一種多功能實用性教鞭的設計與實現

張志超 何 理 吳逸帆 黃潤銘 王 瑞

（湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442000）

1 現階段教具概述

1.1 教具的定義

在《中國大百科全書》中，教具是指為學生提供材料實物、模型、圖表等的教學用具。教具是特殊形式的教材、教師的助手、學生的朋友，是學校辦學條件之一［1］。教具涵蓋了當前教學基礎用具、教學儀器設備、教學技術裝備，是教育的必備用品。

1.2 教具的分類及優缺點

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

現代化教具是相對傳統化教具而言的，主要是指從19世紀末開始，隨著科技的進步、計算機的普及，教師在日常教學中逐步采用與科技密切相關的教具，如電視屏幕、投影儀、幻燈片等。現代化教具以科技為核心，將教具功能濃縮到教鞭中。而隨著科學的發展，教鞭也在不斷更新改版，激光教鞭也應運而生［4］。激光教鞭是將計算機USB技術、無線電技術應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、投影儀進行使用，是廣泛應用于產品演示、電化教學及學術會議等場合的理想演示用工具。

1.3 教具的現況

教具與教育事業息息相關，而好的教育與我國的政治、經濟、社會休戚與共。如今教具的品種不斷增多，其在教育事業中的作用和地位也不斷提高。我國要繼續高速發展，就要發展好教育，即提高教具質量。目前，單個教具功能單一，無法適應多元化教學的課堂，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、數量多、種類雜、使用不方便的問題［5］。

2 設計部分

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針腳。

2.1 尾端手柄

使用設計不當的手握式工具會導致多種上肢職業病，甚至會造成全身性傷害，如腱鞘炎、腕道綜合征、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘炎、狹窄性腱鞘炎和網球肘等。本研究根據人體工程學理論，模仿羽毛球拍手柄部分，設計出更加容易操縱和把握的尾端手柄（見圖2）。其優點是可避免靜態肌肉負荷，保持手腕處于順直狀態，避免掌部組織受到過大壓力，避免手指重復動作。

圖1 教具整體結構

圖2 尾部設計

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射頻遙控器內嵌有無線RF射頻發射器，在使用時只要將接收器插入電腦主機的USB接口，不用安裝驅動即可正常工作。使用時只用點擊RF射頻遙控器的相關功能鍵便可操縱接收器，并且發射器不用對準接收器，真正實現無線自由。在反復使用食指按壓翻頁筆上的控制按鈕時，會導致食指發生狹窄性腱鞘炎，故在設計時，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側的軸承孔中，框架由與表盤盒配合的內框和作為測量基準的外框組成。量角器采用透明材質，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角度及刻度等。

2.4 教鞭的三節伸長部分

每個伸長部分依靠圓頭的上下活動止推銷來實現伸長后的限位功能。每一段伸縮部分結構如圖3所示，圖3（a）左側為彌補展開部分前后落差的裝置、右側為外伸沿，展開后可當作尺子來用。該收合結構采用燕尾槽的構造原理，燕尾槽結構如圖3（b）所示。其中，因燕尾槽的設計導致展開后三個伸縮段不在一個平面上，前后有凹凸，所以要進行一些輔助設計，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各設置一塊類似配重塊的裝置，從而彌補由燕尾槽結構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嵌結構導致打開后各個部分的底面不平齊。第三段的右側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構，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，方便展開后進行直線畫圖。同時，該結構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 伸縮結構

2.5 活動圓規針腳

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

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，使用機械結構，這樣操作更加流暢，使用更加順滑。旋轉手柄可圍繞中樞旋鈕旋轉，從而實現對角度的測量。由于中樞旋鈕相對固定，旋轉手柄可圍繞中樞旋鈕旋轉來實現測量角度，尾端手柄末端裝有一個鏤空的指針，可使角度測量更精準。

3.2 PPT翻頁筆

本研究設計的教鞭除了具有傳統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翻頁。PPT翻頁筆上安裝了無線快充，不用擔心耗電問題。PPT翻頁筆以無線方式直接遠程遙控電腦或多媒體投影設備，實現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，可當長短直尺使用，還能直觀地讀出數據，并畫出規定尺寸的圓。

3.4 伸縮部分

當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，由于采用空心結構，便于攜帶。

3.5 活動圓規針腳

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

4 結語

本研究設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。教具的基本結構為機械結構，結構簡單，功能多樣，能長時間使用，且不容易損壞，還可進行批量制造、生產、普及。多功能教具既保留傳統教具的功能，也能解決傳統教具存在的問題。特別是對于圓規，改變了普通圓規兩條腿的結構，將其改造成旋轉擺動式，結構新穎，燕尾槽的伸縮結構也使攜帶更加方便?？偠灾?，本研究設計的多功能教具能方便教師輕松靈活使用，也能使學生更直觀地理解課堂內容。