对分课堂与在线表格在机械设计中的创新应用

丁文捷 雒宵 罗小明 杨成

摘 要 针对机械设计课程设计实践教学环节融入课程思政、提升教学效率、提高学习成效等问题，综合运用对分课堂和在线表格设计等交互工具，以工程伦理的安全可靠性问题为切入点导入教学，引导学生围绕强度和耐久性校核设计进行检索式学习和设计训练，培养学生的工程伦理意识和解决实际问题的能力。教师引导、学生训练一体化，技能培养、意识塑造一体化，通过对设计过程进行总结和反思，从而获取课堂教学的反馈，为学生未来的学习和教师的教学改进提供指导。

关键词 机械设计；课程探索；检索式学习；问题导入式教学

中图分类号：G424                           文献标识码：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

机械设计是一门将基础理论与工程实践紧密结合的课程，对于学生完善知识体系、提高实践能力和培养分析解决实际问题的能力具有重要作用[1-2]。然而，在过去的教学实践中，学生往往过于关注设计理论知识的掌握，而忽视了对实际设计中的工程伦理意识与工程设计技能的学习。同时对于复杂的机械设计过程，课堂上学生设计效率较低，学习积极性不足。

在过程工程原理教学中，课程组创新性地融入工程伦理思想，实践证明这有助于提升学生在实际设计问题中的伦理意识。工程伦理涉及工程实践中的道德、社会和法律等多方面问题，为学生提供必要的道德与伦理知识。教师在教学过程中结合案例讨论与分析，引导学生遵循正确设计和操作原则，增强伦理意识，确保他们在设计中将公众安全和福祉放在首位，遵守法规和道德标准，同时在过程工程原理的教学融入工程伦理思想，使学生具备强烈的工程伦理意识，创造安全、可靠、有益的工程产品和服务，充分考虑环境、社会和经济影响，实现可持续发展[3]。

机械设计与过程工程原理在课堂设计方面存在相似之处。过程工程原理的课堂小设计烦琐且容易出错，使用设计表方法可以简便高效地进行课堂小设计，考虑在设计环节突出工程伦理意识，将节能节材设计融入其中，进而形成一个整体。而机械设计同样具有繁复的设计步骤，同样可以使用设计表方法进行设计。在机械设计的伦理意识塑造中，需要注重安全可靠性的设计，将其融入并强化设计中，以形成一个完整的整体，因此可将过程工程原理的教学经验在机械设计教学中应用，以实现更好的教学效果。

设计环节在机械设计中占据着重要的地位[4]，它能够培养人的设计能力、综合运用知识和深度理解知识的能力，因此设计环节被作为教学的重要环节来实施。设计中通常需要进行强度、刚度与稳定性校核，以确保设计的安全可靠，这种校核思想贯穿于整个机械结构设计过程中，体现了工程伦理中的安全理念在机械设计中的融入。

在机械设计教学中，教师通过在线表格进行辅助教学，可提高设计效率，引导学生进行检索式学习[5]，提高学生的学习兴趣和独立思考能力。同时，引导学生将工程伦理思想融入其中，通过对分课堂进行互动讨论和实践操作，能让学生认识到伦理与道德在工程教育中的关键作用，以培养出具备专业能力和伦理意识的工程专业人才。

2  课堂的创新设计

机械设计课堂设计使用在线表格作为载体，使具有复杂设计步骤的机械设计过程变得简便高效。学生通过在线表格共同填写设计过程，同时还可实时查看其他组的设计进度和结果，使得设计过程更加协同化和高效化。此外，在线表格还可以自动计算设计数据，对于设计错误可快速修改并重新计算，快速进行多方案对比，减少学生手动计算的工作量，提高设计效率。

在实际设计环节中，教师将学生进行分组，各组针对不同的数据进行设计，开展设计竞赛与同侪评价，提高学习质量[6]。教师在课前根据课堂设计内容制作在线表格模板，课堂上讲解过程中，采用问题导入式教学，通过提出问题来引导学生进行检索式学习[7]。学生通过检索的方式来回答教师提出的问题，并在组内讨论检索内容的正确性、安全可靠性以及如何在在线表格中应用答案。学生需要按照要求通过在线表格完成相应的设计任务，并在表格中列出每一步设计过程中的工程伦理思想，组内分工明确，组间相互竞争，以激发学生的动力和热情，提高学生的沟通、协作与解决问题的能力[8-9]。学生填写完成后，教师带领学生一同进行问题分析，再次强化设计中的安全可靠意识，以加深学生对所学知识与工程伦理意识的认识与理解。课堂设计的具体流程如图1所示。

教师引导学生进行检索式学习，使学生从被动变主动，对学习内容印象深刻且高效。开始时，学生需自主查找信息，具有挑战性。但随着深入学习，学生逐渐掌握知识和技能，产生成就感，并通过与同学交流和协作，获得广泛认识，激发学习兴趣和动力。小组内分工明确，教师扮演多重角色，及时发现问题并指导，强化安全意识，确保设计安全可靠[10]。

从心理学角度看，检索式学习强化了学生的主动性和自主性，激发其信息处理和自主学习能力。学生成为知识的积极获取者和整合者，进而提高其信息处理、分析能力，培养兴趣和独立思考能力。检索式学习符合学生中心的教学原则，强调学生的主体性和自主学习力。同时，它注重工程伦理意识的培养，塑造学生的道德伦理素养，助其形成正确的价值观和职业道德，提升专业素养和社会责任感，促进学生综合能力的全面发展。

3  教学实践

以直齿圆柱齿轮的课堂设计为例，展示教师对学生的引导作用及工程伦理对机械设计课程的辅助作用。教师带领学生学习直齿圆柱齿轮的整体设计思路，让学生在实际工程问题中按需设计出相关的齿轮传动。

直齿圆柱齿轮传动设计可采用如下教学设计：①确定设计参数和要求；②选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数；③按齿面接触疲劳强度设计和按齿根弯曲疲劳强度设计；④几何尺寸计算；⑤结构设计及绘制齿轮零件图。

教师通过在线表格引导学生分组填写，提升课堂参与度。每四人一组，成员分别担任不同角色，共同完成齿轮设计的三个部分。过程中，学生轮换角色，协同完成任务，最后汇报展示，接受评价，形成一个“学—练—评”的闭环教学模式。学生全方位体验各角色，深化对齿轮设计全貌的理解，认识团队中每个角色的重要性，全面提升自身的技能。图2为小组2在按齿面接触疲劳强度设计环节的任务流程图。

在填写表格时，面对不直接涉及伦理知识的参数选取，学生可能会产生疑问并提出问题，教师应积极引导学生发掘其中的潜在伦理知识。在线表格为学生们提供了更多互动与参与的机会，培养了学生的交流协作能力，激发了学生在课堂中的主动性。

在设计环节，教师提问相关公式及不合理设计的影响，引导学生检索并讨论[11]，通过多次检索激发学生思考，加深记忆。同时，教师指导学生使用在线表格进行多方案对比，展示不合理设计的后果，强化工程伦理知识的渗透。在设计的整个过程中，教师需要密切关注各组学生在线表格的填写情况，及时发现问题并给予指导，强化对设计中安全意识的引导，以确保设计的安全可靠性。

完成设计后，教师引导学生进行思考与讨论：首先分享设计中的收获，包括思考过程、遇到的问题及解决方法，总结有效的设计策略和技巧，加深对课堂内容的理解与记忆。其次，反思设计中的不足，如理解偏差、参数不准确、伦理问题考虑不全等，集体讨论交流，共同提高。

通过总结与反思，学生对课堂内容和设计任务有全面认识，汲取经验教训，为未来学习和设计提供借鉴与改进方向。教师亦需对本节课效果进行总结[12]，评价学生学习情况和表现，反思课堂互动与学习氛围，获取教学反馈与评价，为后续教学提供指导与改进依据。

4  教学效果分析

通过综合运用对分课堂和在线表格设计等交互工具，将课程思政元素融入机械设计课程设计实践教学环节，以工程伦理的安全可靠性問题为切入点导入教学，相比传统教学方法，更注重技能培养和意识塑造的一体化，鼓励学生参与检索式学习和设计训练，培养他们的工程伦理意识和解决实际问题的能力。教师引导、学生训练一体化，使教学效率得到提高，学习成效得到显著提升。

为获取学生对课堂效果的真实反馈，课程组在学生中发放了一份关于齿轮在线设计训练的教学问卷[13]。本次问卷调查对象为齿轮在线设计训练试点班级的全部学生，截至数据回收时，共有536位学生参与了本次问卷调查，经数据清理后，有效大学生问卷的数量为513份，问卷有效率为95.7%。从调查问卷中提取了5个关键信息来评估齿轮在线设计训练对学生的影响，如图3（p125）所示，可以看出学生对该教学方法的认可度很高。齿轮在线设计训练的教学方法真正做到了以学生为中心，注重培养学生的资料检索能力、安全意识与综合能力，让学生受益匪浅。

教学采用了在线设计工具，绑定了学生训练体验的场景，通过设计过程的组员协作效应对设计执行力形成一个驱动力。同时，通过重构教学内容，工程伦理―安全意识被内化植入到设计训练中，成为设计目标之一。这种一体化融合的方式实现了知识技能与价值观塑造的一体化，有助于提高学生的综合素质和解决实际问题的能力。

5  结语

为了解决机械设计教学中存在的问题，教师采用问题导入式教学方法，引导学生进行检索式学习，运用对分课堂，借助在线表格，并融入工程伦理思想，以提升学生的伦理意识和解决实际问题的能力。通过检索式学习，激发学生学习兴趣，提高设计效率，保证设计安全可靠性；对分课堂促进学生的交流、协作和综合运用知识的能力；在线表格辅助教学，让学生充分参与课堂环节；注重安全可靠性和工程伦理意识的引导，培养学生正确的思维方式和行为准则。学生在教师的引导下按步骤完成设计，通过总结与反思，教师和学生能获取课堂教学的反馈，为未来的学习和教学改进提供指导。这种教学方式有助于提高学生的学习积极性，提高学习效率，增强学生的伦理意识，培养其解决实际问题的能力。

*通讯作者：丁文捷

基金项目：自治区级自然科学其他项目“过程装备与控制工程专业创新创业教育改革探索”（NXBJG2018025）；自治区级社会科学其他项目“《过程工程原理》课程思政精品建设”（NXSZ20190204）。

参考文献

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