基于BOPPPS 的“齒輪傳動系統受力分析”課堂教學設計

李 旻

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

0 引言

建設與發展新工科是加快推進我國從工程教育大國走向工程教育強國的必由之路。各傳統工科專業必須對標新工科建設要求，在優化升級的同時，不斷提高人才培養質量[1]。

BOPPPS 教學模式是一種以學生為中心的教學模式，將教學過程分解為六個前后銜接的環節：導言（Bridge-in）、學習目標（Objective）、預評估（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后評估（Post-assessment）和總結（Summary）。BOPPPS 的實踐性和可操作性強，為教師提供了一個指引課堂教學各個環節的新模式[2]。

機械設計課程是機械類專業的專業基礎課程和核心課程，為機械類專業復合型、創新型人才的培養，專業建設和學科發展提供重要支撐。

本文以立德樹人為目標，以學生為中心，以產出為導向，以互聯網+教育教學為理念，基于BOPPPS 教學模式，對機械設計課程的核心部分——“齒輪傳動設計”的“齒輪傳動系統受力分析”內容進行課堂教學改革，以期提升課程教學質量和學生的綜合能力。

1 教學設計

機械設計課程利用自建慕課將信息技術與課程教學有機融合，開展線上線下混合式教學。教師從知識傳授者向學生學習引導者轉變，學生按照課前自主學習知識、課中深化知識和課后鞏固知識的三步進行主動學習。

在進行線下課堂教學之前，學生已通過慕課等教學資源學習了有關知識點內容。線下課堂的教學任務主要是基于BOPPPS 教學模式開展翻轉課堂教學活動，使學生主動學習，深入思考，鞏固知識。

1.1 導言

導言的作用是吸引學生的注意力，引導學生產生濃厚的學習興趣和強烈的學習欲望，促使學生認真投入到后續內容的學習當中去。

首先給出齒輪齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度的校核公式和設計公式，向學生說明計算齒面接觸應力和齒根彎曲應力、設計齒輪參數都必須先分析和計算齒輪受力。然后給出齒輪減速器輸入軸的受力簡圖（圖1）和輸出軸的受力簡圖（圖2），向學生強調在對軸進行彎扭組合強度計算、對滾動軸承進行當量動載荷和壽命計算之前，都必須正確分析和計算齒輪的受力。

圖1 齒輪減速器輸入軸受力示意

圖2 齒輪減速器輸出軸受力示意

1.2 學習目標

學習目標必須是清晰的、適當的、可達成的、可衡量的[3]。學習目標涉及知識、能力和素質三方面目標。本課堂的學習目標為：

（1）知識目標：能夠闡釋各類齒輪傳動的徑向力、圓周力和軸向力方向的判定方法，能夠例舉各類齒輪傳動的各分力之間的作用和反作用關系。

（2）能力目標：能夠靈活地應用圓周力和主從動、齒輪轉向的關系，軸向力和齒輪轉向、旋向的關系，以及作用力和反作用力之間的關系對齒輪傳動系統進行受力分析。

（3）素質目標：培養學生刻苦鉆研、創新創造的工匠精神，激發學生產業報國、實業強國的家國情懷和使命擔當。

1.3 預評估

預評估可通過問卷、小測驗、問答、討論等多種方式來開展，其目的在于掌握學生已有的知識基礎以及課前自主學習的效果，并根據課程目標的需要和學生的狀況及時調整教學策略。

本課堂預評估可以采取學生小組討論的形式開展。將全班學生分成4 個小組，依次分別負責對直齒圓柱齒輪傳動受力分析圖、斜齒圓柱齒輪傳動受力分析圖、直齒圓錐齒輪傳動受力分析圖和蝸輪蝸桿傳動受力分析圖進行分析討論。接下來請各組分別派出1名代表上臺講解齒輪徑向力、圓周力和軸向力方向的判斷方法，以及相互間的作用和反作用關系，同組的其他學生對該名代表的講解進行評價或修正。

然后教師針對各組的表現分別進行點評，并強調要點：①徑向力分別指向各自輪心；②主動輪上的圓周力方向與力作用點處的速度方向相反，從動輪上圓周力方向與力作用點處的速度方向相同；③主動輪軸向力方向判定方法為左右手法則（圓錐齒輪軸向力方向由小端指向大端）。

1.4 課程思政

回顧機械原理介紹過的輪系，給出二級圓柱齒輪減速器的機構運動簡圖、立體圖、裝配圖和實物照片，介紹其結構和減速增扭功能，告訴學生這是課程設計的對象，再次讓學生明確齒輪系統受力分析的重要性。

由減速器傳動比固定不變，變速器可實現變速傳動，引入汽車變速器類別和主要供應商的介紹。由國內自主品牌變速器廠商和國外品牌廠商的產品質量和市場份額的差距，以及新能源汽車產業鏈上涌現出的諸多校友企業家及其創業故事，引入思政內容，激發學生的家國情懷、創新動力和鉆研精神，努力投身產業報國、實業強國實現個人價值，同時也提升學生學習機械設計課程的興趣。

1.5 參與式學習

參與是增強學習體驗的關鍵，可采取多種師生、生生互動的方法，如小組討論、案例研究、角色扮演等，鼓勵學生主動融入教學環節，幫助學生達到既定學習目的，實現課堂教學目標[4]。

本課堂的參與式學習采用案例研討的方式。教師先后提供兩個難度適中的案例：兩級斜齒圓柱齒輪減速器（圖3）和兩級蝸輪蝸桿減速器（圖4），要求在使齒輪傳動系統中間軸上的兩輪所受軸向力能夠互相抵消一部分的前提下，根據條件確定各軸的轉向、各齒輪的旋向及其所受各分力的方向。

圖3 兩級斜齒圓柱齒輪減速器受力分析案例

圖4 兩級蝸輪蝸桿減速器受力分析案例

分別邀請1 名學生上臺在黑板上畫出各軸的轉向、各齒輪的旋向及其所受各分力的方向，其他學生在作業紙上完成分析任務，鼓勵相互討論、向教師質疑。然后學生將結果拍照上傳到課程教學網站，并完成課程網站上的選擇題，系統自動批改并匯總，以便教師迅速掌握答題情況進行教學策略調整和因材施教，也便于期末對學生開展過程性評價。接著教師利用ppt 動畫分析各齒輪的轉向、旋向及其所受各分力的方向，隨時解答學生插入的問題。最后點評上臺答題的學生的答題情況。

1.6 后評估

后評估是通過有針對性的測評來檢驗學生本次課堂的學習效果，判斷是否達成既定的教學目標，同樣采取求解案例的方式進行。提高問題的挑戰度，提供一個四級齒輪傳動的案例要求學生進行分析判斷（圖5），該案例涵蓋了預評估所涉及的斜齒圓柱齒輪、直齒圓錐齒輪和蝸輪蝸桿傳動受力分析，能夠全面評估學生對知識點的掌握情況和邏輯分析推理的能力。同樣要求學生將結果拍照上傳到課程教學網站，并完成課程教學網站上的選擇題。最后教師講解點評，重點分析答題情況不理想、正確率較低的題目。

1.7 課堂總結

總結是對課堂教學知識點和重點內容的回顧和梳理，目的是進一步鞏固學習效果，也可布置延伸思考的任務。課堂總結的要點有：（1）根據題意，順著運動的傳遞路線分析，或者逆著運動的傳遞路線分析；（2）軸線與投影面平行時，表示外嚙合兩齒輪轉向的箭頭同時指向嚙合線，或者同時背離嚙合線；（3）外嚙合兩斜齒圓柱齒輪旋向相反，蝸輪和蝸桿的旋向相同；（4）只要知道主動輪的轉向、旋向和軸向力方向當中的兩者，第三者就能判斷出來；（5）從動輪所受的圓周力是使其轉動的原因。最后布置延伸思考題：要使中間軸上的兩輪所受軸向力方向相反，這兩輪的旋向應該相同，還是相反？

2 教學效果

新工科背景下機械工程教育改革迫切需要創新課程教學模式、教學方法和教學手段。BOPPPS 教學模式理念先進，以教學目標為導向，以學生為中心，符合認知規律，便于達成度評價。

齒輪傳動系統受力分析的課堂教學基于BOPPPS教學模式進行了教學改革與實踐，結果發現學生在這部分內容的考試得分率明顯增加，后續課程設計的質量也獲得提高。調研結果也表明學生的課堂參與度、知識獲得感和滿意度顯著增強，改革措施有效提升了課程教學質量和學生綜合能力。