智能化健康多功能黑板的设计研究

(合肥职业技术学院，安徽 合肥 230012)

0 引言

黑板作为教学过程中的常用工具，在教学中有着极其重要的作用。一直以来，大部分学校教师在授课时主要利用传统工艺黑板进行板书。在写满粉笔字后，得用黑板擦慢慢地擦干净，效率较低，浪费教学时间，且在板书和擦除的过程中会产生大量的粉尘。科学研究显示，在传统黑板擦拭过程中造成粉尘污染，易引发慢性呼吸道疾病，无论对学生的学习效率还是身心健康都十分不利。此外，传统黑板一般为平面式，它板书面积小、空间利用率低，随着当代倡导健康生活和教育改革及学校对课堂教学环境的重视，设计研究一种健康、多功能自洁黑板意义重大。

1 现状分析

1.1 国内外使用现状

国内市场目前现有的黑板主要有推拉式、复合电子式黑板、普通无尘白板等种类，推拉式黑板设计使用粉笔作为书写材料，对人体健康就有一定危害，书写后采用人工擦拭，花费时间多，效率低，且产生的粉尘对教室的污染危害极大，对教学工作带来诸多不便。

复合电子黑板是普通的多媒体电子黑板，也是许多学校常用的黑板，但投影仪的屏幕一旦放下，黑板便会被遮住，导致老师上课“黑板投影二选一”的局面。这局限了老师的课堂表达方式，同时，由于使用电子教学，老师上课进度加快，也使学生们难以摘抄笔记，跟上老师的节奏。

普通无尘白板采用了白色板面，利用油性水笔书写，避免了粉尘的危害，但其结构设计过于简单，使用面积小，且没有实现自动化的功能。因而没有得到很好的推广使用，主要用于商业产品，广告的演示等。

1.2 国外使用现状

在国外主要有两种形式的黑板:影音类和交互类。借助高科技手段使传统的书写式黑板实现了多功能化，但因其价格昂贵而无法在国内进行普遍推广。

2 健康多功能自洁黑板的设计

2.1 设计思路

本文中所设计的智能化健康多功能黑板，在传统黑板基础上，结合PLC控制技术、电机驱动装置，同时增加了擦干海绵组件、黑板擦清洁组件、升降驱动系统等装置，利用PLC控制器操控升降驱动装置带动黑板擦清洁组件上下往复运动擦掉黑板上的粉笔字，然后操控升降驱动装置带动擦干海绵组件上下往复运动擦干湿润的黑板，实现黑板的快速清洁，操作智能化，健康环保，且效率高。

2.2 结构设计

本文所设计的智能化健康多功能黑板其结构包括黑板本体，黑板本体前侧面上设有一横向分布的擦干海绵组件、横向分布的黑板擦清洁组件A、用于驱动黑板擦清洁组件及擦干海绵组件分别直线上下往复运动的升降驱动系统。其结构如图1所示。

升降驱动系统包括固定在黑板本体前侧面两端的升降驱动装置B、1个PLC控制器，升降驱动装置包括竖向分布的丝杆8、固定连接于丝杆并用于驱动丝杆旋转的第一旋转驱动电机、螺纹连接在丝杆上的升降台6，升降台上固定有一升降座7，第一旋转驱动电机连接于PLC控制器；利用PLC控制器操控第一旋转驱动电机正反转进而带动丝杆正反转，进而促使升降台6实现上下移动。黑板本体前侧面两端分别固定有一防护壳，两端防护壳相对分布的两侧面为敞口结构，升降驱动装置B置于防护壳内，擦干海绵组件及黑板擦清洁组件均位于两端防护壳之间。

擦干海绵组件包括第一固定板、固定在其后侧面上朝向黑板本体前侧面分布的擦干海绵，黑板本体前侧面顶部固定有一横向分布的顶板，第一固定板顶面磁性吸附悬挂在顶板底面上；升降座7顶面上嵌入有一连接于PLC控制器的第一电动伸缩杆10，第一固定板底面两端分别嵌入铺设有与第一电动伸缩杆的伸缩端相磁性吸附的第一磁性层的第一连接槽。两端第一电动伸缩杆伸缩端在第一连接槽内的吸附固定作用力大于第一固定板与顶板之间的吸附固定作用力。

黑板擦清洁组件A包括第二固定板4、固定在第二固定板底面上的黑板擦吸水布2、横向分布地固定在黑板本体前侧面底端上的集水盒1，集水盒顶部开设有与黑板擦吸水布2相对应的进出口，方便黑板擦吸水布进出集水盒；黑板擦吸水布在不使用情况下都处于集水盒内但并不与集水盒内的水接触，只是吸收集水盒内蒸发的水气以保持湿润状态。升降座上固定有电连接于PLC控制器的第二旋转驱动电机5，第二旋转驱动电机的旋转轴上固定有一固定座11，固定座上嵌入有一电连接于PLC控制器的第二电动伸缩杆12，第二固定板4顶面两端分别嵌入铺设有与第二电动伸缩杆12的伸缩端相磁性吸附的第二磁性层的第二连接槽。

1.集水盒，2.黑板擦吸水布，3.第二连接槽，4.第二固定板，5.第二旋转驱动机，6.升降台，7.升降座，8.丝杆，10.第一电动伸缩杆，11.固定座，12.第二电动伸缩杆，A.黑板擦清洁组件，B.升降驱动装置

图1黑板擦清洁组件及升降驱动装置示意图

2.3 具体实施方式

当需要擦黑板时，利用PLC控制器操控升降驱动装置带动固定座接触至第二固定板顶面，操控第二电动伸缩杆的伸缩端伸长并吸附固定在第二连接槽内，实现固定座与第二固定板的连接，进而可以通过升降驱动装置带动黑板擦清洁组件上移，将黑板擦吸水布从集水盒内取出，并操控第二旋转驱动电机促使第二固定板旋转，使湿润的黑板擦吸水布转至接触黑板本体前侧面状态，然后升降台上升驱使黑板擦清洁组件上移，利用黑板擦吸水布擦掉黑板本体上的粉笔字。

当第二固定板运动至黑板顶端后，PLC控制器操控第一电动伸缩杆的伸缩端伸长并吸附固定在擦干海绵组件第一固定板的第一连接槽内，然后升降驱动装置的升降台开始下移，第一固定板克服与顶板的吸附作用也随之下移，进而可以利用擦干海绵将湿润的黑板本体前侧面擦干。

当黑板擦清洁组件在升降驱动装置的带动下返回至集水盒上方后，第二旋转驱动电机驱动固定座旋转进而第二固定板旋转使黑板擦吸水布位于第二固定板下方对应集水盒进出口上方的位置，然后升降驱动装置的升降台继续下移，以使黑板擦吸水布置于集水盒内、第二固定板置于集水盒上且固定座抵压住第二固定板，通过PLC控制器促使第二电动伸缩杆伸缩端收缩，即可解除固定座与第二固定板之间的固定关系，然后升降驱动装置的升降台开始上移带动擦干海绵上移，再一次擦干黑板。

当第一固定板随升降台升至黑板顶部时，第一固定板吸附悬挂在顶板底面上且升降座抵压住第一固定板，PLC控制器操控第一电动伸缩杆的伸缩端收缩，解除与第一固定板的第一连接槽的吸附连接关系；然后升降台下移复位等待下一次清洁黑板工作，如此便完成一个完整的黑板清洁工作。整个过程通过PLC控制器写入程序实现智能化操作，使用方便，效率高，清洁效果好。

当单个的黑板本体书写面积不够用时，可以根据需要将辅助黑板体利用其滑动性能拉出；将辅助黑板体拉出后，其与黑板本体是处于平行状态的，为了配合教学需要，也可以利用辅助黑板体与上下2个旋转连接柱的旋转连接关系而实现将辅助黑板体以一定的旋转角度转动连接在上下两导向板之间，进而实现与黑板本体之间的不同夹角配合，适用性强，操纵灵活。

同时，其黑板本体及辅助黑板体前侧面上分别按照矩形阵列的方式均匀分布有若干个定位点。利用这些定位点，十分方便绘制坐标、图形或者充当参照点等，功能多样。

3 优化设计

1)健康、环保。整个过程实现无尘化，保证上课环境的舒适健康，避免粉尘对老师和学生带来的危害。

2)智能、自动化程度高，操作便捷、高效。可实现书写区域的全自动擦拭，为课堂教学或培训节约宝贵的时间。

3)简洁，美观，占用空间小。当单个的黑板本体书写面积不够用时，可以根据需要将置于黑板本体后侧的辅助黑板体从两侧拉出，根据书写需要可随时便捷的扩大书写面积。

4)多功能，利用定位点，方便书写者绘制坐标、图形或者充当参照点等，功能多样。