張志超 何 理 吳逸帆 黃潤銘 王 瑞

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

1 現(xiàn)階段教具概述

1.1 教具的定義

在《中國大百科全書》中，教具是指為學(xué)生提供材料實物、模型、圖表等的教學(xué)用具。教具是特殊形式的教材、教師的助手、學(xué)生的朋友，是學(xué)校辦學(xué)條件之一［1］。教具涵蓋了當(dāng)前教學(xué)基礎(chǔ)用具、教學(xué)儀器設(shè)備、教學(xué)技術(shù)裝備，是教育的必備用品。

1.2 教具的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

教具包括傳統(tǒng)教具和現(xiàn)代化教具。傳統(tǒng)教具以黑板、粉筆、尺規(guī)、模型、掛圖等教學(xué)工具為主。具有真實、可觸摸、易操作、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，對提高學(xué)生的注意力、加強(qiáng)學(xué)生對知識的具體化認(rèn)知等發(fā)揮著重要作用［2］。缺點(diǎn)是單個教具的功能單一，且部分教具的體積較大，不便攜帶。傳統(tǒng)教具能發(fā)揮的作用對教師的授課內(nèi)容和授課經(jīng)驗有一定要求，如在對圓柱體進(jìn)行切割與拼合的教學(xué)中，傳統(tǒng)教具對整個過程的描繪比較模糊混亂，而現(xiàn)代化教具，如投影繪圖軟件的演示能輕松解決這個問題［3］。

現(xiàn)代化教具是相對傳統(tǒng)化教具而言的，主要是指從19世紀(jì)末開始，隨著科技的進(jìn)步、計算機(jī)的普及，教師在日常教學(xué)中逐步采用與科技密切相關(guān)的教具，如電視屏幕、投影儀、幻燈片等。現(xiàn)代化教具以科技為核心，將教具功能濃縮到教鞭中。而隨著科學(xué)的發(fā)展，教鞭也在不斷更新改版，激光教鞭也應(yīng)運(yùn)而生［4］。激光教鞭是將計算機(jī)USB技術(shù)、無線電技術(shù)應(yīng)用于無線射頻翻頁激光筆中，集遙控電腦功能與教鞭功能于一體，配合筆記本電腦和PC端、投影儀進(jìn)行使用，是廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品演示、電化教學(xué)及學(xué)術(shù)會議等場合的理想演示用工具。

1.3 教具的現(xiàn)況

教具與教育事業(yè)息息相關(guān)，而好的教育與我國的政治、經(jīng)濟(jì)、社會休戚與共。如今教具的品種不斷增多，其在教育事業(yè)中的作用和地位也不斷提高。我國要繼續(xù)高速發(fā)展，就要發(fā)展好教育，即提高教具質(zhì)量。目前，單個教具功能單一，無法適應(yīng)多元化教學(xué)的課堂，尤其是要繪圖的課程，授課教師要用到教鞭、粉筆、話筒以及多種繪圖工具等。在授課前，授課教師要提前攜帶好各種教具。在授課時，教師要不斷切換手中的教具，非常麻煩。因此，急需一種整合多種功能的教鞭，用于解決體積大、數(shù)量多、種類雜、使用不方便的問題［5］。

2 設(shè)計部分

一種多功能教具由教具手柄和伸縮部分組成（見圖1）。手柄由3個零件組成，即尾端手柄、PPT翻頁筆和量角器。伸縮部分由4個零件組成，即教鞭的三個伸長部分和一個活動圓規(guī)針腳。

2.1 尾端手柄

使用設(shè)計不當(dāng)?shù)氖治帐焦ぞ邥?dǎo)致多種上肢職業(yè)病，甚至?xí)斐扇硇詡?，如腱鞘炎、腕道綜合征、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘炎、狹窄性腱鞘炎和網(wǎng)球肘等。本研究根據(jù)人體工程學(xué)理論，模仿羽毛球拍手柄部分，設(shè)計出更加容易操縱和把握的尾端手柄（見圖2）。其優(yōu)點(diǎn)是可避免靜態(tài)肌肉負(fù)荷，保持手腕處于順直狀態(tài)，避免掌部組織受到過大壓力，避免手指重復(fù)動作。

圖1 教具整體結(jié)構(gòu)

圖2 尾部設(shè)計

2.2 PPT翻頁筆

無線激光筆由1個RF射頻遙控器與1個無線接收器（USB接口）組成。RF射頻遙控器內(nèi)嵌有無線RF射頻發(fā)射器，在使用時只要將接收器插入電腦主機(jī)的USB接口，不用安裝驅(qū)動即可正常工作。使用時只用點(diǎn)擊RF射頻遙控器的相關(guān)功能鍵便可操縱接收器，并且發(fā)射器不用對準(zhǔn)接收器，真正實現(xiàn)無線自由。在反復(fù)使用食指按壓翻頁筆上的控制按鈕時，會導(dǎo)致食指發(fā)生狹窄性腱鞘炎，故在設(shè)計時，為了避免食指做出類似的動作，以拇指或指壓板控制來代替。

2.3 量角器

量角器是測量角度的儀器。本研究設(shè)計的量角器由表盤、表盤軸與框架組成，表盤有一組180°刻度和一配重，表盤軸通過表盤背面的表盤托上的軸承孔插入前后蓋內(nèi)側(cè)的軸承孔中，框架由與表盤盒配合的內(nèi)框和作為測量基準(zhǔn)的外框組成。量角器采用透明材質(zhì)，這樣能清晰地看到刻度，使用更方便，量角器水平末端與尾端手柄上的刻度線相配合，這樣能清晰明了地看出旋轉(zhuǎn)角度及刻度等。

2.4 教鞭的三節(jié)伸長部分

每個伸長部分依靠圓頭的上下活動止推銷來實現(xiàn)伸長后的限位功能。每一段伸縮部分結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3（a）左側(cè)為彌補(bǔ)展開部分前后落差的裝置、右側(cè)為外伸沿，展開后可當(dāng)作尺子來用。該收合結(jié)構(gòu)采用燕尾槽的構(gòu)造原理，燕尾槽結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。其中，因燕尾槽的設(shè)計導(dǎo)致展開后三個伸縮段不在一個平面上，前后有凹凸，所以要進(jìn)行一些輔助設(shè)計，伸縮二段和伸縮三段的底部開有通槽，同時在伸縮二段和伸縮三段左側(cè)各設(shè)置一塊類似配重塊的裝置，從而彌補(bǔ)由燕尾槽結(jié)構(gòu)帶來的每一部分展開時前后的高低落差，這樣使用時不會因燕尾槽的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)導(dǎo)致打開后各個部分的底面不平齊。第三段的右側(cè)外伸沿部分含有一個微小伸縮推桿，借助這個推桿的推力作用和燕尾槽的梯形結(jié)構(gòu)，保證教鞭右端三段外伸沿保持在同一直線上。收納時，僅用按壓這個帶有推桿的第三段可伸縮外沿，可伸縮外沿便在壓力的作用下收縮到梯形槽內(nèi)部，以此來保證收縮時外沿互不干涉。因此，收納起來后可保證互不干涉，同時伸出后亦可保證凸面最外端是一條直線，方便展開后進(jìn)行直線畫圖。同時，該結(jié)構(gòu)的許多地方是空心的，使用起來也更加方便，便于單手操作。

圖3 伸縮結(jié)構(gòu)

2.5 活動圓規(guī)針腳

該部分套在伸縮部分的外側(cè)，利用卡槽來實現(xiàn)針腳在教鞭上的移動，通過螺紋對其進(jìn)行定位夾緊，上方為粉筆的夾緊部分，套筒內(nèi)有內(nèi)螺紋，且有一定錐度，套筒旋轉(zhuǎn)得越深，其內(nèi)部孔徑也就越小，從而達(dá)到固定和調(diào)節(jié)粉筆長度的目的。為了使圓規(guī)針腳在3個教鞭伸縮段內(nèi)能自由移動，每個伸縮段的連接處都進(jìn)行處理，以此來保證針腳在側(cè)面能自由移動。利用自由移動的活動針腳可實現(xiàn)定點(diǎn)畫圓的功能。同時，如果想收回圓規(guī)針腳，可從伸縮一段的外側(cè)取下，攜帶方便，使用時再從伸縮一段的外側(cè)劃入側(cè)面即可使用。

3 使用說明

3.1 尾端手柄

手柄上有一個凹槽，磁吸裝置可完美地與PPT翻頁筆鑲嵌在一起，使用更方便。手柄的形狀為矩形，中間有人性化按鈕。尾端手柄前端有一個小孔，使用機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣操作更加流暢，使用更加順滑。旋轉(zhuǎn)手柄可圍繞中樞旋鈕旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對角度的測量。由于中樞旋鈕相對固定，旋轉(zhuǎn)手柄可圍繞中樞旋鈕旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)測量角度，尾端手柄末端裝有一個鏤空的指針，可使角度測量更精準(zhǔn)。

3.2 PPT翻頁筆

本研究設(shè)計的教鞭除了具有傳統(tǒng)激光教鞭的映射功能外，即激光能投射到黑板上，方便教師的使用，還可通過按動激光筆上的上下翻頁按鈕來實現(xiàn)翻頁。PPT翻頁筆上安裝了無線快充，不用擔(dān)心耗電問題。PPT翻頁筆以無線方式直接遠(yuǎn)程遙控電腦或多媒體投影設(shè)備，實現(xiàn)幻燈片的自由翻頁和隨意演示。

3.3 量角器

量角器可畫角度、量角度、畫垂直線、畫平行線、測傾斜度、測垂直度、測水平度，可當(dāng)長短直尺使用，還能直觀地讀出數(shù)據(jù)，并畫出規(guī)定尺寸的圓。

3.4 伸縮部分

當(dāng)多功能實用教鞭全部展開時，底部可完美貼合墻壁，直尺部分可拉伸，拉伸后能保證刻度一端在同一直線上，同時每段完全展開后有限位鎖緊裝置，方便畫直線，收縮后三段變一段，由于采用空心結(jié)構(gòu)，便于攜帶。

3.5 活動圓規(guī)針腳

活動圓規(guī)針腳是套在伸縮部分的外側(cè)，利用卡槽來實現(xiàn)針腳在教鞭上的移動，通過螺紋來進(jìn)行定位夾緊，上方為粉筆的夾緊部分，套筒內(nèi)有內(nèi)螺紋，且有一定錐度，套筒旋轉(zhuǎn)得越深，其內(nèi)部孔徑也就越小，從而達(dá)到固定和調(diào)節(jié)粉筆長度的目的。為了實現(xiàn)圓規(guī)針腳在三個教鞭伸縮段內(nèi)的自由移動，每個伸縮段的連接處都進(jìn)行開槽處理，以此來保證針腳的自由移動。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計的一種多功能教具，對需要大量作圖的教師來說，其輕捷方便。教具的基本結(jié)構(gòu)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，功能多樣，能長時間使用，且不容易損壞，還可進(jìn)行批量制造、生產(chǎn)、普及。多功能教具既保留傳統(tǒng)教具的功能，也能解決傳統(tǒng)教具存在的問題。特別是對于圓規(guī)，改變了普通圓規(guī)兩條腿的結(jié)構(gòu)，將其改造成旋轉(zhuǎn)擺動式，結(jié)構(gòu)新穎，燕尾槽的伸縮結(jié)構(gòu)也使攜帶更加方便?？偠灾?，本研究設(shè)計的多功能教具能方便教師輕松靈活使用，也能使學(xué)生更直觀地理解課堂內(nèi)容。