一种多功能实用性教鞭的设计与实现

张志超 何 理 吴逸帆 黄润铭 王 瑞

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442000）

1 现阶段教具概述

1.1 教具的定义

在《中国大百科全书》中，教具是指为学生提供材料实物、模型、图表等的教学用具。教具是特殊形式的教材、教师的助手、学生的朋友，是学校办学条件之一［1］。教具涵盖了当前教学基础用具、教学仪器设备、教学技术装备，是教育的必备用品。

1.2 教具的分类及优缺点

教具包括传统教具和现代化教具。传统教具以黑板、粉笔、尺规、模型、挂图等教学工具为主。具有真实、可触摸、易操作、投资成本低等优点，对提高学生的注意力、加强学生对知识的具体化认知等发挥着重要作用［2］。缺点是单个教具的功能单一，且部分教具的体积较大，不便携带。传统教具能发挥的作用对教师的授课内容和授课经验有一定要求，如在对圆柱体进行切割与拼合的教学中，传统教具对整个过程的描绘比较模糊混乱，而现代化教具，如投影绘图软件的演示能轻松解决这个问题［3］。

现代化教具是相对传统化教具而言的，主要是指从19世纪末开始，随着科技的进步、计算机的普及，教师在日常教学中逐步采用与科技密切相关的教具，如电视屏幕、投影仪、幻灯片等。现代化教具以科技为核心，将教具功能浓缩到教鞭中。而随着科学的发展，教鞭也在不断更新改版，激光教鞭也应运而生［4］。激光教鞭是将计算机USB技术、无线电技术应用于无线射频翻页激光笔中，集遥控电脑功能与教鞭功能于一体，配合笔记本电脑和PC端、投影仪进行使用，是广泛应用于产品演示、电化教学及学术会议等场合的理想演示用工具。

1.3 教具的现况

教具与教育事业息息相关，而好的教育与我国的政治、经济、社会休戚与共。如今教具的品种不断增多，其在教育事业中的作用和地位也不断提高。我国要继续高速发展，就要发展好教育，即提高教具质量。目前，单个教具功能单一，无法适应多元化教学的课堂，尤其是要绘图的课程，授课教师要用到教鞭、粉笔、话筒以及多种绘图工具等。在授课前，授课教师要提前携带好各种教具。在授课时，教师要不断切换手中的教具，非常麻烦。因此，急需一种整合多种功能的教鞭，用于解决体积大、数量多、种类杂、使用不方便的问题［5］。

2 设计部分

一种多功能教具由教具手柄和伸缩部分组成（见图1）。手柄由3个零件组成，即尾端手柄、PPT翻页笔和量角器。伸缩部分由4个零件组成，即教鞭的三个伸长部分和一个活动圆规针脚。

2.1 尾端手柄

使用设计不当的手握式工具会导致多种上肢职业病，甚至会造成全身性伤害，如腱鞘炎、腕道综合征、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘炎、狭窄性腱鞘炎和网球肘等。本研究根据人体工程学理论，模仿羽毛球拍手柄部分，设计出更加容易操纵和把握的尾端手柄（见图2）。其优点是可避免静态肌肉负荷，保持手腕处于顺直状态，避免掌部组织受到过大压力，避免手指重复动作。

图1 教具整体结构

图2 尾部设计

2.2 PPT翻页笔

无线激光笔由1个RF射频遥控器与1个无线接收器（USB接口）组成。RF射频遥控器内嵌有无线RF射频发射器，在使用时只要将接收器插入电脑主机的USB接口，不用安装驱动即可正常工作。使用时只用点击RF射频遥控器的相关功能键便可操纵接收器，并且发射器不用对准接收器，真正实现无线自由。在反复使用食指按压翻页笔上的控制按钮时，会导致食指发生狭窄性腱鞘炎，故在设计时，为了避免食指做出类似的动作，以拇指或指压板控制来代替。

2.3 量角器

量角器是测量角度的仪器。本研究设计的量角器由表盘、表盘轴与框架组成，表盘有一组180°刻度和一配重，表盘轴通过表盘背面的表盘托上的轴承孔插入前后盖内侧的轴承孔中，框架由与表盘盒配合的内框和作为测量基准的外框组成。量角器采用透明材质，这样能清晰地看到刻度，使用更方便，量角器水平末端与尾端手柄上的刻度线相配合，这样能清晰明了地看出旋转角度及刻度等。

2.4 教鞭的三节伸长部分

每个伸长部分依靠圆头的上下活动止推销来实现伸长后的限位功能。每一段伸缩部分结构如图3所示，图3（a）左侧为弥补展开部分前后落差的装置、右侧为外伸沿，展开后可当作尺子来用。该收合结构采用燕尾槽的构造原理，燕尾槽结构如图3（b）所示。其中，因燕尾槽的设计导致展开后三个伸缩段不在一个平面上，前后有凹凸，所以要进行一些辅助设计，伸缩二段和伸缩三段的底部开有通槽，同时在伸缩二段和伸缩三段左侧各设置一块类似配重块的装置，从而弥补由燕尾槽结构带来的每一部分展开时前后的高低落差，这样使用时不会因燕尾槽的内嵌结构导致打开后各个部分的底面不平齐。第三段的右侧外伸沿部分含有一个微小伸缩推杆，借助这个推杆的推力作用和燕尾槽的梯形结构，保证教鞭右端三段外伸沿保持在同一直线上。收纳时，仅用按压这个带有推杆的第三段可伸缩外沿，可伸缩外沿便在压力的作用下收缩到梯形槽内部，以此来保证收缩时外沿互不干涉。因此，收纳起来后可保证互不干涉，同时伸出后亦可保证凸面最外端是一条直线，方便展开后进行直线画图。同时，该结构的许多地方是空心的，使用起来也更加方便，便于单手操作。

图3 伸缩结构

2.5 活动圆规针脚

该部分套在伸缩部分的外侧，利用卡槽来实现针脚在教鞭上的移动，通过螺纹对其进行定位夹紧，上方为粉笔的夹紧部分，套筒内有内螺纹，且有一定锥度，套筒旋转得越深，其内部孔径也就越小，从而达到固定和调节粉笔长度的目的。为了使圆规针脚在3个教鞭伸缩段内能自由移动，每个伸缩段的连接处都进行处理，以此来保证针脚在侧面能自由移动。利用自由移动的活动针脚可实现定点画圆的功能。同时，如果想收回圆规针脚，可从伸缩一段的外侧取下，携带方便，使用时再从伸缩一段的外侧划入侧面即可使用。

3 使用说明

3.1 尾端手柄

手柄上有一个凹槽，磁吸装置可完美地与PPT翻页笔镶嵌在一起，使用更方便。手柄的形状为矩形，中间有人性化按钮。尾端手柄前端有一个小孔，使用机械结构，这样操作更加流畅，使用更加顺滑。旋转手柄可围绕中枢旋钮旋转，从而实现对角度的测量。由于中枢旋钮相对固定，旋转手柄可围绕中枢旋钮旋转来实现测量角度，尾端手柄末端装有一个镂空的指针，可使角度测量更精准。

3.2 PPT翻页笔

本研究设计的教鞭除了具有传统激光教鞭的映射功能外，即激光能投射到黑板上，方便教师的使用，还可通过按动激光笔上的上下翻页按钮来实现翻页。PPT翻页笔上安装了无线快充，不用担心耗电问题。PPT翻页笔以无线方式直接远程遥控电脑或多媒体投影设备，实现幻灯片的自由翻页和随意演示。

3.3 量角器

量角器可画角度、量角度、画垂直线、画平行线、测倾斜度、测垂直度、测水平度，可当长短直尺使用，还能直观地读出数据，并画出规定尺寸的圆。

3.4 伸缩部分

当多功能实用教鞭全部展开时，底部可完美贴合墙壁，直尺部分可拉伸，拉伸后能保证刻度一端在同一直线上，同时每段完全展开后有限位锁紧装置，方便画直线，收缩后三段变一段，由于采用空心结构，便于携带。

3.5 活动圆规针脚

活动圆规针脚是套在伸缩部分的外侧，利用卡槽来实现针脚在教鞭上的移动，通过螺纹来进行定位夹紧，上方为粉笔的夹紧部分，套筒内有内螺纹，且有一定锥度，套筒旋转得越深，其内部孔径也就越小，从而达到固定和调节粉笔长度的目的。为了实现圆规针脚在三个教鞭伸缩段内的自由移动，每个伸缩段的连接处都进行开槽处理，以此来保证针脚的自由移动。

4 结语

本研究设计的一种多功能教具，对需要大量作图的教师来说，其轻捷方便。教具的基本结构为机械结构，结构简单，功能多样，能长时间使用，且不容易损坏，还可进行批量制造、生产、普及。多功能教具既保留传统教具的功能，也能解决传统教具存在的问题。特别是对于圆规，改变了普通圆规两条腿的结构，将其改造成旋转摆动式，结构新颖，燕尾槽的伸缩结构也使携带更加方便。总而言之，本研究设计的多功能教具能方便教师轻松灵活使用，也能使学生更直观地理解课堂内容。