“金課”建設(shè)背景下基于BOPPPS模型的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以傳熱學(xué)課程為例

趙佳悅

（山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600）

2018年6月21日，教育部部長(zhǎng)陳寶生在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上第一次提出“金課”的概念，指出要提高當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加課程難度，拓展課程深度，擴(kuò)大課程的可選擇性，真正把“水課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。同年8月，教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》（教高函〔2018〕8號(hào)），要求各高校淘汰“水課”、打造“金課”，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量[1]。2019年6月1日，山西省33所本科高校參加了山西省教育廳主辦的山西省高?！敖鹫n”建設(shè)研討會(huì)[2]。金課的提出無疑對(duì)我國(guó)高校培養(yǎng)新時(shí)代的人才提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，也為山西省高校教學(xué)改革指引了方向。

1 傳熱學(xué)的課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)，其是當(dāng)前能源與動(dòng)力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、化工等許多工科專業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)課程[3-4]。傳熱學(xué)課程知識(shí)體系較復(fù)雜，教材中概念多、公式多，且公式推導(dǎo)中普遍運(yùn)用微積分，難度較大。傳統(tǒng)的傳熱學(xué)課堂以“填鴨式”教學(xué)為主，存在課堂以教師為中心、教學(xué)目標(biāo)無法直接衡量、缺少課堂評(píng)價(jià)反饋機(jī)制等一系列問題，造成了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、課程質(zhì)量與人才培養(yǎng)目標(biāo)不匹配的后果。

1.1 課堂以教師為中心

傳統(tǒng)課堂中，教師以書本內(nèi)容為主，更多關(guān)注的是是否將知識(shí)、技能準(zhǔn)確地講授，而忽略了課堂上最活躍、最復(fù)雜，也是最重要的元素之一——學(xué)生。于是整個(gè)課堂往往是教師在講臺(tái)上不斷地推導(dǎo)公式，闡述定理，而學(xué)生則處于被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)，缺乏學(xué)習(xí)積極性[5]。

1.2 教學(xué)目標(biāo)無法直接衡量

目前，傳熱學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)大多無法進(jìn)行直接考察，如第一章中緒論的教學(xué)目標(biāo)一般定為了解傳熱學(xué)在中各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，理解導(dǎo)熱、對(duì)流換熱及熱輻射在一般情況下的傳熱量計(jì)算，掌握熱量傳遞的三種基本方式及傳熱過程的熱阻分析方法。這些目標(biāo)的闡述幾乎全部使用內(nèi)隱動(dòng)詞，如了解、理解、掌握等，從這些詞僅僅可以得出知識(shí)點(diǎn)的重要程度，而沒有讓學(xué)生通過行動(dòng)來描述對(duì)內(nèi)容的掌握程度，即目標(biāo)無法達(dá)到可測(cè)量或可觀察的效果。

1.3 缺少課堂評(píng)價(jià)反饋機(jī)制

傳統(tǒng)傳熱學(xué)課堂上有效的教學(xué)反饋很少。有些教學(xué)方法并不適合所教學(xué)生，但教師大多數(shù)情況下得不到及時(shí)反饋，于是無法做到持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)必須了解培養(yǎng)全面發(fā)展型人才的需要和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，結(jié)合具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并采用有效課堂評(píng)價(jià)反饋機(jī)制來保障教學(xué)質(zhì)量的不斷提高。

2 BOPPPS教學(xué)模型的內(nèi)涵

BOPPPS教學(xué)模型起源于加拿大，后來在北美眾多高校被廣泛使用，目前已在全球范圍內(nèi)被推崇。BOPPPS教學(xué)模型根據(jù)人在課堂的注意力大約只能集中15min的規(guī)律，將課堂教學(xué)內(nèi)容劃分為幾個(gè)15min的單元，并將教學(xué)環(huán)節(jié)分成導(dǎo)入（bridge in）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（learning objective）、前測(cè)（pre-assessment）、參與式學(xué)習(xí)（participatory learning）、后測(cè)（post-assessment）、總結(jié)（summary）六個(gè)部分，每個(gè)部分各自獨(dú)立，又互相連貫[6]。

（1）導(dǎo)入部分是為了幫助學(xué)生專注或連接即將介紹的內(nèi)容。教師可以通過回顧之前所學(xué)的內(nèi)容并過渡到新的內(nèi)容上來，也可以講述一些與課堂內(nèi)容有關(guān)的故事，或提出和主題相關(guān)聯(lián)的引導(dǎo)問題，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。（2）學(xué)習(xí)目標(biāo)是指教學(xué)活動(dòng)實(shí)施的方向和預(yù)期達(dá)到的效果，通常包括認(rèn)知、情感和技能三個(gè)方面。一個(gè)規(guī)范的學(xué)習(xí)目標(biāo)須包含四個(gè)要素，即對(duì)象（who）、行為（will do what）、條件（under what condition）和標(biāo)準(zhǔn)（how well），設(shè)定明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中把握學(xué)習(xí)方向。（3）前測(cè)是對(duì)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和能力進(jìn)行摸底，可以通過提問、問卷調(diào)查或小測(cè)試等方式進(jìn)行。前測(cè)能幫助教師調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和深度，同時(shí)也促進(jìn)學(xué)生聚焦課堂目的，表達(dá)學(xué)習(xí)愿望。（4）參與式學(xué)習(xí)是指學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教師參與學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。此環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以教師提問、學(xué)生討論、角色扮演等多種形式展開，使學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容。（5）后測(cè)是運(yùn)用測(cè)驗(yàn)和評(píng)價(jià)的方法來了解學(xué)生學(xué)到的內(nèi)容，以及是否達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)，有利于教師改進(jìn)教學(xué)方法。（6）總結(jié)是對(duì)整堂課程內(nèi)容的梳理和整合，并預(yù)告下堂課內(nèi)容，起到承前啟后的作用。

BOPPPS教學(xué)模型真正關(guān)注學(xué)生的發(fā)展和需求，讓學(xué)生更好地參與學(xué)習(xí)，并及時(shí)獲取反饋信息，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，這與“金課”的基本要求相符。BOPPPS教學(xué)模型提供的基本框架，不僅可以使教師合理安排教學(xué)內(nèi)容，改變傳統(tǒng)課堂以教師為主體的師生關(guān)系，從而更有效地讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，還可以幫助教師及時(shí)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，改進(jìn)教學(xué)方法。

3 基于BOPPPS模型的傳熱學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

以穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)中典型的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解的內(nèi)容為例，按照BOPPPS模型，可以將此節(jié)內(nèi)容分為以15min為一個(gè)單元的三個(gè)授課單元，分別為通過平壁的導(dǎo)熱，通過圓筒壁的導(dǎo)熱，帶第二類、第三類邊界條件的一維導(dǎo)熱問題。以通過平壁的導(dǎo)熱為例，進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 導(dǎo)入

首先對(duì)上一節(jié)——導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫中的內(nèi)容進(jìn)行回顧，讓學(xué)生寫出笛卡爾坐標(biāo)系中三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式，以及不同條件下相應(yīng)的簡(jiǎn)化形式，作為本節(jié)的知識(shí)基礎(chǔ)。接著提出與生活或工程實(shí)際聯(lián)系緊密導(dǎo)熱問題，引起學(xué)生探究知識(shí)的興趣，如一塊鋼板上結(jié)了水垢和灰垢，會(huì)對(duì)鋼板的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生怎樣的影響？爐墻平壁用兩層同樣厚度但導(dǎo)熱系數(shù)不同的保溫材料保溫，將導(dǎo)熱系數(shù)大的材料放在內(nèi)側(cè)還是外側(cè)保溫效果好？

3.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)是課堂教學(xué)中非常關(guān)鍵的部分，BOPPPS方法中的學(xué)習(xí)目標(biāo)，而非教學(xué)目標(biāo)，就是要讓學(xué)生清楚地知道通過學(xué)習(xí)平壁導(dǎo)熱要達(dá)成怎樣的目的，因而學(xué)習(xí)目標(biāo)需要具有可觀察性或可測(cè)量性。該節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）知識(shí)目標(biāo)。能夠說明熱流量、熱阻和溫壓的物理意義。

（2）能力目標(biāo)。能夠熟練運(yùn)用通過單層平壁導(dǎo)熱的計(jì)算公式求解相關(guān)參數(shù)；能夠熟練使用熱阻法計(jì)算通過多層平壁的熱流量。

（3）素質(zhì)目標(biāo)。通過學(xué)習(xí)培養(yǎng)歸納總結(jié)問題、分析問題和解決問題和的能力；培養(yǎng)探究意識(shí)。

3.3 前測(cè)

根據(jù)之前所學(xué)和即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容，對(duì)學(xué)生進(jìn)行如下提問：

請(qǐng)根據(jù)以下條件對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系下的三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行化簡(jiǎn)：（1）一維；（2）無內(nèi)熱源；（3）常物性；（4）穩(wěn)態(tài)。

以上問題的解答如下：根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系中三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式，即式（1），以及上述四個(gè)給定條件，可寫出方程的簡(jiǎn)化結(jié)果，即式（2）[4]。

此問題一方面是為了了解學(xué)生對(duì)上一節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容的掌握情況，另一方面可以使學(xué)生過渡到該節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中來。一般情況下，大多數(shù)學(xué)生都能夠得出正確答案。

3.4 參與式學(xué)習(xí)

（1）通過單層平壁的導(dǎo)熱。首先讓學(xué)生寫出通過厚度為δ的無內(nèi)熱源單層平壁的導(dǎo)熱微分方程，即前測(cè)部分簡(jiǎn)化結(jié)果式（2）。假設(shè)平壁兩個(gè)側(cè)面面積均為A，兩表面溫度恒定，分別為t1、t2，如圖1所示?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生寫出以下定解條件：x=0，t=t1；x=δ，t=t2。

圖1 通過平壁的導(dǎo)熱

根據(jù)微分方程和定解條件，解得溫度分布為：

再通過學(xué)生熟知的傅立葉定律，即可得出平壁導(dǎo)熱的計(jì)算公式：

接著通過讓學(xué)生自行將平壁導(dǎo)熱公式與電路中的歐姆定律進(jìn)行類比，可以讓他們深刻理解熱阻的概念。在電學(xué)中，I=U/R，即過程中的轉(zhuǎn)移量=過程的動(dòng)力/過程的阻力；同理，在平壁導(dǎo)熱中，式（5）可以改寫為：

式中：熱流量相當(dāng)于歐姆定律中的I，為導(dǎo)熱過程中的轉(zhuǎn)移量；溫壓Δt為轉(zhuǎn)移過程中的動(dòng)力，即有溫差才存在熱量的傳遞；分母為熱阻R，代表轉(zhuǎn)移過程中的阻力。

（2）通過多層平壁的導(dǎo)熱。以三層平壁為例來分析多層平壁導(dǎo)熱情況，假設(shè)各層平壁厚度為δ1、δ2、δ3，導(dǎo)熱系數(shù)為λ1、λ2、λ3，多層壁兩外表面的溫度t1、t2，現(xiàn)要確定通過平壁的熱流密度，如圖2所示。此時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用熱阻串聯(lián)的方法，分組討論進(jìn)行求解，并派出幾名代表展示結(jié)果。

圖2 三層平壁導(dǎo)熱

根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，三層壁的總熱阻表達(dá)式如下：

可得熱流密度計(jì)算公式：

以此類推，得出n層平壁的熱流密度計(jì)算公式：

回到前測(cè)的問題中，金屬表面結(jié)垢時(shí)，污垢的導(dǎo)熱系數(shù)一般較小，導(dǎo)致熱阻較大，使物體的導(dǎo)熱性能變差：而爐墻平壁用兩層同樣厚度但導(dǎo)熱系數(shù)不同的保溫材料保溫，根據(jù)式（9），無論將兩層保溫材料如何疊放，保溫效果都相同。

3.5 后測(cè)

利用隨堂練習(xí)方式，使學(xué)生通過相關(guān)題目加深印象；同時(shí)，提出課后思考題：冬天把毛衣穿在里邊還是秋衣穿在里邊更保暖（一般毛衣導(dǎo)熱系數(shù)小于秋衣），來引入下一單元通過圓筒壁導(dǎo)熱的內(nèi)容。

3.6 總結(jié)

將知識(shí)點(diǎn)利用PPT展示進(jìn)行總結(jié)，如圖3所示。這樣幫助學(xué)生理清知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，通過知識(shí)點(diǎn)的生活應(yīng)用以及工程實(shí)例，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。

4 結(jié)束語

圖3 知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

綜上所述，在“金課”建設(shè)和教學(xué)改革的背景下，基于BOPPPS模型設(shè)計(jì)的傳熱學(xué)課堂教學(xué)過程，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，構(gòu)建以知識(shí)、能力、素質(zhì)培養(yǎng)為主的學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過引入實(shí)例來啟發(fā)學(xué)生思維，結(jié)合前測(cè)了解學(xué)生整體情況，引導(dǎo)學(xué)生真正參與學(xué)習(xí)，利用后測(cè)來評(píng)價(jià)目標(biāo)達(dá)成度，運(yùn)用課堂互動(dòng)和及時(shí)反饋不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法的舉措，在傳熱學(xué)課堂教學(xué)中取得了良好效果，為高校其他工程類課程的“金課”建設(shè)提供了參考。