基于自動(dòng)化技術(shù)的黑板清潔方案研究

左大利+周銳強(qiáng)

摘要：粉筆和黑板為人類教育事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)，然而傳統(tǒng)的清潔方式污染教室環(huán)境，加速現(xiàn)代教學(xué)儀器和設(shè)備的老化，危害到師生的身心健康。利用自動(dòng)化技術(shù)研究新的黑板清潔方案，提高黑板清潔的自動(dòng)化程度，既保留了傳統(tǒng)的粉筆和黑板的優(yōu)勢(shì)，又避免了環(huán)境污染，延長(zhǎng)了現(xiàn)代化教學(xué)儀器和設(shè)備的使用壽命，確保了師生的身心健康。

關(guān)鍵詞：粉筆；黑板；粉塵；自動(dòng)化技術(shù)；黑板清潔方案 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH122 文章編號(hào)：1009-2374（2016）36-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.010

1 粉筆的“功”與“過(guò)”

粉筆和黑板是從小學(xué)課堂到大學(xué)課堂的必備教學(xué)工具，它從誕生之日起就為人類教育事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，盡管現(xiàn)在出現(xiàn)了各種各樣的現(xiàn)代化的教學(xué)工具和設(shè)備，但是粉筆和黑板仍然是不可替代的。

當(dāng)然，粉筆和黑板給人類教育事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也給教室環(huán)境、師生的身心健康等方面帶來(lái)了巨大的危害，主要原因是傳統(tǒng)的黑板擦和擦黑板的方法存在諸多不足：

1.1 效率低

傳統(tǒng)黑板擦雖然小巧、使用方便靈活，然而正因?yàn)槠湔嫉孛娣e小，導(dǎo)致擦拭整個(gè)黑板所需要的時(shí)間長(zhǎng)，效率低下。

1.2 勞動(dòng)強(qiáng)度大

黑板使用時(shí)間一長(zhǎng)，黑板的擦拭效果就會(huì)越來(lái)越差，如果寫在黑板上的字跡不及時(shí)擦除，粉塵就會(huì)沉積在黑板表面，導(dǎo)致很難擦除，經(jīng)常需要使用較大的力度去擦除陳舊的字跡，很消耗體力。

1.3 擦不干凈

黑板擦使用時(shí)間一長(zhǎng)，毛刷表面就會(huì)沉積很多粉塵，導(dǎo)致擦拭黑板的時(shí)候，雖然把字跡擦除掉了，但是卻留下很多粉塵在黑板表面，導(dǎo)致黑板出現(xiàn)“大花臉”現(xiàn)象，從而影響書寫效果和觀看效果。

1.4 污染環(huán)境

擦拭黑板產(chǎn)生的粉塵“滿天飛舞”，而且漂浮在空中的時(shí)間長(zhǎng)，落得滿地都是，尤其是黑板下面的凸臺(tái)，經(jīng)常堆滿了粉塵也無(wú)人清除，嚴(yán)重污染了環(huán)境。

1.5 影響設(shè)備使用壽命

粉塵像空氣一樣，無(wú)孔不入，它沉積在電腦、投影儀及其他教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器上，嚴(yán)重影響了這些設(shè)備和儀器的使用壽命。

1.6 影響師生的身心健康

教師在擦拭黑板的過(guò)程中，手上、手臂上、身上都沾滿了粉塵，整個(gè)人都“籠罩”在粉塵當(dāng)中，極易引起塵肺以及其他慢性呼吸道疾病，就是我們所熟知的“職業(yè)病”。除了教師之外，坐在靠前排的學(xué)生也深受其害。

2 黑板清潔方案現(xiàn)狀

為了緩解上述矛盾，部分同學(xué)在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行了黑板清潔方案的研究，主要包含兩個(gè)方面：

2.1 對(duì)無(wú)塵黑板的探索

武昌工學(xué)院的夏凡等同學(xué)、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的彭亞洲等同學(xué)將原來(lái)的硬板黑板設(shè)計(jì)成軟體黑板，在書寫過(guò)后，可以將軟體黑板有字的一面轉(zhuǎn)到另一邊清除粉塵，清除完畢后再轉(zhuǎn)回原位使用。江南大學(xué)的熊雪梅等同學(xué)設(shè)計(jì)了箱式無(wú)塵黑板，黑板書寫以后，整個(gè)粉塵的清除過(guò)程在密閉的箱體里面完成，以此來(lái)減少粉塵污染問(wèn)題。除此之外，還有其他一些類似的處理方案。無(wú)塵黑板的設(shè)計(jì)考慮到了擦拭黑板這一最主要功能，也防止了粉塵的“漫天飛舞”，但是這些設(shè)計(jì)方案都是需要黑板本身發(fā)生運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)箱體，因此體積較大，如果裝在墻上，會(huì)顯得比較突出，將會(huì)占據(jù)教室相對(duì)較大的空間，可能不太美觀。

2.2 對(duì)黑板擦的創(chuàng)新

貴州理工學(xué)院的林棟同學(xué)依據(jù)吸塵器的原理設(shè)計(jì)了一種可以擦拭黑板并吸收粉塵的黑板擦。南京科技職業(yè)學(xué)院的楊偉偉設(shè)計(jì)了一款擦拭黑板和吸收粉塵的自動(dòng)黑板擦清理器的基本結(jié)構(gòu)。西南科技大學(xué)的王佳佳等同學(xué)設(shè)計(jì)了一種智能吸塵黑板刷，可以通過(guò)遙控使得黑板刷在黑板上自由游走，從而擦拭黑板并吸收粉塵。這些關(guān)于黑板清潔方案的研究都涉及到了擦拭黑板和吸收粉塵兩個(gè)主要功能，但是有的僅停留在設(shè)計(jì)階段，有的付之實(shí)施，但是效果還未可知。

總的來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上暫未見上述處理方案的產(chǎn)品出現(xiàn)，說(shuō)明這些方案還不成熟，還需要繼續(xù)深入研究，從而為黑板清潔提出一個(gè)切實(shí)可行的解決方案，徹底改變目前教學(xué)條件的現(xiàn)狀，為師生創(chuàng)造一個(gè)清新的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3 黑板清潔方案功能需求分析

根據(jù)前述目前黑板清潔方式帶來(lái)的危害性及親身經(jīng)歷，針對(duì)黑板的自動(dòng)清潔方案應(yīng)該至少包含以下三個(gè)方面的功能：

3.1 黑板擦拭功能

在課堂上，黑板書寫以后，如何快速干凈地擦掉粉塵，以供老師再次板書，是最為基本最為重要的功能，因此必須將黑板擦拭功能放在首位考慮，確保能夠快速干凈地清除粉塵。

3.2 粉塵收集功能

正如上述分析，擦拭黑板的過(guò)程必然造成粉塵的“漫天飛舞”現(xiàn)象，這也是危害根源。因此，在擦拭黑板的同時(shí)，必須考慮如何將粉塵限定在一個(gè)封閉的區(qū)域內(nèi)，并收集到一個(gè)容器當(dāng)中，防止出現(xiàn)粉塵“漫天飛舞”的場(chǎng)面，確保教室有一個(gè)清新的環(huán)境。

3.3 黑板清洗功能

在黑板實(shí)際的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期書寫的黑板會(huì)出現(xiàn)粉塵沉積難以清除的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致黑板出現(xiàn)“大花臉”。因此為進(jìn)一步強(qiáng)化粉塵清除的力度，確保黑板一直處于最佳的使用狀態(tài)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)清洗功能。該功能只在晚上、周末等相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間不使用黑板的時(shí)候開啟，用水將黑板徹底清洗干凈，盡量延長(zhǎng)黑板的使用壽命，提高使用效果。

4 黑板清潔方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能需求分析，并綜合考慮黑板本身的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝方式等因素，項(xiàng)目組初步確定了基于自動(dòng)化技術(shù)的黑板清潔方案：設(shè)計(jì)一種黑板擦拭機(jī)器人實(shí)現(xiàn)黑板清潔過(guò)程中的三大主要功能，并對(duì)該裝置的總體結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等三大主要功能模塊分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝如圖1所示。以黑板縱向尺寸為基本設(shè)計(jì)尺寸，將黑板擦拭機(jī)器人設(shè)計(jì)成一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。擦拭黑板、收集粉塵、清洗黑板等主要功能都集成在這里面。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。

4.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要由行走機(jī)構(gòu)、擦拭機(jī)構(gòu)、粉塵收集機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)等部分組成。

行走機(jī)構(gòu)由齒輪齒條傳動(dòng)、由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成黑板擦拭機(jī)器人的左右來(lái)回行走動(dòng)作；擦拭機(jī)構(gòu)采用三角柱體結(jié)構(gòu)，三角柱體三面均安裝有可拆卸的毛刷，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位擦拭，也由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。毛刷可以清洗也可以更換；確保毛刷本身不沉積粉塵，從而保證擦拭黑板的效果；粉塵收集機(jī)構(gòu)采用軸流風(fēng)扇配過(guò)濾袋的方式，擦拭時(shí)自動(dòng)開啟風(fēng)扇吸收粉塵，并將粉塵輸送到容器中存儲(chǔ)起來(lái)，以防粉塵隨風(fēng)漂流，污染環(huán)境；清洗機(jī)構(gòu)采用水箱儲(chǔ)水、水泵供水，毛刷刷洗的結(jié)構(gòu)。但上課時(shí)間不用，以防黑板不能及時(shí)晾干，影響書寫而出現(xiàn)“大花臉”的現(xiàn)象。只有在周末等較長(zhǎng)時(shí)間不使用黑板時(shí)，才進(jìn)行噴水徹底清洗，并留夠充足的時(shí)間讓黑板自行晾干，以盡可能保證黑板的使用效果。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主體采用PLC的控制方式。其中操作界面采用電容式彩色觸摸屏，并搭配急停開關(guān)等按鈕的控制模式；控制軟件采用PLC梯形圖的方式，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，既可以作為高職院校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)、機(jī)器人專業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)施案例，又可以解決教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題。研制出的樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試合格后可以批量生產(chǎn)而應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。從目前各類學(xué)校對(duì)黑板的使用情況可知，全國(guó)大、中、小學(xué)以及其他培訓(xùn)場(chǎng)所使用的粉筆和黑板的數(shù)量是非常可觀的，若全部配上自動(dòng)擦拭黑板的機(jī)器人，將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，擦拭黑板的機(jī)器人本身是為了解決粉塵污染環(huán)境、影響教學(xué)設(shè)備及儀器的使用壽命、傷害師生身心健康的問(wèn)題而開發(fā)的，這些價(jià)值也至關(guān)重要，而且是用金錢無(wú)法購(gòu)買的。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2016年度廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金項(xiàng)目“一種自動(dòng)擦拭黑板的機(jī)器人”（編號(hào)：pdjh2016b0801）。

作者簡(jiǎn)介：左大利（1982-），男，湖北人，東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：數(shù)控技術(shù)及高等職業(yè)教育；周銳強(qiáng)（1995-），男，廣東人，東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院大三學(xué)生。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）