基于自動化技術的黑板清潔方案研究

左大利+周銳強

摘要：粉筆和黑板為人類教育事業做出了重大貢獻，然而傳統的清潔方式污染教室環境，加速現代教學儀器和設備的老化，危害到師生的身心健康。利用自動化技術研究新的黑板清潔方案，提高黑板清潔的自動化程度，既保留了傳統的粉筆和黑板的優勢，又避免了環境污染，延長了現代化教學儀器和設備的使用壽命，確保了師生的身心健康。

關鍵詞：粉筆；黑板；粉塵；自動化技術；黑板清潔方案 文獻標識碼：A

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

1 粉筆的“功”與“過”

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

當然，粉筆和黑板給人類教育事業做出巨大貢獻的同時，也給教室環境、師生的身心健康等方面帶來了巨大的危害，主要原因是傳統的黑板擦和擦黑板的方法存在諸多不足：

1.1 效率低

傳統黑板擦雖然小巧、使用方便靈活，然而正因為其占地面積小，導致擦拭整個黑板所需要的時間長，效率低下。

1.2 勞動強度大

黑板使用時間一長，黑板的擦拭效果就會越來越差，如果寫在黑板上的字跡不及時擦除，粉塵就會沉積在黑板表面，導致很難擦除，經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

黑板擦使用時間一長，毛刷表面就會沉積很多粉塵，導致擦拭黑板的時候，雖然把字跡擦除掉了，但是卻留下很多粉塵在黑板表面，導致黑板出現“大花臉”現象，從而影響書寫效果和觀看效果。

1.4 污染環境

擦拭黑板產生的粉塵“滿天飛舞”，而且漂浮在空中的時間長，落得滿地都是，尤其是黑板下面的凸臺，經常堆滿了粉塵也無人清除，嚴重污染了環境。

1.5 影響設備使用壽命

粉塵像空氣一樣，無孔不入，它沉積在電腦、投影儀及其他教學設備和實驗儀器上，嚴重影響了這些設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程中，手上、手臂上、身上都沾滿了粉塵，整個人都“籠罩”在粉塵當中，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“職業病”。除了教師之外，坐在靠前排的學生也深受其害。

2 黑板清潔方案現狀

為了緩解上述矛盾，部分同學在老師的指導下進行了黑板清潔方案的研究，主要包含兩個方面：

2.1 對無塵黑板的探索

武昌工學院的夏凡等同學、內蒙古工業大學的彭亞洲等同學將原來的硬板黑板設計成軟體黑板，在書寫過后，可以將軟體黑板有字的一面轉到另一邊清除粉塵，清除完畢后再轉回原位使用。江南大學的熊雪梅等同學設計了箱式無塵黑板，黑板書寫以后，整個粉塵的清除過程在密閉的箱體里面完成，以此來減少粉塵污染問題。除此之外，還有其他一些類似的處理方案。無塵黑板的設計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”，但是這些設計方案都是需要黑板本身發生運動，且結構類似于一個箱體，因此體積較大，如果裝在墻上，會顯得比較突出，將會占據教室相對較大的空間，可能不太美觀。

2.2 對黑板擦的創新

貴州理工學院的林棟同學依據吸塵器的原理設計了一種可以擦拭黑板并吸收粉塵的黑板擦。南京科技職業學院的楊偉偉設計了一款擦拭黑板和吸收粉塵的自動黑板擦清理器的基本結構。西南科技大學的王佳佳等同學設計了一種智能吸塵黑板刷，可以通過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主要功能，但是有的僅停留在設計階段，有的付之實施，但是效果還未可知。

總的來說，市場上暫未見上述處理方案的產品出現，說明這些方案還不成熟，還需要繼續深入研究，從而為黑板清潔提出一個切實可行的解決方案，徹底改變目前教學條件的現狀，為師生創造一個清新的學習環境。

3 黑板清潔方案功能需求分析

根據前述目前黑板清潔方式帶來的危害性及親身經歷，針對黑板的自動清潔方案應該至少包含以下三個方面的功能：

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，擦拭黑板的過程必然造成粉塵的“漫天飛舞”現象，這也是危害根源。因此，在擦拭黑板的同時，必須考慮如何將粉塵限定在一個封閉的區域內，并收集到一個容器當中，防止出現粉塵“漫天飛舞”的場面，確保教室有一個清新的環境。

3.3 黑板清洗功能

在黑板實際的使用過程中發現，經過長期書寫的黑板會出現粉塵沉積難以清除的現象，從而導致黑板出現“大花臉”。因此為進一步強化粉塵清除的力度，確保黑板一直處于最佳的使用狀態，可以設計一個自動清洗功能。該功能只在晚上、周末等相對較長時間不使用黑板的時候開啟，用水將黑板徹底清洗干凈，盡量延長黑板的使用壽命，提高使用效果。

4 黑板清潔方案設計

根據上述功能需求分析，并綜合考慮黑板本身的結構尺寸和安裝方式等因素，項目組初步確定了基于自動化技術的黑板清潔方案：設計一種黑板擦拭機器人實現黑板清潔過程中的三大主要功能，并對該裝置的總體結構、機械系統和控制系統等三大主要功能模塊分別進行了設計。

4.1 總體結構設計

總體結構設計及安裝如圖1所示。以黑板縱向尺寸為基本設計尺寸，將黑板擦拭機器人設計成一個長方體結構。擦拭黑板、收集粉塵、清洗黑板等主要功能都集成在這里面。整個系統由機械系統和控制系統兩大部分組成。

4.2 機械系統設計

機械系統主要由行走機構、擦拭機構、粉塵收集機構、清洗機構等部分組成。

行走機構由齒輪齒條傳動、由步進電機驅動，完成黑板擦拭機器人的左右來回行走動作；擦拭機構采用三角柱體結構，三角柱體三面均安裝有可拆卸的毛刷，可以實現轉位擦拭，也由步進電機驅動。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；粉塵收集機構采用軸流風扇配過濾袋的方式，擦拭時自動開啟風扇吸收粉塵，并將粉塵輸送到容器中存儲起來，以防粉塵隨風漂流，污染環境；清洗機構采用水箱儲水、水泵供水，毛刷刷洗的結構。但上課時間不用，以防黑板不能及時晾干，影響書寫而出現“大花臉”的現象。只有在周末等較長時間不使用黑板時，才進行噴水徹底清洗，并留夠充足的時間讓黑板自行晾干，以盡可能保證黑板的使用效果。

4.3 控制系統設計

控制系統主體采用PLC的控制方式。其中操作界面采用電容式彩色觸摸屏，并搭配急停開關等按鈕的控制模式；控制軟件采用PLC梯形圖的方式，整個系統穩定可靠、操作簡單。

5 結語

該項目是一個典型的機電一體化系統，既可以作為高職院校機電一體化技術專業、機器人專業項目化教學的實施案例，又可以解決教學中的實際問題。研制出的樣機經過測試合格后可以批量生產而應用于實踐當中，從而實現產業化產生經濟效益和社會效益。從目前各類學校對黑板的使用情況可知，全國大、中、小學以及其他培訓場所使用的粉筆和黑板的數量是非常可觀的，若全部配上自動擦拭黑板的機器人，將產生極大的經濟效益。除此之外，擦拭黑板的機器人本身是為了解決粉塵污染環境、影響教學設備及儀器的使用壽命、傷害師生身心健康的問題而開發的，這些價值也至關重要，而且是用金錢無法購買的。

參考文獻

[1] 夏凡，李銘，張融，等.自動無塵黑板關鍵技術的研 究[J].機械工程與自動化，2015，（5）.

[2] 彭亞洲，劉慶，王亞茹，等.自動清理無塵黑板的設 計研究[J].中小企業管理與科技，2016，（21）.

[3] 熊雪梅，許興竹，朱立佳，等.箱式無塵黑板[J].機 械工程師，2014，（10）.

[4] 林棟.一種無塵黑板擦的設計研究[J].科技傳播， 2016，1（下）.

[5] 楊偉偉.基于UG軟件的自動黑板擦清理器設計方案 探討[J].中國新技術新產品，2016，2（下）.

[6] 王佳佳，唐雪梅，高遠.一種新型智能吸塵黑板刷 [J].機械，2014，（8）.

基金項目：2016年度廣東省大學生科技創新培育專項資金項目“一種自動擦拭黑板的機器人”（編號：pdjh2016b0801）。

作者簡介：左大利（1982-），男，湖北人，東莞職業技術學院講師，研究方向：數控技術及高等職業教育；周銳強（1995-），男，廣東人，東莞職業技術學院大三學生。

（責任編輯：黃銀芳）