時，通過軟件分析機構的受力情況；（5）可與其他學科實驗實訓相結合，進行二次開發。

2.4技術關鍵

（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，一個構件可實現多種用途；（4）在滿足機構運動要求的情況下，使搭建的機構在演示平臺上能夠固定，將構件放置平穩；（5）搭建的機構有手動和電動兩種驅動模式；（6）通過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

使用過程中，學生在構件庫內找到需要的機構零件，在演示盤上將構件組裝成各種機構，如連桿機構、槽輪機構；機構在手動或電動的驅動方式下運動，同時在顯示屏上展示該機構的運動原理，并可配以語音講解。

33D打印模型庫設計的科學性、先進性

教學過程中，學生在課堂上邊學習理論邊組裝機構，使理論與實踐及時結合起來，教師在學生動手組裝的過程中進行原理分析，開拓學生的創新性思維，并在原有機構的基礎上進行機構的創新演示、模擬許多機器的動作，以達到促進學生扎實學習基礎知識、提升其創新能力的目的，并使課堂教學更為靈活有趣。另外，在教學過程中，一方面對模型庫的應用情況進行記錄，以便進一步改進；另一方面獲得大量的實驗和觀察結論，為機械結構的學習提供參考。為了更好地達到教學目的，將機械結構的仿真模擬和實際機構的搭建有機結合在一起，實現理論與實踐的一體化。通過學生親自動手搭建機構，多元化地認識機構，再輔以機構原理動畫演示和講解，增強學生對機械結構原理的認知；進一步擴展學生的創新創造能力，對該模型庫進行更深層次的二次開發。

3.1科學性

對于現開發的這種新型實用的多功能機構模型庫，通過大量的觀摩、調研機器結構實例，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，對一些關鍵技術進行先行設計和驗證后得出結論，再進行詳細的機構圖形繪制；經過具體細致的實施，形成最終的設計方案，使得此裝置能夠直觀、真實地演示各種機構的組成與運動原理，并進行機構創新。

3.2先進性

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行了合理的設計；最后，為提高可操作性，能夠完成機構運動，構件在搭建機構過程中的互換性好。

4應用效果對比分析

目前，國內外并沒有此類教育產品的開發，國內外教育產品主要以大型實驗實訓設備為主。軟件公司開發教育教學虛擬應用軟件，設備生產公司開發實物實驗設備，沒有將模擬仿真與實物操作相結合的輔助教學設備。在教學中，學生很難將抽象、簡化的機構原理與工作的實物機構聯系起來：學習了原理，卻不了解實物結構；看見實物結構，又不能應用抽象原理，不能學以致用。模型庫實物制造過程中應用多種繪圖軟件、建模軟件及3D打印技術，緊跟當下工科發展的前沿技術，打破“紙上談兵”，進入實戰演練階段。應用新的教學手段，使用實物來模擬工作情景，使學生在今后的工作中能夠快速進入狀態。模型庫不占用大空間，不需要大規模的實驗實訓室建設投入，直接可以將教室轉變為實驗室，使課堂教學與實踐一體化。運用虛實對應演示的方式提高學生學習的興趣，增強對專業知識的理解和掌握，改善了課堂教學的方式方法，優化了教學手段，豐富了教學素材，節約學校對實驗實訓設備的資金投入，集中資金購進更為先進的設備。3D打印快速成型技術的發展能進一步促進模型庫的開發和創新，加工出貼近生產實際需要和實訓項目的零部件，在眾多工科類院校中都有一定的實際應用價值，適用于更多領域，達到更好的教學效果。

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作者：黃雪琪 單位：蘭州資源環境職業技術學院