創(chuàng)新性自動(dòng)化課堂設(shè)計(jì)

李文偉　何坤杰　王敏　賈先

摘 要：設(shè)計(jì)了涵蓋多種功能的未來課堂。黑板采用傳送導(dǎo)軌增大可用面積，板擦采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；窗戶利用光線感應(yīng)控制系統(tǒng)，控制百葉窗合理采光；天花板采用LED燈，節(jié)能環(huán)保壽命長；投影儀采用3D全息投影，使教學(xué)更加生動(dòng)形象；室內(nèi)裝有自動(dòng)傳送導(dǎo)軌，方便傳送教學(xué)實(shí)驗(yàn)教具；多功能桌椅可隨時(shí)調(diào)節(jié)高度，自由移動(dòng)，桌子可以自由排列，可調(diào)為傳統(tǒng)教學(xué)模式，自由教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)取物 傳送導(dǎo)軌 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 光線感應(yīng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0140-02

“未來課堂”是專門為了課堂更加形象化，自動(dòng)化，趣味性，使老師教學(xué)更加輕松自如，學(xué)生學(xué)習(xí)更加得心應(yīng)手而設(shè)計(jì)的。未來課堂有五大創(chuàng)新點(diǎn)，自動(dòng)取物講桌可以方便地為老師取放教學(xué)用具；自動(dòng)化黑板可以自動(dòng)擦拭黑板，并且減少粉塵污染；感光百葉窗根據(jù)光的強(qiáng)弱自動(dòng)采取合理光線以保持教室亮度；自動(dòng)變位課桌可實(shí)現(xiàn)不同教學(xué)模式（如：傳統(tǒng)教學(xué)、討論式教學(xué)等）；LED燈可實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)提供合理照明。（如圖1）

1 研制背景及意義

為了能夠更方便老師的教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)，教室發(fā)生著巨大的變化。傳統(tǒng)的教室從普通的黑板、桌椅、門窗到現(xiàn)在的多媒體教學(xué)，不管是桌椅還是教學(xué)用具無處不透漏著科技的運(yùn)用與發(fā)展。隨著現(xiàn)代科技的更加發(fā)展，中國版“工業(yè)4.0”是我們未來10年的國之大略[1]。教室必定還會(huì)發(fā)生更大的變化。

我們采用電控制與光電控制，加以機(jī)械機(jī)構(gòu)與機(jī)械動(dòng)，使用機(jī)電一體化技術(shù)，機(jī)電一體化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[2]，使我們所學(xué)知識(shí)得到充分利用，應(yīng)用到我們能夠獲得知識(shí)的地方。

2 制作中解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

“未來課堂”的組織的架構(gòu)，如圖2所示。

2.1 自動(dòng)取物講桌

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)化和白自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛[3]。自動(dòng)講桌功能凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，它一共分成三層：第一層是用于傳統(tǒng)教學(xué)的作用；第二層是放置的是由凸輪與旋轉(zhuǎn)圓盤組成的自動(dòng)取物系統(tǒng)；第三層是講桌的底部，且凸輪的底座固定在講桌第三層。在以往的教學(xué)中，老師所用的教學(xué)用具都是放置在課桌的表面，這樣一方面看起來比較雜亂；另一方面對(duì)講桌的衛(wèi)生不是很好以及有損教學(xué)效率。為了讓老師所用教具放置有規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取放教具，提高教學(xué)效率，自動(dòng)取物系統(tǒng)通過凸輪與旋轉(zhuǎn)圓盤相結(jié)合，采用合理電路，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)凸輪將老師在旋轉(zhuǎn)圓盤上指定的教具順利傳送到講桌的第一層，以供老師教學(xué)。

2.2 自動(dòng)變位課桌

單片機(jī)具有小巧、低功耗、控制能力強(qiáng)、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于機(jī)、電、儀一體化產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4]。自動(dòng)變位課桌利用單片機(jī)控制，可以前后運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將所有課桌組成不同的形態(tài)，來實(shí)現(xiàn)不同的的教學(xué)模式。我們以往的課桌都是固定不動(dòng)的。傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以把以往的固定的課桌按照人的意愿變換位置，電機(jī)采用正反轉(zhuǎn)，課桌通過齒輪實(shí)現(xiàn)前后變換位置；使課堂更加趣味、生動(dòng)，教學(xué)模式的多樣化，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率更加高，學(xué)習(xí)氣氛更加濃厚。

2.3 自動(dòng)采光百葉窗

教室的光線是否合理對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果很重要，所以教室采光的要求就要比較高。感光百葉窗的設(shè)計(jì)靈感來源于百葉窗與光電學(xué)控制的綜合。百葉窗能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)的開合，而光電學(xué)控制告訴我們，光的強(qiáng)弱可以改變光敏電阻阻值的大小。兩者巧妙的結(jié)合，光感應(yīng)系統(tǒng)安置在百葉窗的合理處，根據(jù)的教室光線的強(qiáng)弱，光感應(yīng)系統(tǒng)控制百葉窗的開合，從而控制百葉窗的采光，給教室提供合理的光線。

2.4 黑板清理系統(tǒng)

在人為擦拭黑板時(shí)，不僅擦拭麻煩費(fèi)力而且粉塵會(huì)對(duì)學(xué)生與老師的身體健康不利。為了防止人為擦拭黑板帶來的粉塵危害，以及節(jié)省人力，提高學(xué)習(xí)效率，自動(dòng)擦拭黑板會(huì)自行清理黑板板面。

黑板清理系統(tǒng)是由電機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)與一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。皮帶當(dāng)做黑板板面，黑板檫為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊。當(dāng)黑板正面版面要清理時(shí)，皮帶會(huì)通過軸轉(zhuǎn)到黑板反面，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)也開在始工作，滑塊開始清理黑板板面。

2.5 照明系統(tǒng)

教室的天花板都是采用LED燈照明，比較傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)，LED燈在等亮度下能夠更加省電。由于采用特殊的電路設(shè)計(jì)，教室的LED燈能夠自行調(diào)節(jié)亮度，達(dá)到了節(jié)能又環(huán)保的功效。

3 后期設(shè)想

為了能夠讓學(xué)生更加直觀的了解機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)關(guān)系，我們?cè)诮淌已b有3D全析投影模型，就現(xiàn)在科技而言是可以實(shí)現(xiàn)的，但是由于其技術(shù)要求較高，所以我們只能直接引用，但是其作用必定是不可估量的。并且我們的地面導(dǎo)軌能夠更巧妙地配合它，把桌椅圍成一個(gè)圈，方便教學(xué)，使教學(xué)工作更加順利。

我們的教室地面分為兩層，上層采用蜂窩狀材料，能夠?qū)崿F(xiàn)粉塵掉落，下層有一前后運(yùn)動(dòng)的清理棒，把灰塵清理。此暢想最大的難度是蜂窩狀材料的選擇。

我們?cè)诖皯羯涎b有光線過濾器，根據(jù)各種光的波長、頻率等，過濾掉不需要的光線，以減少反光。

4 結(jié)語

未來課堂的設(shè)備具有更多的自動(dòng)化功能，可以有效提高老師教學(xué)效果，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生更濃厚的興趣。這些設(shè)備還可以避免一些危害，如“自動(dòng)擦拭黑板”可以避免粉筆灰?guī)淼奈：ΑＷ钪匾氖敲恳患O(shè)備都可以單獨(dú)當(dāng)做一件教具，給學(xué)生提供更加形象的學(xué)習(xí)條件，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)原理的理解有更加直觀的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏妍娜，趙勝.工業(yè)4.0正在發(fā)生的未來[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] 鄭堤，唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[3] 楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲盛.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 霍孟友.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.