基于BOPPPS 的“齿轮传动系统受力分析”课堂教学设计

李 旻

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

0 引言

建设与发展新工科是加快推进我国从工程教育大国走向工程教育强国的必由之路。各传统工科专业必须对标新工科建设要求，在优化升级的同时，不断提高人才培养质量[1]。

BOPPPS 教学模式是一种以学生为中心的教学模式，将教学过程分解为六个前后衔接的环节：导言（Bridge-in）、学习目标（Objective）、预评估（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后评估（Post-assessment）和总结（Summary）。BOPPPS 的实践性和可操作性强，为教师提供了一个指引课堂教学各个环节的新模式[2]。

机械设计课程是机械类专业的专业基础课程和核心课程，为机械类专业复合型、创新型人才的培养，专业建设和学科发展提供重要支撑。

本文以立德树人为目标，以学生为中心，以产出为导向，以互联网+教育教学为理念，基于BOPPPS 教学模式，对机械设计课程的核心部分——“齿轮传动设计”的“齿轮传动系统受力分析”内容进行课堂教学改革，以期提升课程教学质量和学生的综合能力。

1 教学设计

机械设计课程利用自建慕课将信息技术与课程教学有机融合，开展线上线下混合式教学。教师从知识传授者向学生学习引导者转变，学生按照课前自主学习知识、课中深化知识和课后巩固知识的三步进行主动学习。

在进行线下课堂教学之前，学生已通过慕课等教学资源学习了有关知识点内容。线下课堂的教学任务主要是基于BOPPPS 教学模式开展翻转课堂教学活动，使学生主动学习，深入思考，巩固知识。

1.1 导言

导言的作用是吸引学生的注意力，引导学生产生浓厚的学习兴趣和强烈的学习欲望，促使学生认真投入到后续内容的学习当中去。

首先给出齿轮齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的校核公式和设计公式，向学生说明计算齿面接触应力和齿根弯曲应力、设计齿轮参数都必须先分析和计算齿轮受力。然后给出齿轮减速器输入轴的受力简图（图1）和输出轴的受力简图（图2），向学生强调在对轴进行弯扭组合强度计算、对滚动轴承进行当量动载荷和寿命计算之前，都必须正确分析和计算齿轮的受力。

图1 齿轮减速器输入轴受力示意

图2 齿轮减速器输出轴受力示意

1.2 学习目标

学习目标必须是清晰的、适当的、可达成的、可衡量的[3]。学习目标涉及知识、能力和素质三方面目标。本课堂的学习目标为：

（1）知识目标：能够阐释各类齿轮传动的径向力、圆周力和轴向力方向的判定方法，能够例举各类齿轮传动的各分力之间的作用和反作用关系。

（2）能力目标：能够灵活地应用圆周力和主从动、齿轮转向的关系，轴向力和齿轮转向、旋向的关系，以及作用力和反作用力之间的关系对齿轮传动系统进行受力分析。

（3）素质目标：培养学生刻苦钻研、创新创造的工匠精神，激发学生产业报国、实业强国的家国情怀和使命担当。

1.3 预评估

预评估可通过问卷、小测验、问答、讨论等多种方式来开展，其目的在于掌握学生已有的知识基础以及课前自主学习的效果，并根据课程目标的需要和学生的状况及时调整教学策略。

本课堂预评估可以采取学生小组讨论的形式开展。将全班学生分成4 个小组，依次分别负责对直齿圆柱齿轮传动受力分析图、斜齿圆柱齿轮传动受力分析图、直齿圆锥齿轮传动受力分析图和蜗轮蜗杆传动受力分析图进行分析讨论。接下来请各组分别派出1名代表上台讲解齿轮径向力、圆周力和轴向力方向的判断方法，以及相互间的作用和反作用关系，同组的其他学生对该名代表的讲解进行评价或修正。

然后教师针对各组的表现分别进行点评，并强调要点：①径向力分别指向各自轮心；②主动轮上的圆周力方向与力作用点处的速度方向相反，从动轮上圆周力方向与力作用点处的速度方向相同；③主动轮轴向力方向判定方法为左右手法则（圆锥齿轮轴向力方向由小端指向大端）。

1.4 课程思政

回顾机械原理介绍过的轮系，给出二级圆柱齿轮减速器的机构运动简图、立体图、装配图和实物照片，介绍其结构和减速增扭功能，告诉学生这是课程设计的对象，再次让学生明确齿轮系统受力分析的重要性。

由减速器传动比固定不变，变速器可实现变速传动，引入汽车变速器类别和主要供应商的介绍。由国内自主品牌变速器厂商和国外品牌厂商的产品质量和市场份额的差距，以及新能源汽车产业链上涌现出的诸多校友企业家及其创业故事，引入思政内容，激发学生的家国情怀、创新动力和钻研精神，努力投身产业报国、实业强国实现个人价值，同时也提升学生学习机械设计课程的兴趣。

1.5 参与式学习

参与是增强学习体验的关键，可采取多种师生、生生互动的方法，如小组讨论、案例研究、角色扮演等，鼓励学生主动融入教学环节，帮助学生达到既定学习目的，实现课堂教学目标[4]。

本课堂的参与式学习采用案例研讨的方式。教师先后提供两个难度适中的案例：两级斜齿圆柱齿轮减速器（图3）和两级蜗轮蜗杆减速器（图4），要求在使齿轮传动系统中间轴上的两轮所受轴向力能够互相抵消一部分的前提下，根据条件确定各轴的转向、各齿轮的旋向及其所受各分力的方向。

图3 两级斜齿圆柱齿轮减速器受力分析案例

图4 两级蜗轮蜗杆减速器受力分析案例

分别邀请1 名学生上台在黑板上画出各轴的转向、各齿轮的旋向及其所受各分力的方向，其他学生在作业纸上完成分析任务，鼓励相互讨论、向教师质疑。然后学生将结果拍照上传到课程教学网站，并完成课程网站上的选择题，系统自动批改并汇总，以便教师迅速掌握答题情况进行教学策略调整和因材施教，也便于期末对学生开展过程性评价。接着教师利用ppt 动画分析各齿轮的转向、旋向及其所受各分力的方向，随时解答学生插入的问题。最后点评上台答题的学生的答题情况。

1.6 后评估

后评估是通过有针对性的测评来检验学生本次课堂的学习效果，判断是否达成既定的教学目标，同样采取求解案例的方式进行。提高问题的挑战度，提供一个四级齿轮传动的案例要求学生进行分析判断（图5），该案例涵盖了预评估所涉及的斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮和蜗轮蜗杆传动受力分析，能够全面评估学生对知识点的掌握情况和逻辑分析推理的能力。同样要求学生将结果拍照上传到课程教学网站，并完成课程教学网站上的选择题。最后教师讲解点评，重点分析答题情况不理想、正确率较低的题目。

1.7 课堂总结

总结是对课堂教学知识点和重点内容的回顾和梳理，目的是进一步巩固学习效果，也可布置延伸思考的任务。课堂总结的要点有：（1）根据题意，顺着运动的传递路线分析，或者逆着运动的传递路线分析；（2）轴线与投影面平行时，表示外啮合两齿轮转向的箭头同时指向啮合线，或者同时背离啮合线；（3）外啮合两斜齿圆柱齿轮旋向相反，蜗轮和蜗杆的旋向相同；（4）只要知道主动轮的转向、旋向和轴向力方向当中的两者，第三者就能判断出来；（5）从动轮所受的圆周力是使其转动的原因。最后布置延伸思考题：要使中间轴上的两轮所受轴向力方向相反，这两轮的旋向应该相同，还是相反？

2 教学效果

新工科背景下机械工程教育改革迫切需要创新课程教学模式、教学方法和教学手段。BOPPPS 教学模式理念先进，以教学目标为导向，以学生为中心，符合认知规律，便于达成度评价。

齿轮传动系统受力分析的课堂教学基于BOPPPS教学模式进行了教学改革与实践，结果发现学生在这部分内容的考试得分率明显增加，后续课程设计的质量也获得提高。调研结果也表明学生的课堂参与度、知识获得感和满意度显著增强，改革措施有效提升了课程教学质量和学生综合能力。