對分課堂與在線表格在機械設(shè)計中的創(chuàng)新應(yīng)用

丁文捷 雒宵 羅小明 楊成

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

關(guān)鍵詞 機械設(shè)計；課程探索；檢索式學(xué)習(xí)；問題導(dǎo)入式教學(xué)

中圖分類號：G424?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)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(xué)理念

機械設(shè)計是一門將基礎(chǔ)理論與工程實踐緊密結(jié)合的課程，對于學(xué)生完善知識體系、提高實踐能力和培養(yǎng)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(xué)實踐中，學(xué)生往往過于關(guān)注設(shè)計理論知識的掌握，而忽視了對實際設(shè)計中的工程倫理意識與工程設(shè)計技能的學(xué)習(xí)。同時對于復(fù)雜的機械設(shè)計過程，課堂上學(xué)生設(shè)計效率較低，學(xué)習(xí)積極性不足。

在過程工程原理教學(xué)中，課程組創(chuàng)新性地融入工程倫理思想，實踐證明這有助于提升學(xué)生在實際設(shè)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(xué)生提供必要的道德與倫理知識。教師在教學(xué)過程中結(jié)合案例討論與分析，引導(dǎo)學(xué)生遵循正確設(shè)計和操作原則，增強倫理意識，確保他們在設(shè)計中將公眾安全和福祉放在首位，遵守法規(guī)和道德標(biāo)準，同時在過程工程原理的教學(xué)融入工程倫理思想，使學(xué)生具備強烈的工程倫理意識，創(chuàng)造安全、可靠、有益的工程產(chǎn)品和服務(wù)，充分考慮環(huán)境、社會和經(jīng)濟影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[3]。

機械設(shè)計與過程工程原理在課堂設(shè)計方面存在相似之處。過程工程原理的課堂小設(shè)計煩瑣且容易出錯，使用設(shè)計表方法可以簡便高效地進行課堂小設(shè)計，考慮在設(shè)計環(huán)節(jié)突出工程倫理意識，將節(jié)能節(jié)材設(shè)計融入其中，進而形成一個整體。而機械設(shè)計同樣具有繁復(fù)的設(shè)計步驟，同樣可以使用設(shè)計表方法進行設(shè)計。在機械設(shè)計的倫理意識塑造中，需要注重安全可靠性的設(shè)計，將其融入并強化設(shè)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(xué)經(jīng)驗在機械設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用，以實現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

設(shè)計環(huán)節(jié)在機械設(shè)計中占據(jù)著重要的地位[4]，它能夠培養(yǎng)人的設(shè)計能力、綜合運用知識和深度理解知識的能力，因此設(shè)計環(huán)節(jié)被作為教學(xué)的重要環(huán)節(jié)來實施。設(shè)計中通常需要進行強度、剛度與穩(wěn)定性校核，以確保設(shè)計的安全可靠，這種校核思想貫穿于整個機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，體現(xiàn)了工程倫理中的安全理念在機械設(shè)計中的融入。

在機械設(shè)計教學(xué)中，教師通過在線表格進行輔助教學(xué)，可提高設(shè)計效率，引導(dǎo)學(xué)生進行檢索式學(xué)習(xí)[5]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨立思考能力。同時，引導(dǎo)學(xué)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(xué)生認識到倫理與道德在工程教育中的關(guān)鍵作用，以培養(yǎng)出具備專業(yè)能力和倫理意識的工程專業(yè)人才。

2? 課堂的創(chuàng)新設(shè)計

機械設(shè)計課堂設(shè)計使用在線表格作為載體，使具有復(fù)雜設(shè)計步驟的機械設(shè)計過程變得簡便高效。學(xué)生通過在線表格共同填寫設(shè)計過程，同時還可實時查看其他組的設(shè)計進度和結(jié)果，使得設(shè)計過程更加協(xié)同化和高效化。此外，在線表格還可以自動計算設(shè)計數(shù)據(jù)，對于設(shè)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(xué)生手動計算的工作量，提高設(shè)計效率。

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

教師引導(dǎo)學(xué)生進行檢索式學(xué)習(xí)，使學(xué)生從被動變主動，對學(xué)習(xí)內(nèi)容印象深刻且高效。開始時，學(xué)生需自主查找信息，具有挑戰(zhàn)性。但隨著深入學(xué)習(xí)，學(xué)生逐漸掌握知識和技能，產(chǎn)生成就感，并通過與同學(xué)交流和協(xié)作，獲得廣泛認識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和動力。小組內(nèi)分工明確，教師扮演多重角色，及時發(fā)現(xiàn)問題并指導(dǎo)，強化安全意識，確保設(shè)計安全可靠[10]。

從心理學(xué)角度看，檢索式學(xué)習(xí)強化了學(xué)生的主動性和自主性，激發(fā)其信息處理和自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)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(yǎng)興趣和獨立思考能力。檢索式學(xué)習(xí)符合學(xué)生中心的教學(xué)原則，強調(diào)學(xué)生的主體性和自主學(xué)習(xí)力。同時，它注重工程倫理意識的培養(yǎng)，塑造學(xué)生的道德倫理素養(yǎng)，助其形成正確的價值觀和職業(yè)道德，提升專業(yè)素養(yǎng)和社會責(zé)任感，促進學(xué)生綜合能力的全面發(fā)展。

3? 教學(xué)實踐

以直齒圓柱齒輪的課堂設(shè)計為例，展示教師對學(xué)生的引導(dǎo)作用及工程倫理對機械設(shè)計課程的輔助作用。教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)直齒圓柱齒輪的整體設(shè)計思路，讓學(xué)生在實際工程問題中按需設(shè)計出相關(guān)的齒輪傳動。

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

教師通過在線表格引導(dǎo)學(xué)生分組填寫，提升課堂參與度。每四人一組，成員分別擔(dān)任不同角色，共同完成齒輪設(shè)計的三個部分。過程中，學(xué)生輪換角色，協(xié)同完成任務(wù)，最后匯報展示，接受評價，形成一個“學(xué)—練—評”的閉環(huán)教學(xué)模式。學(xué)生全方位體驗各角色，深化對齒輪設(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)的任務(wù)流程圖。

在填寫表格時，面對不直接涉及倫理知識的參數(shù)選取，學(xué)生可能會產(chǎn)生疑問并提出問題，教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生發(fā)掘其中的潛在倫理知識。在線表格為學(xué)生們提供了更多互動與參與的機會，培養(yǎng)了學(xué)生的交流協(xié)作能力，激發(fā)了學(xué)生在課堂中的主動性。

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

完成設(shè)計后，教師引導(dǎo)學(xué)生進行思考與討論：首先分享設(shè)計中的收獲，包括思考過程、遇到的問題及解決方法，總結(jié)有效的設(shè)計策略和技巧，加深對課堂內(nèi)容的理解與記憶。其次，反思設(shè)計中的不足，如理解偏差、參數(shù)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(jié)與反思，學(xué)生對課堂內(nèi)容和設(shè)計任務(wù)有全面認識，汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，為未來學(xué)習(xí)和設(shè)計提供借鑒與改進方向。教師亦需對本節(jié)課效果進行總結(jié)[12]，評價學(xué)生學(xué)習(xí)情況和表現(xiàn)，反思課堂互動與學(xué)習(xí)氛圍，獲取教學(xué)反饋與評價，為后續(xù)教學(xué)提供指導(dǎo)與改進依據(jù)。

4? 教學(xué)效果分析

通過綜合運用對分課堂和在線表格設(shè)計等交互工具，將課程思政元素融入機械設(shè)計課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以工程倫理的安全可靠性問題為切入點導(dǎo)入教學(xué)，相比傳統(tǒng)教學(xué)方法，更注重技能培養(yǎng)和意識塑造的一體化，鼓勵學(xué)生參與檢索式學(xué)習(xí)和設(shè)計訓(xùn)練，培養(yǎng)他們的工程倫理意識和解決實際問題的能力。教師引導(dǎo)、學(xué)生訓(xùn)練一體化，使教學(xué)效率得到提高，學(xué)習(xí)成效得到顯著提升。

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

教學(xué)采用了在線設(shè)計工具，綁定了學(xué)生訓(xùn)練體驗的場景，通過設(shè)計過程的組員協(xié)作效應(yīng)對設(shè)計執(zhí)行力形成一個驅(qū)動力。同時，通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，工程倫理―安全意識被內(nèi)化植入到設(shè)計訓(xùn)練中，成為設(shè)計目標(biāo)之一。這種一體化融合的方式實現(xiàn)了知識技能與價值觀塑造的一體化，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決實際問題的能力。

5? 結(jié)語

為了解決機械設(shè)計教學(xué)中存在的問題，教師采用問題導(dǎo)入式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生進行檢索式學(xué)習(xí)，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(xué)生的倫理意識和解決實際問題的能力。通過檢索式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高設(shè)計效率，保證設(shè)計安全可靠性；對分課堂促進學(xué)生的交流、協(xié)作和綜合運用知識的能力；在線表格輔助教學(xué)，讓學(xué)生充分參與課堂環(huán)節(jié)；注重安全可靠性和工程倫理意識的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方式和行為準則。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下按步驟完成設(shè)計，通過總結(jié)與反思，教師和學(xué)生能獲取課堂教學(xué)的反饋，為未來的學(xué)習(xí)和教學(xué)改進提供指導(dǎo)。這種教學(xué)方式有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效率，增強學(xué)生的倫理意識，培養(yǎng)其解決實際問題的能力。

*通訊作者：丁文捷

基金項目：自治區(qū)級自然科學(xué)其他項目“過程裝備與控制工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革探索”（NXBJG2018025）；自治區(qū)級社會科學(xué)其他項目“《過程工程原理》課程思政精品建設(shè)”（NXSZ20190204）。

參考文獻

[1] 劉艷萍，聶曉濱，宋麗等.一流課程背景下機械設(shè)計課程教學(xué)改革與實踐[J].農(nóng)機使用與維修，2023（5）：143-147.

[2] 陳濤，朱寶煕，董楓.在線開放課程教學(xué)管理背景下機械設(shè)計課程教學(xué)改革探索[J].景德鎮(zhèn)學(xué)院學(xué)報，2023，38（2）：50-54.

[3] 談淑詠，毛向陽，巨佳，等.新工科背景下材料專業(yè)課程思政及工程倫理教育協(xié)同育人探索[J].大學(xué)教育，2023（9）：91-94，101.

[4] 安琦，王小芳.機械設(shè)計課程教學(xué)中引入創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)改革嘗試[J].化工高等教育，2003（2）：90-91.

[5] 王懷詩，曹惠娟.檢索式學(xué)習(xí)：意義、方式與發(fā)展[J].中國遠程教育，2009（4）：39-43，51，80.

[6] 張佃平，高廣娣.“課程思政”理念下機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計新模式的探索和實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2019（Z2）：6-8.

[7] 倪向東，馬蓉，朱榮光，等.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式在機械設(shè)計教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].黑龍江教育（理論與實踐），2018（5）：53-54.

[8] 呂春嬌.對分課堂在高?；瘜W(xué)教學(xué)論課程教學(xué)中的可行性分析[J].化工設(shè)計通訊，2023，49（8）：89-91.

[9] 王瑤，王萌.“對分課堂”教學(xué)模式下灌輸性和啟發(fā)性相統(tǒng)一路徑探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2021，4（19）：20-21，54.

[10] 狄璐，蔣佳燕.大數(shù)據(jù)時代教師課堂角色的定位[J].教書育人（高教論壇），2020（12）：38-40.

[11] 康昆勇，劉芳.高校課堂提問的主體與路徑分析[J].學(xué)園，2020，13（1）：61-62.

[12] 李林浩.關(guān)于高校教師應(yīng)如何“上好課”的思考[J].文教資料，2013（14）：160-161，174.

[13] 徐錦培.建立常規(guī)問卷反饋機制 提升教學(xué)資源質(zhì)量——日本放送大學(xué)學(xué)生問卷調(diào)查的啟示[J].天津電大學(xué)報，2014，18（4）：13-18，39.