創(chuàng)新性自動化課堂設計

李文偉　何坤杰　王敏　賈先

摘 要：設計了涵蓋多種功能的未來課堂。黑板采用傳送導軌增大可用面積，板擦采用曲柄搖桿機構(gòu)；窗戶利用光線感應控制系統(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，使教學更加生動形象；室內(nèi)裝有自動傳送導軌，方便傳送教學實驗教具；多功能桌椅可隨時調(diào)節(jié)高度，自由移動，桌子可以自由排列，可調(diào)為傳統(tǒng)教學模式，自由教學模式。

關鍵詞：自動取物 傳送導軌 曲柄搖桿機構(gòu) 光線感應控制系統(tǒng)

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0140-02

“未來課堂”是專門為了課堂更加形象化，自動化，趣味性，使老師教學更加輕松自如，學生學習更加得心應手而設計的。未來課堂有五大創(chuàng)新點，自動取物講桌可以方便地為老師取放教學用具；自動化黑板可以自動擦拭黑板，并且減少粉塵污染；感光百葉窗根據(jù)光的強弱自動采取合理光線以保持教室亮度；自動變位課桌可實現(xiàn)不同教學模式（如：傳統(tǒng)教學、討論式教學等）；LED燈可實現(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與學生學習，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，不管是桌椅還是教學用具無處不透漏著科技的運用與發(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]。教室必定還會發(fā)生更大的變化。

我們采用電控制與光電控制，加以機械機構(gòu)與機械動，使用機電一體化技術，機電一體化是科學技術發(fā)展的必然趨勢[2]，使我們所學知識得到充分利用，應用到我們能夠獲得知識的地方。

2 制作中解決的關鍵技術問題

“未來課堂”的組織的架構(gòu)，如圖2所示。

2.1 自動取物講桌

凸輪機構(gòu)是機械中的一種常用機構(gòu)，在自動化和白自動化機械中應用非常廣泛[3]。自動講桌功能凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)，它一共分成三層：第一層是用于傳統(tǒng)教學的作用；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。在以往的教學中，老師所用的教學用具都是放置在課桌的表面，這樣一方面看起來比較雜亂；另一方面對講桌的衛(wèi)生不是很好以及有損教學效率。為了讓老師所用教具放置有規(guī)律以及實現(xiàn)自動取放教具，提高教學效率，自動取物系統(tǒng)通過凸輪與旋轉(zhuǎn)圓盤相結(jié)合，采用合理電路，自動實現(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。

2.2 自動變位課桌

單片機具有小巧、低功耗、控制能力強、價格低廉的優(yōu)點，特別適用于機、電、儀一體化產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛的應用于各個領域[4]。自動變位課桌利用單片機控制，可以前后運動，旋轉(zhuǎn)運動，將所有課桌組成不同的形態(tài)，來實現(xiàn)不同的的教學模式。我們以往的課桌都是固定不動的。傳送系統(tǒng)的設計，可以把以往的固定的課桌按照人的意愿變換位置，電機采用正反轉(zhuǎn)，課桌通過齒輪實現(xiàn)前后變換位置；使課堂更加趣味、生動，教學模式的多樣化，學生的學習效率更加高，學習氣氛更加濃厚。

2.3 自動采光百葉窗

教室的光線是否合理對學生學習的效果很重要，所以教室采光的要求就要比較高。感光百葉窗的設計靈感來源于百葉窗與光電學控制的綜合。百葉窗能夠?qū)崿F(xiàn)手動的開合，而光電學控制告訴我們，光的強弱可以改變光敏電阻阻值的大小。兩者巧妙的結(jié)合，光感應系統(tǒng)安置在百葉窗的合理處，根據(jù)的教室光線的強弱，光感應系統(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，不僅擦拭麻煩費力而且粉塵會對學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，提高學習效率，自動擦拭黑板會自行清理黑板板面。

黑板清理系統(tǒng)是由電機帶動軸轉(zhuǎn)動從而帶動皮帶轉(zhuǎn)動與一個曲柄滑塊機構(gòu)組成。皮帶當做黑板板面，黑板檫為曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊。當黑板正面版面要清理時，皮帶會通過軸轉(zhuǎn)到黑板反面，在轉(zhuǎn)動的同時，曲柄滑塊機構(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計，教室的LED燈能夠自行調(diào)節(jié)亮度，達到了節(jié)能又環(huán)保的功效。

3 后期設想

為了能夠讓學生更加直觀的了解機構(gòu)和傳動關系，我們在教室裝有3D全析投影模型，就現(xiàn)在科技而言是可以實現(xiàn)的，但是由于其技術要求較高，所以我們只能直接引用，但是其作用必定是不可估量的。并且我們的地面導軌能夠更巧妙地配合它，把桌椅圍成一個圈，方便教學，使教學工作更加順利。

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，下層有一前后運動的清理棒，把灰塵清理。此暢想最大的難度是蜂窩狀材料的選擇。

我們在窗戶上裝有光線過濾器，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

未來課堂的設備具有更多的自動化功能，可以有效提高老師教學效果，使學生對學習產(chǎn)生更濃厚的興趣。這些設備還可以避免一些危害，如“自動擦拭黑板”可以避免粉筆灰?guī)淼奈：ΑＷ钪匾氖敲恳患O備都可以單獨當做一件教具，給學生提供更加形象的學習條件，讓學生對相關原理的理解有更加直觀的認識。

參考文獻

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

[2] 鄭堤，唐可洪.機電一體化設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[3] 楊可楨，程光蘊，李仲盛.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 霍孟友.單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.