基于BOPPPS模型的化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以拉伸或壓縮時(shí)直桿的應(yīng)力為例

劉赫揚(yáng)，王士財(cái)，楊瑞芹

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023)

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)是為化工類專業(yè)本科生開設(shè)的一門必修課，屬于綜合性課程，主要講授與化工設(shè)備相關(guān)的機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí)?；ぴO(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程涉及化學(xué)工程、工程力學(xué)、材料學(xué)和機(jī)械傳動(dòng)等多方面的知識(shí)，具有教學(xué)覆蓋面廣、學(xué)科交叉度高、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的推廣，大部分高校的化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程的學(xué)時(shí)數(shù)均大幅削減，從以往的96學(xué)時(shí)以上，驟減至64學(xué)時(shí)以下[1]。浙江科技學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)現(xiàn)行教學(xué)計(jì)劃中化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程甚至只有32學(xué)時(shí)。為了適應(yīng)這種變化，并提高教學(xué)質(zhì)量，不少高校都在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程與教材建設(shè)及課堂教學(xué)改革方面展開了許多實(shí)踐[2-7]，探索項(xiàng)目/任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)[8-9]、翻轉(zhuǎn)課堂[10]、ANSYS軟件[11]等教學(xué)模式或教學(xué)工具在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用，取得了一定的成效。但是，無論是采用何種教學(xué)模式或教學(xué)工具，都離不開對課堂教學(xué)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，在有限的課程學(xué)時(shí)數(shù)下，通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)來提高課堂教學(xué)質(zhì)量就具有十分重要的意義。BOPPPS模型起源于加拿大，是北美國家在教師技能培訓(xùn)中廣泛采用的教學(xué)模型。BOPPPS模型本質(zhì)上是一種組織教學(xué)流程的方法，著眼于效果、效率和效益3個(gè)方面，旨在通過構(gòu)建引言、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)前測評、參與式教學(xué)、學(xué)后測評和總結(jié)6大要素，提高學(xué)習(xí)者的參與度，達(dá)成有效教學(xué)，確保課堂成功[12-17]。本研究以化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)中拉伸或壓縮時(shí)直桿的應(yīng)力這一知識(shí)點(diǎn)的微課程設(shè)計(jì)為例，結(jié)合筆者在BOPPPS教學(xué)工作中的實(shí)踐，探討基于BOPPPS 模型的化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 BOPPPS模型

BOPPPS模型由加拿大不列顛哥倫比亞理工學(xué)院創(chuàng)建并推行，用于教學(xué)模式的設(shè)計(jì)[12]。BOPPPS模型強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，主要基于學(xué)習(xí)注意力曲線和學(xué)習(xí)金字塔這兩大科學(xué)研究成果構(gòu)建而成，前者指的是人在學(xué)習(xí)時(shí)注意力通常只能保持約15 min的高度集中；后者則指出團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)的效果比個(gè)人學(xué)習(xí)或被動(dòng)學(xué)習(xí)的效果要好得多。因此，為了契合學(xué)習(xí)注意力曲線，順應(yīng)學(xué)習(xí)金字塔理論，BOPPPS模型將課堂教學(xué)內(nèi)容分割為多個(gè)獨(dú)立教學(xué)單元(或微課)，每個(gè)單元的時(shí)長約15 min，在每個(gè)單元內(nèi)部都緊扣教學(xué)目標(biāo)，側(cè)重起承轉(zhuǎn)合，按照導(dǎo)入(bridge-in，B)、學(xué)習(xí)目標(biāo)(objective，O)、學(xué)前測評(pre-assessment，P)、參與式學(xué)習(xí)(participatory learning，P)、學(xué)后測評(post-assessment，P)和總結(jié)(summary，S)6個(gè)階段循序展開。根據(jù)BOPPPS模型的要求，1節(jié)45 min的課可以被拆分為2～4個(gè)獨(dú)立教學(xué)單元(或微課)，每個(gè)獨(dú)立教學(xué)單元都可依上述具體實(shí)踐流程實(shí)施教學(xué)。因此，BOPPPS模型具有實(shí)踐性和操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種值得推廣的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)工具。

2 BOPPPS模型下化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)微課設(shè)計(jì)思路

按照BOPPPS模型的要求，我們首先在教學(xué)實(shí)踐過程中對化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程進(jìn)行了梳理，形成了以知識(shí)點(diǎn)為單元的獨(dú)立教學(xué)模塊，以滿足時(shí)長約15 min的微課設(shè)計(jì)的需求。例如，我們把直桿的拉伸和壓縮這部分內(nèi)容分解為拉伸或壓縮時(shí)直桿的內(nèi)力、拉伸或壓縮時(shí)直桿的應(yīng)力、拉伸或壓縮時(shí)直桿的變形、材料受軸向拉壓時(shí)的力學(xué)性能和拉伸或壓縮時(shí)直桿的強(qiáng)度計(jì)算5個(gè)知識(shí)點(diǎn)。上述知識(shí)點(diǎn)的合理分解，為化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)的微課設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

在具體的教學(xué)設(shè)計(jì)方面，我們以學(xué)生為中心，一方面順應(yīng)學(xué)習(xí)金字塔，加強(qiáng)互動(dòng)教學(xué)，另一方面也堅(jiān)持問題導(dǎo)向，注重對學(xué)生工程分析能力的培養(yǎng)。以拉伸或壓縮時(shí)直桿的應(yīng)力為例，在學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)之前，學(xué)生已了解了拉伸或壓縮時(shí)直桿的形變特征，掌握了拉伸或壓縮時(shí)直桿內(nèi)力的特點(diǎn)及計(jì)算方法。學(xué)生學(xué)完該節(jié)內(nèi)容后，將能掌握拉伸或壓縮時(shí)直桿應(yīng)力的特點(diǎn)及計(jì)算方法，并且能夠分析直桿的危險(xiǎn)截面，也能對不同材料制成的直桿受到拉伸或壓縮時(shí)可能出現(xiàn)不同斷裂方式的原因有一定理解，為后續(xù)學(xué)習(xí)拉伸或壓縮時(shí)直桿的變形、力學(xué)性能及強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。此外，該知識(shí)點(diǎn)是學(xué)生第一次接觸應(yīng)力這個(gè)概念，因此在教學(xué)過程中，教師可在引言環(huán)節(jié)借助實(shí)際案例，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且通過學(xué)習(xí)目標(biāo)介紹和前測環(huán)節(jié)使學(xué)生對該知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)目的有明確直觀的認(rèn)識(shí)，再通過類比、拓展等方法使學(xué)生自然地理解應(yīng)力的定義，最后在對工程案例的探究、討論中使學(xué)生掌握拉伸或壓縮時(shí)直桿橫截面及斜截面上應(yīng)力的計(jì)算方法與實(shí)際應(yīng)用。需要注意的是，在問題解決及實(shí)例討論中，教師應(yīng)充分運(yùn)用多媒體資源，以提高教學(xué)效率，提升教學(xué)質(zhì)量。

3 基于BOPPPS模型的拉伸或壓縮時(shí)直桿的應(yīng)力教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo) 入

通過設(shè)問引出課題。首先提出問題：2根由相同材料制成但粗細(xì)不同的直桿，在受到同樣大小的軸向拉力作用時(shí)，橫截面上的內(nèi)力是相等的，那么這2根直桿發(fā)生斷裂的可能性相等嗎？學(xué)生一般都會(huì)回答：2根直桿發(fā)生斷裂的可能性不相等，細(xì)桿更易發(fā)生斷裂。由此引出核心問題：既然上述2根直桿橫截面上的內(nèi)力是相等的，而且內(nèi)力與物體的破壞情況有著密切的關(guān)系，那為什么細(xì)桿更易斷裂呢？究竟是哪個(gè)物理量在起作用呢？

3.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

該節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)用PPT展示如下。

知識(shí)目標(biāo)：理解應(yīng)力的概念，掌握拉伸或壓縮時(shí)直桿應(yīng)力的求取方法。

能力目標(biāo)：1)能熟練根據(jù)應(yīng)力大小來分析拉伸或壓縮時(shí)直桿的危險(xiǎn)截面；2)能熟練根據(jù)不同角度截面上應(yīng)力的特點(diǎn)來分析直桿被破壞的原因。

素質(zhì)目標(biāo)：通過對拉伸或壓縮時(shí)直桿應(yīng)力的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和探究意識(shí)。

3.3 學(xué)前測評

圖1 學(xué)前測評問題及其解答示意圖 Fig.1 The schematic diagram for the questions and their answers in pre-assessment part

對學(xué)生提出如下2個(gè)問題。

問題1：如圖1(a)所示某變直徑的圓桿，右半段的橫截面積是左半段的1.5倍，受軸向外力作用，其內(nèi)力沿桿件軸線如何分布？圖1(a)中d1、d2、P分別為變徑圓桿左半段的直徑、右半段的直徑及其受力值。

問題2：這根圓桿的哪一段比較危險(xiǎn)？

問題1和2的解如圖1(b)所示。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，問題1一方面是為了了解學(xué)生對“拉伸或壓縮時(shí)直桿的內(nèi)力”這部分內(nèi)容的掌握情況，另一方面可以起到對這部分內(nèi)容的復(fù)習(xí)鞏固作用。一般情況下，大部分學(xué)生都能夠回答正確。通常，學(xué)生對問題2也能夠給出正確的解答，盡管他們還不一定真正掌握其中蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)。這里，問題2的作用一方面是為了使學(xué)習(xí)目標(biāo)更加直觀化，另一方面也是為了培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)既有知識(shí)對未知問題大膽假設(shè)、小心求證的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3.4 參與式學(xué)習(xí)

3.4.1 應(yīng)力的定義

首先介紹應(yīng)力的定義：受力桿件某一截面上一點(diǎn)處的內(nèi)力集度，即內(nèi)力的集中程度。為了便于學(xué)生理解，此處以壓強(qiáng)與壓力的關(guān)系和應(yīng)力與內(nèi)力的關(guān)系做類比。接著由截面上某一微小面積ΔA上內(nèi)力ΔP的平均集度，即該微小面積ΔA上的平均應(yīng)力

進(jìn)一步推導(dǎo)出，當(dāng)面積趨于無窮小時(shí)，截面上某一點(diǎn)處全應(yīng)力p的數(shù)學(xué)定義：

從學(xué)生熟知的力的分解與合成這一知識(shí)，引出應(yīng)力的分解與合成，說明全應(yīng)力通?？梢苑纸鉃榕c截面垂直的法向分量σ(正應(yīng)力)和與截面相切的切向分量τ(剪應(yīng)力)。

3.4.2 拉伸或壓縮時(shí)直桿橫截面上的應(yīng)力

用動(dòng)畫演示的方法說明直桿在受到拉伸作用時(shí)，其橫截面將保持與軸線垂直不變，且仍為平面，只發(fā)生了沿軸線方向的移動(dòng)。由此，讓學(xué)生判斷直桿受拉伸作用時(shí)內(nèi)力在橫截面上的分布是否均勻，并與學(xué)生一起得到拉伸時(shí)直桿橫截面上應(yīng)力(且為正應(yīng)力)的表達(dá)式：

(1)

式(1)中：N為直桿橫截面上的內(nèi)力，A為直桿的橫截面積。

將受拉直桿橫截面上的正應(yīng)力推廣到受壓直桿，向?qū)W生說明正應(yīng)力的符號規(guī)定，并指出直桿受到拉伸或壓縮時(shí)，最大工作應(yīng)力所在的截面最容易發(fā)生危險(xiǎn)，故該截面被稱為危險(xiǎn)截面，在工程上要對它加以重視。

3.4.3 拉伸或壓縮時(shí)直桿斜截面上的應(yīng)力

教師播放一段視頻，主要內(nèi)容是鑄鐵桿件受到拉伸時(shí)會(huì)沿橫截面被破壞，但受到壓縮時(shí)卻沿著斜截面被破壞。讓學(xué)生討論：到底是什么原因?qū)е逻@種現(xiàn)象的。

教師與學(xué)生一起分析直桿斜截面上的應(yīng)力，并提醒學(xué)生注意觀察：分析過程是否正確。在分析過程中選擇一處故意制造錯(cuò)誤，如將斜截面上內(nèi)力的方向表示成與截面相垂直而不是與軸線相一致，以此加強(qiáng)學(xué)生對之前學(xué)過的截面法求內(nèi)力的理解。經(jīng)分析，得到拉伸或壓縮時(shí)直桿斜截面上各點(diǎn)的全應(yīng)力

pα=σcosα。

(2)

并將其分解為正應(yīng)力σα和剪應(yīng)力τα：

σα=σcos2α，

(3)

(4)

式(2)～(4)中：α為斜截面與橫截面的夾角。

最后，回到之前的視頻，讓學(xué)生再次討論為何會(huì)發(fā)生鑄鐵受壓時(shí)斷面并非橫截面的原因，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

3.5 學(xué)后測評

圖2 知識(shí)點(diǎn)總結(jié)Fig.2 Summary of knowledge points

用課堂練習(xí)的方式，讓學(xué)生計(jì)算拉伸或壓縮時(shí)直桿在不同截面上的應(yīng)力。例如：學(xué)前測評的問題2。

3.6 總 結(jié)

利用PPT展示(圖2)，進(jìn)一步理清該知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在邏輯，突出該知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用與實(shí)例，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系，強(qiáng)化工程意識(shí)的培養(yǎng)。

4 結(jié) 語

通過上述從問題的引入、應(yīng)力的定義，到拉伸或壓縮時(shí)直桿橫截面與斜截面上的應(yīng)力求解與特征，教師借助動(dòng)畫和視頻等多媒體工具，結(jié)合問題式與探究式的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行講授，達(dá)到了既順利克服教學(xué)難點(diǎn)又緊貼工程應(yīng)用的目的。可見，BOPPPS模型為化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)的課堂流程組織提供了一種很好的方法。在教學(xué)過程中，教師可以按照BOPPPS模型的要求，把化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)的課程內(nèi)容按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，對各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有針對性的教學(xué)設(shè)計(jì)，借助參與式學(xué)習(xí)，突出重點(diǎn)、克服難點(diǎn)，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，重視工程分析能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)有效課堂教學(xué)，真正做到以學(xué)生為中心。應(yīng)用BOPPPS模型進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)后，浙江科技學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程的課堂教學(xué)氣氛日趨活躍，學(xué)生參與積極性高，課程的畢業(yè)要求達(dá)成度加權(quán)值也從約0.20(2013—2014學(xué)年)提升到了約0.22(2015—2016學(xué)年和2016—2017學(xué)年)，成效明顯。

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