適用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)應(yīng)用的新型桌椅研究

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(佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

目前的大部分課堂使用的是傳統(tǒng)的桌椅，這種桌椅不適合“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的應(yīng)用，無法更好的實現(xiàn)自由討論環(huán)節(jié)環(huán)境的需求。

“翻轉(zhuǎn)課堂”的教育方式提出以后，這種教學(xué)方式很受歡迎，同時也暴露出了一些問題，傳統(tǒng)模式的課桌椅無法完成“翻轉(zhuǎn)課堂”中的討論教學(xué)，使得教育的進(jìn)行受到阻礙，教育設(shè)施要隨著教育的改革而共同進(jìn)步，所以設(shè)計出一款適合“翻轉(zhuǎn)課堂”的桌椅刻不容緩。

1 桌椅結(jié)構(gòu)及特點

桌椅結(jié)構(gòu)見圖1，它由(1)靠背板(2)軸承(3)圓管(4)椅座(5)旋轉(zhuǎn)連接支架(6)氣桿(7)托盤(8)白板(9)桌面(10)軸套(11)帶控制開關(guān)的萬向輪構(gòu)成，其特征在于：桌椅的桌面可隨意調(diào)節(jié)高度、旋轉(zhuǎn)角度和方向，比傳統(tǒng)桌面更加靈活，適合不同的學(xué)習(xí)模式。單獨學(xué)習(xí)、老師輔導(dǎo)、小組討論可隨意切換。書桌結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，腳踏控制萬向輪的開關(guān)，老師單獨進(jìn)行輔導(dǎo)時可調(diào)整桌面至合適角度供老師對同學(xué)輔導(dǎo)，提高了老師輔導(dǎo)學(xué)生的效率。單人使用時將桌面調(diào)整至符合人機的高度，提高了空間的利用率和舒適度。當(dāng)進(jìn)行小組討論時，可控制萬向輪進(jìn)行移動，每張課桌的桌面都可以調(diào)整方向和角度，課桌底部都有萬向輪，可以調(diào)整桌椅位置，構(gòu)成一個合適的討論式教學(xué)的討論組模式。

圖1

2 設(shè)計計算

2.1 總體尺寸設(shè)計

此桌椅最大特點在于學(xué)生不同學(xué)習(xí)狀態(tài)下課桌多狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此只有設(shè)計好各狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)的實現(xiàn)其功能。

(1) 整體外形尺寸：

為了課桌整體折疊時節(jié)約空間，底座尺寸取400mm×460mm，座椅高度可由300mm～430mm自由調(diào)節(jié)，桌面高度可由450mm～900mm自由調(diào)節(jié)。

(2)靠背外形尺寸：

根據(jù)市場主流桌椅靠背，為了使人背部舒適，靠背長度應(yīng)上不過額、下不過臀，取380mm，兩端各留出100mm的距離供學(xué)生側(cè)身翻轉(zhuǎn)，靠背實際長度為430mm。

(3)桌面外形尺寸：

根據(jù)市場主流學(xué)生所使用課桌桌面，邊長取300mm×250mm/450mm，厚1.650mm。

(4)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)尺寸：

為了滿足各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，各部分的尺寸取值如圖2所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2.2 強度與剛度校核

此桌椅在折疊成塊時處于閑置或運輸狀態(tài)，承重不大(約為自重)，且各處機構(gòu)處于收縮狀態(tài)，強度設(shè)計沒有特別要求，必然滿足使用條件。

一體化桌椅在課堂使用時處于展開狀態(tài)，供學(xué)生使用學(xué)習(xí)。在教學(xué)環(huán)境中設(shè)計桌椅時，設(shè)定座椅載重約為學(xué)生體重50kg～80kg，桌面載重約為文具及書本5kg～10kg，需要考慮桌面間連接螺釘與座椅定位銷強度是否足夠，計算支承處軸承的使用壽命是否滿足使用年限等。參考了市場上性能類似桌椅的選材，并結(jié)合此桌椅的結(jié)構(gòu)及設(shè)計要求對承重構(gòu)件進(jìn)行了校核。

2.2.1 桌面螺釘連接強度校核

已知桌面與滑軌采用合頁連接，合頁一側(cè)與滑軌圓柱鋼焊接在一起，另一側(cè)釘八個螺釘孔與木板連接，其受力分析如圖3所示：

圖3

分析可知，桌面受均布載荷，螺釘主要受彎矩作用

彎矩Mmax=22.5N·m

螺釘直徑d=6mm

該截面面積為S=πr2=28.3mm2

(1)計算最大彎曲正應(yīng)力

對Z軸的慣性矩

抗彎界面系數(shù)

最大彎曲正應(yīng)力

(2)校核螺釘?shù)膹姸?/p>

許用彎曲應(yīng)力

顯然σmax<[σ]，滿足強度要求。

2.2.2 桌面支撐柱強度校核

分析可知，立柱受彎矩與剪切力合成作用，其受力圖、彎矩圖、剪力圖如圖4所示：

圖4

由圖可知，桌面支撐柱危險截面為方鋼底部與底座焊接截面，截面受彎矩Mmax=40.5N·m

剪力Fmax=20N

該截面面積為S=188.7mm2

(1)計算最大彎曲正應(yīng)力

對Z軸的慣性矩

抗彎界面系數(shù)

最大彎曲正應(yīng)力

(2)校核支撐柱的強度

許用彎曲應(yīng)力

顯然σmax<[σ]，滿足強度要求。

(3)計算最大剪應(yīng)力并校核

許用剪切應(yīng)力

顯然τmax<[τ]，滿足強度要求。

(4)支撐柱的剛度計算

由以上簡化模型可知，擔(dān)架承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量(撓度)為：

=-0.004m=-4mm

由此，支撐柱的最大彎曲變形為4mm，并且出現(xiàn)在支撐柱的最高點，完全滿足使用要求。

2.2.3 座椅升降可靠性校核

已知學(xué)生重力為700N，要使座椅高度固定，不計底座方鋼間產(chǎn)生的摩擦力，則卡銷提供支持力與重力平衡，簡化受力圖如圖5所示：

圖5

圖6

由受力分析可知，圓柱銷危險截面為重力作用受剪切面。

圓柱銷直徑d=6mm

正交截面面積

s=πr2=π×32mm2=28.3mm2

危險界面面積

sθ=s/sinθ=28.3/sin64.6°=31.3mm2

危險界面所受剪切應(yīng)力

許用剪切應(yīng)力

顯然τmax<[τ]，滿足強度要求。

2.2.4 座椅支撐軸承壽命計算

已知座椅表面寬410mm，學(xué)生臀部對座椅施力作用面寬約300mm，座椅承受豎直重力，設(shè)計學(xué)生重心落在軸承連線上，簡化受力圖如圖6所示：

座椅兩端受支持力FN1=FN2=350N

軸承受反作用徑向力Fr1=Fr2=350N

軸承受軸向力Fa1=Fa2=55N

判斷系數(shù)e=0.22

所以

X1=X2=1Y1=Y2=0

座椅承受輕微沖擊，去載荷系數(shù)fp=1.2

軸承當(dāng)量動載荷為

P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=

1.2(1×350+0×55)=420N

P2=fp(X2Fr2+Y2Fa2)=

1.2(1×350+0×55)=420N

軸承壽命

高于預(yù)期壽命，符合條件。

3 結(jié) 論

1)多形態(tài)

桌椅整體可折合成塊，各處結(jié)構(gòu)伸縮折疊翻轉(zhuǎn)變化時共有六種形態(tài)，能滿足各類學(xué)生不同學(xué)習(xí)狀態(tài)時的要求。

2)多功能

桌椅變化移動靈活，方便人員流通、交流討論、運輸布置，能防近視、矯坐姿、防占座、靠背按摩、集中處理垃圾及提示遺漏物品。

3)人性化與個性化

桌椅形態(tài)變化多樣，使教室空間拓展力強、利用率高；學(xué)生可根據(jù)需要自主調(diào)節(jié)課桌功能，操作方便簡單可靠；桌椅設(shè)計時考慮清潔員、學(xué)生、老師等各方需求，提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境與趣味培養(yǎng)。

4)新型桌椅與經(jīng)典桌椅相結(jié)合，融合現(xiàn)代科技為廣大學(xué)生提供多功能服務(wù)。在面對各類學(xué)生時，均能滿足他們個性化與人性化的需求，推廣范圍廣泛，而且該桌椅可以在普通課桌的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利于桌椅新舊更替及回收利用，批量化生產(chǎn)成本還可降低，有良好的市場前景。

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