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仿蜂巢未来课堂

所属类别:产品研发 点击次数:5675386次 发布时间:2016-08-23

仿蜂巢未来课堂是在一个先进理念指导下,以互动为核心,由泛技术支持下的智能教学空间。仿蜂巢未来课堂的物理结构,由活动桌椅、多屏显示、无视差半透明投影幕、3D投影设备等构成,通过其仿蜂巢的空间构架,实现三种教学模式:集中学习模式、讨论探究模式、会议研讨模式。本作品一方面以压缩空气作为动力源,通过气缸提供动力,实现整体桌椅的升降过程;另一方面通过电机提供动力实现桌面的翻转、椅子的伸缩等过程。 未来课堂可以一室多用、便于教师组织不同的教学形式,改变了传统课堂教条化、单一化、静态化的不足,使学生由被动接受转为主动参与,真正成为课堂的主人,同时还可结合全息投影、体感交互等先进技术与设备,营造愉快的学习氛围,促进体验式教学,提高学习乐趣,最终达到增强教学效果的目的。本作品的构思是对现有课堂弊端的一种反思,是对未来教育模式的一种大胆的尝试,是广大师生对未来课堂的憧憬。在现在高信息化发展的时代背景下,这种课堂的革命必将有力地提高整个社会的教育水平。
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一、 项目背景及研究意义

课堂作为实施教学活动的主阵地,课堂对学生应该是自主和开放的。郑金洲教授较早就指出:“现有课堂的教条化、模式化、单一化、静态化的特点导致无论在课堂物理环境上还是在心理环境上均需要做出相应的改变才能满足现代教育的要求”。展望未来,传统课堂的架构如何转型适应未来教学已经成为教育研究的一个重要的领域。在未来课堂的设计方面,国内外已经有了很多的研究

台湾的《启动学习革命》一书中认为“未来教室=无所不在的学习环境+电子书包+随意教室+远距实验室+高互动教室+相连教室”。综合各类研究,未来课堂的设计将从教育的交互性、物理空间的设计以及信息技术的应用三个方面展开

互动是未来课堂的核心,未来课堂是在一个先进理念指导下,由泛技术支持下的智能教学空间。基于此,本项目拟开发一种仿蜂巢结构的未来课堂。该未来课堂的物理结构,由活动桌椅、多屏显示、桌面平板、虚拟系统、无线反馈系统、智能课堂实录系统、智能环境控制系统、视讯会议系统、泛在网络等构成。该课堂不仅采用全新的教室布局能够实现教学模式、讨论模式、会议模式的转换,还利用虚拟现实技术、无线投影技术、数字化游戏技术、移动技术、计算机仿真技术等技术实现学生体验式学习,同时采用桌面平板、虚拟系统、无线反馈系统、智能课堂实录系统等实现全面的互动教学。进而达到促进教学,实现课堂中人与资源、环境、技术等课堂诸要素的和谐交互。

二、 研究内容及研究目标

研究内容:

本项目主要研究设计一种智能体验式互动课堂,它是各种先进技术融合的一个人性化的未来课堂。其关键设计部分在于活动桌椅的布局、虚拟技术以及通讯设备的网络连接。主要研究内容如下:

1、蜂巢结构的活动桌椅优化设计,嵌入式书柜、投影幕等辅助设备布局;

2、三种教室布局模式的转换机构设计,包括桌椅的升降机构、椅的伸展机构、传动机构,投影设备升降机构、储物设备机构等设计,以及其自动化控制;

3、在教室环境设计方面,采用智能环境控制与虚拟环境构建相结合,营造舒适、高效、梦幻的教学环境;

4、无线通讯网络连接,实现互动教学。

项目目标:

基于上述内容,特拟定如下研究目标:

1. 教室布局采用仿蜂巢设计,实现空间的高效利用;

2. 多种桌椅模式间转换灵活快速,机构简洁紧凑,传动效率高;

3. 玻璃幕收放平稳快速,半透明材质,,投影清晰,实现老师幕后教学,解决幕前教学遮挡教学内容的问题;

4. 虚拟环境逼真,虚拟实验室等教学环境随意转换,肢体动作控制虚拟环境精确快速;

5. 泛在网络连接顺畅,师生交流,网络交流,远程教学,互动性好;

6. 光源、温度、色调等环境因素智能控制,学习环境舒适。

三、 项目研究的实施方案及拟采取研究方法和技术路线

3.1 总体设计方案

作品为达成上述的研究内容及目标,拟定以下五个方面进行研究设计,分别为:教室布局、桌椅控制、多媒体展示部分、嵌入式书柜、3D投影设备等五部分。


1 仿蜂巢未来课堂功能部分示意图


2 教室设计理念


本项目采用的主要机构及功能:

1)六杆联动四杆机构机构:实现教室前方玻璃幕的折叠升降。

2)旋转阵列式曲柄伸缩机构:用于讨论模式的座椅的旋进、旋出

3)连杆直线机构以及平面四连杆机构:实现教学模式下桌椅的升降以及桌面旋进旋出。

4)槽轮联动锥齿轮间歇机构:用于嵌入式书柜的旋转

3.2 功能部分介绍

3.2.1教室布局部分

为达成教室的全自动控制,教室布局如图3所示,仿蜂巢的设计不仅最优的节省了空间,也实现了教室不同的三种模式(会议模式,教学模式与讨论模式)之间的自由变换。未来教学应以学生为中心,不同的学习模式有不同的学习成果。根据《学校建筑设计规范(GBJ99-1986)》,在满足标准普通教室个人有效活动范围不低于1.37m2,前排边座的学生与黑板远端形成的水平视角不应小于30°的情况下,教室长宽拟定为13.2mX6.7m,较一般教室略长,前部预留有足够空间,用以玻璃幕有效收放以及教室足够的活动范围,后部多余空间为储物柜预留活动范围。

参照相关文献,拟设计的教室净高度为2.7m,算入底部升降机构拟定的0.5m的工作范围,其总高度为3.2m,满足建筑设计要求。教学模式下个人有效活动空间为1.45m2,讨论模式下个人有效活动空间为1.56m2,会议模式活动空间略小,为1.10m2。教学模式下座椅规格为450mmX300mm,其一端与底部升降机构联接,可绕轴旋转,方便进出,桌面设计宽度为500mm;讨论模式下,六边形桌面边长为600mm,配置座椅的弧形设计,较好的满足了人体坐姿设计需求。教室两边预留横向距离为800mm,空间最大化利用的同时,亦为师生、学生之间的交互性学习提供了足够的活动空间,整体教室布局满足建筑设计与个人活动空间的需求标准。教室的整体效果图如下图所示:

3 教室整体效果图

为达到三种不同的教学模式,我们拟设计的教室布局示意图如下图所示:

  

3.2.2多媒体教学部分

未来课堂的多媒体教学采用及黑板与投影幕功能于一体的半透明的玻璃幕,简化教室布局。玻璃幕可折叠升降,无需使用时可隐藏于教室前方的天花板中,使用时通过六杆伸展机构将玻璃幕旋转到竖直方向,进行教学使用。其规格为3mX2m,大屏幕显示为学生提供了更好的视角及更为丰富的授课内容。

控制台用于控制教室内三个模式的设置,手写屏可直接操作,其界面通过投影仪投影到玻璃幕上,由于屏幕在教师前方,避免了讲课过程中教师遮挡住授课内容的情况。










   六杆联动四杆机构机构用于教室前方玻璃幕的折叠升降,其具体运动形式为:玻璃幕不使用时水平折叠在天花板内,当玻璃幕需从天花板展开到竖直位置时,墙体中的液压装置推动滑块1水平向右运动,从而带动六杆机构按轨迹1转动,实现玻璃幕从水平位置旋转到竖直位置;同时,当玻璃幕旋转展开时,带动与之相连的平行四边形机构沿轨迹2转动,使得与玻璃幕相对带有投影仪的连杆始终与玻璃幕平行,保证投影角度。

3.2.3桌椅控制部分

桌椅的升降可实现教室内布局模式之间的转变,如会议模式即为将所有座椅升降起来,便于多种教与学的活动的混合,让学生有充分实践和问题解决的时间与空间,增加对知识的汲取与深度理解,同时配合多媒体技术,使得情景教学成为可能,增加学习的趣味性。

为实现桌椅升降这一功能,拟采用液压传动系统控制。其换向灵活,较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换, 液压泵和液压马达之间用油管连接,在空间布置上彼此不受严格限制操纵控制简便,自动化程度高很好的满足的本项目设计要求。

3.2.3.1 讨论模式主要机构

讨论模式的桌椅设计充分考虑了学习的交互性,便于在问题出现时能够及时的交流与讨论,图7为讨论模式的六边形桌椅的原理图,六个附属的凳子在桌面下方,升起桌面后周围的六个随之沿滑槽移出,椅子可绕中心轴旋转,提高了座椅的舒适度。根据未来课堂的设计理念,桌面上可翻转的玻璃面板可作为平板电脑接入端口,亦可作为3D展示设备。其外观效果图如下图所示:

6 讨论模式桌椅示意图

根据拟研究的桌椅升降设计,利用液压升降机构使得桌面升起,随即电机运转,在锥齿轮的作用下,中心轴旋转,控制椅子旋进旋出。

 

   机构旋转阵列式曲柄伸缩机构用于讨论模式的座椅的旋进、旋出,其具体运动形式为:讨论模式下,座椅需旋出时,图中中心齿轮随轴旋转,带动与之相连的旋转阵列式的六个曲柄滑块机构运动,每一曲柄滑块机构的末端链接一座椅,旋转推动时,即可实现座位的旋进、旋出。

3.2.3.2 教学模式主要机构


为达到研究内容中教学模式下桌椅的升降功能,我们拟采用液压传动,曲柄滑块的连杆直线机构以及平面四连杆机构。座椅在竖直方向上运动,桌面同时旋出,其实施机构原理如图。
























教学模式升降机构如图8所示,在液压缸作用下,滑块向右运动,使得曲柄滑块的连杆直线机构中的构件1顶部联接的座椅竖直向上运动,同时绕滑块上的铰点转动,顶端固连的锥齿轮1亦随之转动,从而带动锥齿轮2转动。链轮1与锥齿轮2同轴转动,链轮2与平面四连杆机构中的构件2固连,链轮1带动链轮2转动,从而构件2绕顺时针方向旋出,使得桌面在座椅升起的同时斜向前展开。

在此部分机构运动过程中,构件1在液压推动下,每次绕锥齿轮1轴心的旋转角度达65 ̊即可实现构件2桌面旋出130 ̊齿轮系的传动比为2,其中锥齿轮传动比为1,链轮传动比为2。

3.2.3.2 会议模式部分

拟设计的会议模式实现机构为液压升降,通过液压系统将教室全部桌椅升起,其配套的座椅同样升起。教学模式部分的桌椅配有二级升降平台,可使得教学模式的桌椅与讨论模式的桌椅升至同一高度,从而达到初设计的会议模式效果,其整体效果图如330下图所示。

3.2.4嵌入式储物柜部分

为了方便同学及老师使用及提高教室空间的利用率,拟在教室后方的墙体中嵌入书柜,书柜多面旋转,每一个面均可放置图书,便于同学和老师的使

用,同时可营造一种读书氛围。同时,空闲的书柜也可用于放置教学常用的教学仪器等类似的教学用品。

   槽轮联动锥齿轮间歇机构用于嵌入式书柜的旋转,其具体运动形式为:右侧销轮随带有锥齿轮的轴转动,间歇式地带动左侧的槽轮转动,实现带动上方三棱柱书柜的转动,各槽轮在锥齿轮的带动下可联动,同时弹簧锁死机构可用于单个书柜的独立转动。

3.2.5  3D投影设备部分

根据现有的全息投影与虚拟现实技术的发展水平,我们设计的未来课堂拟引进现有的信息技术,提高教学质量。为了提高学生的学习兴趣,增加教师的教学效果,设计引入了3D投影技术,在教室中央的天花板上装有球状3D投影设备,设备可根据组要在教室内任意位置投影出相关的三维影像,虚拟现实,使学生有身临其境的感觉,提高教学效果。顶部中央控制用以提供光源、温度、色调等环境因素智能控制的平台,提供舒适良好的学习环境。

12 顶部3D中央系统









 

 


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