机械教学设计3D打印模型库的应用

摘要：3D打印模型库结合了机械、电气、控制等多方面的专业知识，整体为一个体积小、便于携带的手提箱。为满足教学需要，在箱体中设置可以搭建多种机械结构的演示单元，拼接形式变换多样。将课堂的理论与实践相结合，提高学生的课堂参与度，使学生能高效率、全方位地学习各种机械结构，运用虚实对应的演示方式激发学生的学习兴趣，增强学生对机械原理等相关知识的理解和掌握,学以致用打破“纸上谈兵”的学习模式，进入实战演练。应用新的教学手段，实物模拟工作情景，使学生在今后的工作中能够快速进入状态。

关键字:3D打印技术；机械结构；模型库；实践；创新

3D打印技术逐渐普及，越来越多地应用于航天、医疗、工业设计及教育服务等领域。将3D打印技术融入教学探索过程，出现了应用于教学的3D打印机械模型库。在机械专业教学过程中使用3D打印技术加工出微型的各种机构零件、构件，学生再对各种机械结构进行现场组装和分析运动原理，这种将理论与实践及时结合起来的方式，对教育教学工作有很好的促进作用，对培养大学生的创新能力、提升学生的综合能力具有重要意义。

1机械教学现状分析

机器在生产中可以减轻或代替人力劳动，机械专业的学生可学习常用机器的结构组成、工作原理、运动规律，掌握机器的工作过程并对机器进行设计创新、装配维护等。当前教学虽然已经摆脱了“黑板上开机器”的教学模式，视频、动画等虚拟的机构模型演示为学习机械机构提供了较直观的学习条件；但是对于初学者来说，视频、动画的演示尽管形象，总有过眼烟云的感觉，即使演示了很多，也感觉距离现实较远，很难留下深刻的印象。而实物模型是反映前人研究成果的最原始的资料，其真实可靠性是其他方式不可替代的。利用实物教学道具帮助学生展开空间想象，使学生更形象地理解教学内容。现有的机构模型一方面受到教学场地的影响，一方面又受到数量的限制，已经固定成形，主要还是以观察为主，可操作性不强。为了进一步提高学习效果，若在教学过程中将机构进行现场组装，使理论与实践及时结合起来，让学生边动手边分析，一定会收到很好的效果。在此基础上可以进行机构的创新尝试、模拟更多机器的动作，达到扎实学习基础、提升创新能力的目的。

2实用新型3D打印模型库的设计方案

2.1基本思路

该机械模型库主要是在箱体中设置一个可以搭建不同机械结构的演示单元，根据教学需要搭建不同种类的机械结构，方便学生理解机械原理相关知识。该演示箱可随意变换不同的机械结构，形式多变，整体为一个手提箱，体积小，便于携带。在课堂上可动手搭建实际机构，并通过显示屏演示机构的运动原理，达到理论与实践一体化学习的目的。

2.2主要构成

3D打印模型库产生的主要目的在于便携多功能地完成各种常用机构组件的演示。机械模型库包括箱体、机构演示单元、构件库、辅助连接件、虚拟动画显示屏和操作按键，箱体和箱盖铰链连接。整体效果如图1所示。（1）演示单元包括框架、杆件和滑块，框架上下两端固定有滑轨，杆件两端分别通过直线轴承与所述滑轨配合，杆件上设置有多个滑块，可以在杆件上滑动，滑块设置有垂直于框架所在平面的通孔，通孔中设置有销座。（2）构件库为不同长度的杆状构件、齿轮、齿条、凸轮、连杆、导杆和曲柄滑块等零件，可以进行多种机械结构的组合。（3）辅助连接件：销座为带螺纹头销座或不带螺纹头销座，带螺纹头销座为伸出滑块部分设置有螺纹头；还包括多个销，销的轴向中心处一端开有螺纹孔，螺纹孔与带螺纹头销座的螺纹头配合，销的轴向至少设置一个环形槽。

2.3创新点

（1）体积小巧，便于携带；（2）构件丰富，可搭建形式多样的机构；（3）扩展性强，可完成创新发散式教学；（4）理论与实践相结合，实体机构运动的同时，通过软件分析机构的受力情况；（5）可与其他学科实验实训相结合，进行二次开发。

2.4技术关键

（1）模型库应达到结构紧凑、便于携带的要求；（2）构件在演示箱中的摆放位置应设计合理；（3）为节省空间，一个构件可实现多种用途；（4）在满足机构运动要求的情况下，使搭建的机构在演示平台上能够固定，将构件放置平稳；（5）搭建的机构有手动和电动两种驱动模式；（6）通过软件及显示屏展示机构工作原理并分析机构的受力情况。

2.5使用方法

使用过程中，学生在构件库内找到需要的机构零件，在演示盘上将构件组装成各种机构，如连杆机构、槽轮机构；机构在手动或电动的驱动方式下运动，同时在显示屏上展示该机构的运动原理，并可配以语音讲解。

33D打印模型库设计的科学性、先进性

教学过程中，学生在课堂上边学习理论边组装机构，使理论与实践及时结合起来，教师在学生动手组装的过程中进行原理分析，开拓学生的创新性思维，并在原有机构的基础上进行机构的创新演示、模拟许多机器的动作，以达到促进学生扎实学习基础知识、提升其创新能力的目的，并使课堂教学更为灵活有趣。另外，在教学过程中，一方面对模型库的应用情况进行记录，以便进一步改进；另一方面获得大量的实验和观察结论，为机械结构的学习提供参考。为了更好地达到教学目的，将机械结构的仿真模拟和实际机构的搭建有机结合在一起，实现理论与实践的一体化。通过学生亲自动手搭建机构，多元化地认识机构，再辅以机构原理动画演示和讲解，增强学生对机械结构原理的认知；进一步扩展学生的创新创造能力，对该模型库进行更深层次的二次开发。

3.1科学性

对于现开发的这种新型实用的多功能机构模型库，通过大量的观摩、调研机器结构实例，统计了主要演示的机构和构件数量；列出可操作演示的基本机构20多种，对一些关键技术进行先行设计和验证后得出结论，再进行详细的机构图形绘制；经过具体细致的实施，形成最终的设计方案，使得此装置能够直观、真实地演示各种机构的组成与运动原理，并进行机构创新。

3.2先进性

首先，模型库结构紧凑、便于携带；其次，为节省空间，对各种构件在演示箱中的摆放位置进行了合理的设计；最后，为提高可操作性，能够完成机构运动，构件在搭建机构过程中的互换性好。

4应用效果对比分析

目前，国内外并没有此类教育产品的开发，国内外教育产品主要以大型实验实训设备为主。软件公司开发教育教学虚拟应用软件，设备生产公司开发实物实验设备，没有将模拟仿真与实物操作相结合的辅助教学设备。在教学中，学生很难将抽象、简化的机构原理与工作的实物机构联系起来：学习了原理，却不了解实物结构；看见实物结构，又不能应用抽象原理，不能学以致用。模型库实物制造过程中应用多种绘图软件、建模软件及3D打印技术，紧跟当下工科发展的前沿技术，打破“纸上谈兵”，进入实战演练阶段。应用新的教学手段，使用实物来模拟工作情景，使学生在今后的工作中能够快速进入状态。模型库不占用大空间，不需要大规模的实验实训室建设投入，直接可以将教室转变为实验室，使课堂教学与实践一体化。运用虚实对应演示的方式提高学生学习的兴趣，增强对专业知识的理解和掌握，改善了课堂教学的方式方法，优化了教学手段，丰富了教学素材，节约学校对实验实训设备的资金投入，集中资金购进更为先进的设备。3D打印快速成型技术的发展能进一步促进模型库的开发和创新，加工出贴近生产实际需要和实训项目的零部件，在众多工科类院校中都有一定的实际应用价值，适用于更多领域，达到更好的教学效果。

参考文献：

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作者：黄雪琪 单位：兰州资源环境职业技术学院