创新性自动化课堂设计

李文伟　何坤杰　王敏　贾先

摘 要：设计了涵盖多种功能的未来课堂。黑板采用传送导轨增大可用面积，板擦采用曲柄摇杆机构；窗户利用光线感应控制系统，控制百叶窗合理采光；天花板采用LED灯，节能环保寿命长；投影仪采用3D全息投影，使教学更加生动形象；室内装有自动传送导轨，方便传送教学实验教具；多功能桌椅可随时调节高度，自由移动，桌子可以自由排列，可调为传统教学模式，自由教学模式。

关键词：自动取物 传送导轨 曲柄摇杆机构 光线感应控制系统

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0140-02

“未来课堂”是专门为了课堂更加形象化，自动化，趣味性，使老师教学更加轻松自如，学生学习更加得心应手而设计的。未来课堂有五大创新点，自动取物讲桌可以方便地为老师取放教学用具；自动化黑板可以自动擦拭黑板，并且减少粉尘污染；感光百叶窗根据光的强弱自动采取合理光线以保持教室亮度；自动变位课桌可实现不同教学模式（如：传统教学、讨论式教学等）；LED灯可实现亮度调节提供合理照明。（如图1）

1 研制背景及意义

为了能够更方便老师的教学与学生学习，教室发生着巨大的变化。传统的教室从普通的黑板、桌椅、门窗到现在的多媒体教学，不管是桌椅还是教学用具无处不透漏着科技的运用与发展。随着现代科技的更加发展，中国版“工业4.0”是我们未来10年的国之大略[1]。教室必定还会发生更大的变化。

我们采用电控制与光电控制，加以机械机构与机械动，使用机电一体化技术，机电一体化是科学技术发展的必然趋势[2]，使我们所学知识得到充分利用，应用到我们能够获得知识的地方。

2 制作中解决的关键技术问题

“未来课堂”的组织的架构，如图2所示。

2.1 自动取物讲桌

凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和白自动化机械中应用非常广泛[3]。自动讲桌功能凸轮机构来实现，它一共分成三层：第一层是用于传统教学的作用；第二层是放置的是由凸轮与旋转圆盘组成的自动取物系统；第三层是讲桌的底部，且凸轮的底座固定在讲桌第三层。在以往的教学中，老师所用的教学用具都是放置在课桌的表面，这样一方面看起来比较杂乱；另一方面对讲桌的卫生不是很好以及有损教学效率。为了让老师所用教具放置有规律以及实现自动取放教具，提高教学效率，自动取物系统通过凸轮与旋转圆盘相结合，采用合理电路，自动实现凸轮将老师在旋转圆盘上指定的教具顺利传送到讲桌的第一层，以供老师教学。

2.2 自动变位课桌

单片机具有小巧、低功耗、控制能力强、价格低廉的优点，特别适用于机、电、仪一体化产品，已经广泛的应用于各个领域[4]。自动变位课桌利用单片机控制，可以前后运动，旋转运动，将所有课桌组成不同的形态，来实现不同的的教学模式。我们以往的课桌都是固定不动的。传送系统的设计，可以把以往的固定的课桌按照人的意愿变换位置，电机采用正反转，课桌通过齿轮实现前后变换位置；使课堂更加趣味、生动，教学模式的多样化，学生的学习效率更加高，学习气氛更加浓厚。

2.3 自动采光百叶窗

教室的光线是否合理对学生学习的效果很重要，所以教室采光的要求就要比较高。感光百叶窗的设计灵感来源于百叶窗与光电学控制的综合。百叶窗能够实现手动的开合，而光电学控制告诉我们，光的强弱可以改变光敏电阻阻值的大小。两者巧妙的结合，光感应系统安置在百叶窗的合理处，根据的教室光线的强弱，光感应系统控制百叶窗的开合，从而控制百叶窗的采光，给教室提供合理的光线。

2.4 黑板清理系统

在人为擦拭黑板时，不仅擦拭麻烦费力而且粉尘会对学生与老师的身体健康不利。为了防止人为擦拭黑板带来的粉尘危害，以及节省人力，提高学习效率，自动擦拭黑板会自行清理黑板板面。

黑板清理系統是由电机带动轴转动从而带动皮带转动与一个曲柄滑块机构组成。皮带当做黑板板面，黑板檫为曲柄滑块机构中的滑块。当黑板正面版面要清理时，皮带会通过轴转到黑板反面，在转动的同时，曲柄滑块机构也开在始工作，滑块开始清理黑板板面。

2.5 照明系统

教室的天花板都是采用LED灯照明，比较传统的照明系统，LED灯在等亮度下能够更加省电。由于采用特殊的电路设计，教室的LED灯能够自行调节亮度，达到了节能又环保的功效。

3 后期设想

为了能够让学生更加直观的了解机构和传动关系，我们在教室装有3D全析投影模型，就现在科技而言是可以实现的，但是由于其技术要求较高，所以我们只能直接引用，但是其作用必定是不可估量的。并且我们的地面导轨能够更巧妙地配合它，把桌椅围成一个圈，方便教学，使教学工作更加顺利。

我们的教室地面分为两层，上层采用蜂窝状材料，能够实现粉尘掉落，下层有一前后运动的清理棒，把灰尘清理。此畅想最大的难度是蜂窝状材料的选择。

我们在窗户上装有光线过滤器，根据各种光的波长、频率等，过滤掉不需要的光线，以减少反光。

4 结语

未来课堂的设备具有更多的自动化功能，可以有效提高老师教学效果，使学生对学习产生更浓厚的兴趣。这些设备还可以避免一些危害，如“自动擦拭黑板”可以避免粉笔灰带来的危害。最重要的是每一件设备都可以单独当做一件教具，给学生提供更加形象的学习条件，让学生对相关原理的理解有更加直观的认识。

参考文献

[1] 夏妍娜，赵胜.工业4.0正在发生的未来[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2] 郑堤，唐可洪.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，2015.

[3] 杨可桢，程光蕴，李仲盛.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 霍孟友.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2013.