對分課堂與在線表格在機械設計中的創新應用

丁文捷 雒宵 羅小明 楊成

摘 要 針對機械設計課程設計實踐教學環節融入課程思政、提升教學效率、提高學習成效等問題，綜合運用對分課堂和在線表格設計等交互工具，以工程倫理的安全可靠性問題為切入點導入教學，引導學生圍繞強度和耐久性校核設計進行檢索式學習和設計訓練，培養學生的工程倫理意識和解決實際問題的能力。教師引導、學生訓練一體化，技能培養、意識塑造一體化，通過對設計過程進行總結和反思，從而獲取課堂教學的反饋，為學生未來的學習和教師的教學改進提供指導。

關鍵詞 機械設計；課程探索；檢索式學習；問題導入式教學

中圖分類號：G424?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.9.037

Innovative Application of Classroom and Online Forms in Mechanical Design

DING Wenjie， LUO Xiao， LUO Xiaoming， YANG Cheng

（School of Mechanical Engineering， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750021）

Abstract For the practical teaching of mechanical design courses， the integration of course-based ideological education， improving teaching efficiency， and enhancing learning effectiveness are key issues. By comprehensively utilizing interactive tools such as the split classroom and online spreadsheet design， this teaching approach focuses on engineering ethics and safety reliability issues to introduce teaching. Students are guided to conduct retrieval learning and design training centered around strength and durability evaluation design， cultivating their engineering ethics awareness and problem-solving abilities. The integration of teacher guidance and student training， as well as skill cultivation and ideological shaping， summarize and reflect on the design process to obtain feedback for classroom teaching. This approach provides guidance for students' future learning and teachers' teaching improvements.

Keyword mechanical design; course exploration; retrieval learning; problem-based learning

1? 教學理念

機械設計是一門將基礎理論與工程實踐緊密結合的課程，對于學生完善知識體系、提高實踐能力和培養分析解決實際問題的能力具有重要作用[1-2]。然而，在過去的教學實踐中，學生往往過于關注設計理論知識的掌握，而忽視了對實際設計中的工程倫理意識與工程設計技能的學習。同時對于復雜的機械設計過程，課堂上學生設計效率較低，學習積極性不足。

在過程工程原理教學中，課程組創新性地融入工程倫理思想，實踐證明這有助于提升學生在實際設計問題中的倫理意識。工程倫理涉及工程實踐中的道德、社會和法律等多方面問題，為學生提供必要的道德與倫理知識。教師在教學過程中結合案例討論與分析，引導學生遵循正確設計和操作原則，增強倫理意識，確保他們在設計中將公眾安全和福祉放在首位，遵守法規和道德標準，同時在過程工程原理的教學融入工程倫理思想，使學生具備強烈的工程倫理意識，創造安全、可靠、有益的工程產品和服務，充分考慮環境、社會和經濟影響，實現可持續發展[3]。

機械設計與過程工程原理在課堂設計方面存在相似之處。過程工程原理的課堂小設計煩瑣且容易出錯，使用設計表方法可以簡便高效地進行課堂小設計，考慮在設計環節突出工程倫理意識，將節能節材設計融入其中，進而形成一個整體。而機械設計同樣具有繁復的設計步驟，同樣可以使用設計表方法進行設計。在機械設計的倫理意識塑造中，需要注重安全可靠性的設計，將其融入并強化設計中，以形成一個完整的整體，因此可將過程工程原理的教學經驗在機械設計教學中應用，以實現更好的教學效果。

設計環節在機械設計中占據著重要的地位[4]，它能夠培養人的設計能力、綜合運用知識和深度理解知識的能力，因此設計環節被作為教學的重要環節來實施。設計中通常需要進行強度、剛度與穩定性校核，以確保設計的安全可靠，這種校核思想貫穿于整個機械結構設計過程中，體現了工程倫理中的安全理念在機械設計中的融入。

在機械設計教學中，教師通過在線表格進行輔助教學，可提高設計效率，引導學生進行檢索式學習[5]，提高學生的學習興趣和獨立思考能力。同時，引導學生將工程倫理思想融入其中，通過對分課堂進行互動討論和實踐操作，能讓學生認識到倫理與道德在工程教育中的關鍵作用，以培養出具備專業能力和倫理意識的工程專業人才。

2? 課堂的創新設計

機械設計課堂設計使用在線表格作為載體，使具有復雜設計步驟的機械設計過程變得簡便高效。學生通過在線表格共同填寫設計過程，同時還可實時查看其他組的設計進度和結果，使得設計過程更加協同化和高效化。此外，在線表格還可以自動計算設計數據，對于設計錯誤可快速修改并重新計算，快速進行多方案對比，減少學生手動計算的工作量，提高設計效率。

在實際設計環節中，教師將學生進行分組，各組針對不同的數據進行設計，開展設計競賽與同儕評價，提高學習質量[6]。教師在課前根據課堂設計內容制作在線表格模板，課堂上講解過程中，采用問題導入式教學，通過提出問題來引導學生進行檢索式學習[7]。學生通過檢索的方式來回答教師提出的問題，并在組內討論檢索內容的正確性、安全可靠性以及如何在在線表格中應用答案。學生需要按照要求通過在線表格完成相應的設計任務，并在表格中列出每一步設計過程中的工程倫理思想，組內分工明確，組間相互競爭，以激發學生的動力和熱情，提高學生的溝通、協作與解決問題的能力[8-9]。學生填寫完成后，教師帶領學生一同進行問題分析，再次強化設計中的安全可靠意識，以加深學生對所學知識與工程倫理意識的認識與理解。課堂設計的具體流程如圖1所示。

教師引導學生進行檢索式學習，使學生從被動變主動，對學習內容印象深刻且高效。開始時，學生需自主查找信息，具有挑戰性。但隨著深入學習，學生逐漸掌握知識和技能，產生成就感，并通過與同學交流和協作，獲得廣泛認識，激發學習興趣和動力。小組內分工明確，教師扮演多重角色，及時發現問題并指導，強化安全意識，確保設計安全可靠[10]。

從心理學角度看，檢索式學習強化了學生的主動性和自主性，激發其信息處理和自主學習能力。學生成為知識的積極獲取者和整合者，進而提高其信息處理、分析能力，培養興趣和獨立思考能力。檢索式學習符合學生中心的教學原則，強調學生的主體性和自主學習力。同時，它注重工程倫理意識的培養，塑造學生的道德倫理素養，助其形成正確的價值觀和職業道德，提升專業素養和社會責任感，促進學生綜合能力的全面發展。

3? 教學實踐

以直齒圓柱齒輪的課堂設計為例，展示教師對學生的引導作用及工程倫理對機械設計課程的輔助作用。教師帶領學生學習直齒圓柱齒輪的整體設計思路，讓學生在實際工程問題中按需設計出相關的齒輪傳動。

直齒圓柱齒輪傳動設計可采用如下教學設計：①確定設計參數和要求；②選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數；③按齒面接觸疲勞強度設計和按齒根彎曲疲勞強度設計；④幾何尺寸計算；⑤結構設計及繪制齒輪零件圖。

教師通過在線表格引導學生分組填寫，提升課堂參與度。每四人一組，成員分別擔任不同角色，共同完成齒輪設計的三個部分。過程中，學生輪換角色，協同完成任務，最后匯報展示，接受評價，形成一個“學—練—評”的閉環教學模式。學生全方位體驗各角色，深化對齒輪設計全貌的理解，認識團隊中每個角色的重要性，全面提升自身的技能。圖2為小組2在按齒面接觸疲勞強度設計環節的任務流程圖。

在填寫表格時，面對不直接涉及倫理知識的參數選取，學生可能會產生疑問并提出問題，教師應積極引導學生發掘其中的潛在倫理知識。在線表格為學生們提供了更多互動與參與的機會，培養了學生的交流協作能力，激發了學生在課堂中的主動性。

在設計環節，教師提問相關公式及不合理設計的影響，引導學生檢索并討論[11]，通過多次檢索激發學生思考，加深記憶。同時，教師指導學生使用在線表格進行多方案對比，展示不合理設計的后果，強化工程倫理知識的滲透。在設計的整個過程中，教師需要密切關注各組學生在線表格的填寫情況，及時發現問題并給予指導，強化對設計中安全意識的引導，以確保設計的安全可靠性。

完成設計后，教師引導學生進行思考與討論：首先分享設計中的收獲，包括思考過程、遇到的問題及解決方法，總結有效的設計策略和技巧，加深對課堂內容的理解與記憶。其次，反思設計中的不足，如理解偏差、參數不準確、倫理問題考慮不全等，集體討論交流，共同提高。

通過總結與反思，學生對課堂內容和設計任務有全面認識，汲取經驗教訓，為未來學習和設計提供借鑒與改進方向。教師亦需對本節課效果進行總結[12]，評價學生學習情況和表現，反思課堂互動與學習氛圍，獲取教學反饋與評價，為后續教學提供指導與改進依據。

4? 教學效果分析

通過綜合運用對分課堂和在線表格設計等交互工具，將課程思政元素融入機械設計課程設計實踐教學環節，以工程倫理的安全可靠性問題為切入點導入教學，相比傳統教學方法，更注重技能培養和意識塑造的一體化，鼓勵學生參與檢索式學習和設計訓練，培養他們的工程倫理意識和解決實際問題的能力。教師引導、學生訓練一體化，使教學效率得到提高，學習成效得到顯著提升。

為獲取學生對課堂效果的真實反饋，課程組在學生中發放了一份關于齒輪在線設計訓練的教學問卷[13]。本次問卷調查對象為齒輪在線設計訓練試點班級的全部學生，截至數據回收時，共有536位學生參與了本次問卷調查，經數據清理后，有效大學生問卷的數量為513份，問卷有效率為95.7%。從調查問卷中提取了5個關鍵信息來評估齒輪在線設計訓練對學生的影響，如圖3（p125）所示，可以看出學生對該教學方法的認可度很高。齒輪在線設計訓練的教學方法真正做到了以學生為中心，注重培養學生的資料檢索能力、安全意識與綜合能力，讓學生受益匪淺。

教學采用了在線設計工具，綁定了學生訓練體驗的場景，通過設計過程的組員協作效應對設計執行力形成一個驅動力。同時，通過重構教學內容，工程倫理―安全意識被內化植入到設計訓練中，成為設計目標之一。這種一體化融合的方式實現了知識技能與價值觀塑造的一體化，有助于提高學生的綜合素質和解決實際問題的能力。

5? 結語

為了解決機械設計教學中存在的問題，教師采用問題導入式教學方法，引導學生進行檢索式學習，運用對分課堂，借助在線表格，并融入工程倫理思想，以提升學生的倫理意識和解決實際問題的能力。通過檢索式學習，激發學生學習興趣，提高設計效率，保證設計安全可靠性；對分課堂促進學生的交流、協作和綜合運用知識的能力；在線表格輔助教學，讓學生充分參與課堂環節；注重安全可靠性和工程倫理意識的引導，培養學生正確的思維方式和行為準則。學生在教師的引導下按步驟完成設計，通過總結與反思，教師和學生能獲取課堂教學的反饋，為未來的學習和教學改進提供指導。這種教學方式有助于提高學生的學習積極性，提高學習效率，增強學生的倫理意識，培養其解決實際問題的能力。

*通訊作者：丁文捷

基金項目：自治區級自然科學其他項目“過程裝備與控制工程專業創新創業教育改革探索”（NXBJG2018025）；自治區級社會科學其他項目“《過程工程原理》課程思政精品建設”（NXSZ20190204）。

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