基于信息化技術(shù)的大學(xué)物理實驗BOPPPS教學(xué)模式

白士剛 張宇亮 馮放

[摘 要]課題組鑒于當(dāng)前大學(xué)物理實驗課程教學(xué)存在問題，提出了基于信息化的大學(xué)物理實驗BOPPPS教學(xué)模式，將BOPPPS教學(xué)模式的導(dǎo)入、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)各環(huán)節(jié)，通過信息化技術(shù)手段在大學(xué)物理實驗課程教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，旨在探索一種有效的信息化大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，能更好地提高實驗課的課堂教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗?zāi)芰Α?/p>

[關(guān)鍵詞]信息化;大學(xué)物理;教學(xué)模式;實驗教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0088-03

大學(xué)物理實驗是一門實踐性課程，是對理工科學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端。大學(xué)物理實驗課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不僅能幫助學(xué)生正確理解物理概念和規(guī)律，而且有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生動手能力、觀察能力、創(chuàng)新思維能力、理論聯(lián)系實際能力以及分析問題和解決問題的能力。

一、BOPPPS教學(xué)模式

BOPPPS教學(xué)模型是北美高校教師技能培訓(xùn)過程中推崇的一個教學(xué)模型，是根據(jù)教育學(xué)人的認(rèn)知理論提出的一種教學(xué)過程設(shè)計[1-5]。BOPPPS 模型將知識點教學(xué)過程劃分為引入（Bridge-in）、目標(biāo)（Objective）、前測（Preassessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory learning）、后測（Postassessment）、總結(jié)（Summary）6 個部分，簡稱為BOPPPS。BOPPPS 模型的核心有兩點：一是強調(diào)學(xué)生全方位參與式學(xué)習(xí)而不只是聽講;二是要及時獲得學(xué)生的反饋信息，以調(diào)整后續(xù)教學(xué)活動。教師在課堂教學(xué)過程中可以借鑒這種模型，充分應(yīng)用靈活多樣、直觀形象的教學(xué)手段，鼓勵學(xué)生積極參與教學(xué)過程，使學(xué)生能深刻地領(lǐng)會和掌握所學(xué)知識。

二、傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗課程存在問題

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容，以驗證性實驗內(nèi)容為主，學(xué)生僅是對已有知識進(jìn)行實驗驗證。2019年以來，我們增加了設(shè)計性實驗、創(chuàng)新性實驗，以提高課程對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用。但是，在具體開展過程中，仍然困擾于基礎(chǔ)類公共課程學(xué)生數(shù)量大的障礙，難以保證此類課程的開設(shè)效果。

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)方式，往往是教師詳細(xì)地講解實驗原理、方法、步驟、儀器使用、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等，甚至有的教師還會在學(xué)生做實驗之前把實驗從頭到尾地演示一遍，這樣學(xué)生操作就是被動地按照教師演示的步驟機(jī)械地重復(fù)實驗操作，然后成功地獲得實驗數(shù)據(jù)，完成實驗任務(wù)。部分學(xué)生完全是應(yīng)付了事，實驗做完以后根本不知道自己做了什么，連實驗儀器名稱都記得不清不楚，回去以后根本不知道如何做數(shù)據(jù)處理，就更談不上提高動手能力和創(chuàng)新能力了。

另外，傳統(tǒng)的實驗報告書寫格式相對固定，比如要求學(xué)生依次寫出實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗儀器、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)及處理、誤差分析與討論以及對實驗的建議、體會等。格式化的實驗報告很難體現(xiàn)出學(xué)生實驗的個性，基本上是大同小異的，從中很難看出學(xué)生對待實驗的態(tài)度以及是否下功夫去仔細(xì)思考、總結(jié)本次實驗，更難見到有特色、有創(chuàng)新、有一定水平的實驗報告。同時，學(xué)生實驗報告的內(nèi)容基本上從教材中來，照抄或大量摘抄是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，這也在無形中助長了學(xué)生的依賴性和懶惰性，養(yǎng)成一種應(yīng)付了事、不重視實驗課的不良學(xué)風(fēng)。

基于BOPPPS 模型課堂的核心是以學(xué)生為主體的參與式學(xué)習(xí)過程，實驗的目的就是需要學(xué)生通過自己動手來掌握相關(guān)的實驗知識和技能，因此BOOPPPS模式非常適合應(yīng)用在大學(xué)物理實驗教學(xué)中。

三、基于信息化技術(shù)的大學(xué)物理BOPPPS新型教學(xué)模式的實現(xiàn)

（一）基于微信公眾號平臺實現(xiàn)BOPPPS教學(xué)模式第一個環(huán)節(jié)——引入

引入是BOPPPS教學(xué)模式的第一個環(huán)節(jié)，也就是所說的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗預(yù)習(xí)，是通過讓學(xué)生在課前完成實驗報告來進(jìn)行的，學(xué)生通過教材自行學(xué)習(xí)下一節(jié)課所要做的實驗，初步掌握該實驗的實驗原理、實驗方法、實驗步驟、需要記錄的數(shù)據(jù)等。但教材并沒有給出實際的實驗儀器的具體樣子，表述不夠直觀，因此基于微信平臺建立了東北農(nóng)大物理公眾號。這是一個預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)平臺，內(nèi)容主要包括實驗課程和理論課程。實驗課程包括實驗課表查詢和實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)，理論課程包括答疑安排、物理欣賞、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和SPOC平臺。這樣學(xué)生就可以非常方便地通過公眾號進(jìn)行物理課表的查詢，隨時知道自己下一節(jié)課做哪個實驗，而進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)習(xí)。公眾號內(nèi)實驗預(yù)習(xí)的內(nèi)容主要是作為教材的一個補充，以實際儀器的圖片配以相應(yīng)說明的形式，對本次實驗中應(yīng)該注意的問題進(jìn)直觀、詳細(xì)的說明。這樣學(xué)生通過教材閱讀掌握了一定的實驗原理和實驗內(nèi)容，對整個實驗步驟有了一定的認(rèn)識，再對照公眾號中實際使用的儀器的照片，就可以直觀地了解該實驗中應(yīng)該注意的一些地方。實驗（一）長度、質(zhì)量測量儀器及應(yīng)用和實驗（二）用牛頓環(huán)儀測透鏡的曲率半徑是兩個試點實驗項目。例如在實驗（一）長度單位的測量中，學(xué)生對物理天平比較陌生，通過教材預(yù)習(xí)后，一些學(xué)生還是無法正確地掌握其使用方法，因此通過在實際照片上配以說明文字的形式，對物理天平在使用中遇到的常見問題進(jìn)行說明，能讓學(xué)生一目了然，掌握好物理天平的使用方法。

（二）基于“學(xué)習(xí)通”平臺實現(xiàn)BOPPPS教學(xué)模式第二個環(huán)節(jié)——前測

前測是BOPPPS模式的第二個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)中前測主要通過課堂教師對學(xué)生進(jìn)行提問的形式，來檢查學(xué)生對整個實驗的預(yù)習(xí)情況，但是缺點也顯而易見，那就是對學(xué)生的覆蓋面窄，因為不可能對每個學(xué)生都進(jìn)行提問，這會占用大量的課堂時間。理想的情況應(yīng)該是在盡量不多占用課堂時間的前提下，教師可以對每個學(xué)生進(jìn)行多個問題的測試，這樣才可以了解每個學(xué)生的預(yù)習(xí)情況?；凇皩W(xué)習(xí)通”平臺的預(yù)習(xí)測試就是可以解決這個難題的一種相對理想的手段?！皩W(xué)習(xí)通”是一款由超星進(jìn)行開發(fā)的手機(jī)App，如圖1所示，通過“學(xué)習(xí)通”可以建立相應(yīng)的課程，并且可以發(fā)布問題，對每個學(xué)生進(jìn)行實時測試。具體做法是，通過“學(xué)習(xí)通”平臺發(fā)布教師提前準(zhǔn)備好的問題，包括多個選擇題和一到兩個簡單的問答題，讓學(xué)生當(dāng)場作答并上傳答案，系統(tǒng)就馬上把答題情況反饋給教師，從而做到在較短時間內(nèi)對所有學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)情況的考察，這就解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的前測無法全面掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況的問題。

（三）基于虛擬仿真實驗全面提升大學(xué)物理實驗課堂講授效果，實現(xiàn)BOPPPS教學(xué)模式第三個環(huán)節(jié)——參與式學(xué)習(xí)

BOPPPS模式的第三個環(huán)節(jié)是課堂參與式學(xué)習(xí)，在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師主要是通過PPT和板書對本次實驗的實驗儀器、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和其他相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行講解。其中實驗步驟的講解是整個課堂講解過程的關(guān)鍵，因為它直接關(guān)系到學(xué)生的實驗操作過程是否正確，從而能否得出正確的實驗結(jié)果。通常情況下，教師會通過文字的講解來說明此次實驗內(nèi)容和操作步驟，這樣做的缺點是比較抽象，學(xué)生接受的程度一般。也有的教師選擇本次實驗的一個實驗臺，在當(dāng)前實驗臺上對實驗步驟儀器的具體操作進(jìn)行演示，學(xué)生則通過觀察教師的操作來學(xué)習(xí)，這其中最大的問題就是學(xué)生觀察教師做實驗時要圍在實驗臺周圍，受場地實驗臺大小的影響，可能會存在一部分學(xué)生對教師的操作觀察不清楚的情況，影響后續(xù)學(xué)生的具體操作。因此，在課堂講解環(huán)節(jié)，在實驗操作這一部分，可利用大學(xué)物理實驗仿真操作教學(xué)軟件來進(jìn)行講授[6]。該款仿真模擬軟件是通過Flash動畫的形式來演示實驗具體過程，并且可以通過人為的操作來控制實驗的進(jìn)行，可以100%地模擬實驗操作過程，通過投影儀的播放，將本次實驗的操作過程直觀、清晰地展現(xiàn)在所有學(xué)生面前，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中抽象、場地小的缺點。并且，對于一些前后兩個步驟相隔時間長的實驗，如果親自演示實驗則必須等待一定的時間，而利用仿真模擬軟件則可以直接進(jìn)行下一步實驗，大大節(jié)約了時間。而對于一些關(guān)鍵實驗步驟，學(xué)生可以反復(fù)模擬反復(fù)播放，從而加深記憶，這在實際實驗演示中是不能實現(xiàn)的，因為反復(fù)地進(jìn)行一些時間較長的實驗會大量占用課堂有限的時間，影響后續(xù)的教學(xué)活動的進(jìn)行。對于實驗中要注意的細(xì)節(jié)問題也可以利用仿真模擬軟件進(jìn)行講解，并且可以利用軟件的放大功能，對實際實驗儀器的一些細(xì)小的部分進(jìn)行放大，讓實驗儀器充分暴露在學(xué)生面前，讓學(xué)生實實在在地掌握實驗儀器的正確使用方法，從而進(jìn)行正確的實驗操作。該大學(xué)物理仿真模擬軟件也整合到了東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以自行找到該仿真模擬軟件，自行對已做過的和沒做過的大學(xué)物理實驗進(jìn)行課前與課后的模擬。相比傳統(tǒng)教學(xué)的紙上談兵，利用仿真模擬軟件輔助教學(xué)，具有明顯的優(yōu)勢。首先，學(xué)生課前對實驗中將要使用的儀器一目了然，對照面前的實際儀器印象更加深刻。其次，學(xué)生經(jīng)過自我模擬測試后進(jìn)入實驗室，可以有效提升課堂實驗操作準(zhǔn)確度和完成度，大大節(jié)約了教師講授時間，提高了效率。

（四）基于局域網(wǎng)或微信小程序（開發(fā)中）全面提升學(xué)生操作環(huán)節(jié)指導(dǎo)效果，實現(xiàn)BOPPPS的第四個環(huán)節(jié)——后測

后測是BOPPPS的第四個環(huán)節(jié)，在大學(xué)物理實驗中也就是學(xué)生的實驗操作環(huán)節(jié)。學(xué)生實驗操作是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過學(xué)生實驗操作環(huán)節(jié)可以檢驗一個學(xué)生對實驗原理和內(nèi)容的掌握情況和學(xué)生的動手操作情況。傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師通過在教室中來回走動觀察每個學(xué)生的操作來掌握學(xué)生的實驗情況，但由于教師只有一雙眼睛，無法有效地了解每一個學(xué)生的操作情況，通常是通過檢查學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)來對學(xué)生的操作進(jìn)行判斷。我們可設(shè)計并開發(fā)一款小程序，旨在可以實時監(jiān)測學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，把學(xué)生的實驗操作情況及時反饋給教師，讓教師可以掌握每一個學(xué)生的實驗操作情況，對操作有問題的學(xué)生及時進(jìn)行糾正指導(dǎo)。這個設(shè)計的具體思路是，讓學(xué)生把實驗過程中的數(shù)據(jù)實時上傳，系統(tǒng)通過設(shè)定的程序給學(xué)生以實時反饋，即該次上傳的實驗數(shù)據(jù)是否正確，正確的學(xué)生則可以繼續(xù)進(jìn)行實驗，存在問題的數(shù)據(jù)系統(tǒng)會提示學(xué)生相關(guān)的操作要點，讓學(xué)生進(jìn)行自檢并重新進(jìn)行實驗，同時數(shù)據(jù)也反饋到教師的終端上，使教師可以實時把握學(xué)生進(jìn)行實驗操作的情況，可以及時到數(shù)據(jù)不正確的學(xué)生身邊進(jìn)行指導(dǎo)。

（五）建立學(xué)生實驗數(shù)據(jù)計算機(jī)自動評判系統(tǒng)，客觀考核學(xué)生實驗效果，實現(xiàn)BOPPPS教學(xué)模式的最后一個環(huán)節(jié)——總結(jié)

總結(jié)是BOPPPS教學(xué)模式的最后一個環(huán)節(jié)，包括小結(jié)和考核。大學(xué)物理實驗傳統(tǒng)的考核方式是通過對學(xué)生實驗報告的批改，來判斷學(xué)生對上次實驗的掌握情況。學(xué)生對本次實驗的反思也僅限于在完成實驗報告的過程中，對實驗的反思效果不明顯，嚴(yán)重的還會出現(xiàn)抄襲的情況，并且由于大學(xué)物理實驗自身的特點，下次實驗一般不會對上次實驗進(jìn)行總結(jié)和討論。

為了改善這一個情況，仍然可以借助信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如，基于無線WIFI數(shù)據(jù)傳輸，建立數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，自動考核學(xué)生數(shù)據(jù)計算結(jié)果。同時可將翻轉(zhuǎn)課堂和小組討論加入大學(xué)物理實驗的教學(xué)中去，采取實驗報告、課堂匯報和答辯（同時為下一組同學(xué)講解）等多種方式來檢驗學(xué)生對上次實驗的掌握情況，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，不讓學(xué)生做過就算，學(xué)過就忘，而是要趁熱打鐵，鞏固所學(xué)知識，真正掌握實驗的精髓，切實提高自身的理論水平和實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力?；谟嬎銠C(jī)仿真實驗的自動評判，是解決學(xué)生數(shù)量大、操作考核時間成本高、教師工作量大的問題。學(xué)生通過在網(wǎng)絡(luò)平臺的模擬操作，獲得實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時進(jìn)行不確定度的計算等必要的實驗操作和數(shù)據(jù)處理，然后上傳處理結(jié)果。計算機(jī)可根據(jù)學(xué)生操作規(guī)范性、數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行自動判斷，并給出成績。

信息化教學(xué)是大勢所趨，而如何將信息化有效地融入教學(xué)中去，采用更多更好的信息化理念和手段則是關(guān)鍵。BOPPS教學(xué)模式的核心是以學(xué)生為主體的參與式學(xué)習(xí)過程，以大學(xué)物理實驗?zāi)M仿真軟件、微信預(yù)習(xí)考試平臺和“學(xué)習(xí)通”測試平臺作為信息化的具體手段，將它們運用到大學(xué)物理實驗BOPPPS教學(xué)模式中去，旨在探索一種有效的信息化大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，從而更好地提高實驗課的課堂教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗?zāi)芰Α?/p>

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[5] 孫亞南，王楠，張東敏，等.高校青年教師實現(xiàn)有效教學(xué)的思路研究：基于BOPPPS模式的分析與應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2017（45）：134-136.

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]