BOPPPS教學(xué)模式下大學(xué)物理線上課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“動生電動勢”為例

胡 森,劉 丹

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

隨著時代發(fā)展和教育技術(shù)進(jìn)步，世界高等教育尤其是我國高等教育已經(jīng)進(jìn)入一個“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”的新的歷史發(fā)展時期。近年來，伴隨著在線開放課程如火如荼地開展，以MOOC為代表的線上線下教育模式被引入課堂教學(xué)，在大學(xué)教學(xué)中扮演著越來越重要的角色[1]。特別是2020年春季開始，突如其來的新冠肺炎使得全國高校的教學(xué)模式被強(qiáng)制性地納入線上教學(xué)模式。如此大規(guī)模的采用線上教學(xué)在世界歷史上乃是首次，因此勢必引起一場前所未有的教育變革。疫情防控結(jié)束后即便回歸傳統(tǒng)課堂，相信廣大教師和學(xué)生也一定會對在線教學(xué)的形式有全新的認(rèn)識，對未來基于互聯(lián)網(wǎng)的教育教學(xué)改革滿懷憧憬[2]。

大學(xué)物理作為高等院校理工科非物理專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，在各專業(yè)知識體系建構(gòu)中有著不可或缺的作用。作為一門受眾面十分廣泛的課程，大學(xué)物理具有開發(fā)MOOC課程的先天優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在愛課程中國大學(xué)MOOC平臺上，大學(xué)物理相關(guān)課程的門數(shù)就達(dá)到了220余門，開課院校涵蓋了雙一流國家重點(diǎn)高校、普通地方本科院校以及職業(yè)技術(shù)院校等多個層次。這些大學(xué)物理課程制作精良、內(nèi)容豐富，在疫情防控期間給修讀該課程的學(xué)生們提供了優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源[3]。與傳統(tǒng)課堂教學(xué)不同，線上教學(xué)的課程一般是由微課視頻及其他如拓展資源、學(xué)習(xí)計(jì)劃、作業(yè)要求、考核辦法等教學(xué)資源構(gòu)成。其中，作為核心內(nèi)容的微課視頻不應(yīng)是課堂教學(xué)的簡單實(shí)錄，而應(yīng)是以學(xué)生為中心，圍繞著某個知識點(diǎn)(重點(diǎn)難點(diǎn)疑點(diǎn))或教學(xué)環(huán)節(jié)而開展的教與學(xué)活動的全過程。考慮到觀看教學(xué)視頻時人的注意力難以長時間保持，微課教學(xué)視頻的時長不宜過長，更不宜直接以課堂教學(xué)實(shí)錄來代替。一項(xiàng)關(guān)于大學(xué)物理在線教學(xué)學(xué)習(xí)效果的問卷調(diào)查顯示，由于線上教學(xué)的局限性，尤其是缺少師生交流互動和必要的學(xué)習(xí)監(jiān)管，很多時候錄制精美的教學(xué)視頻變成了主講教師“唱獨(dú)角戲”，更有甚者淪為學(xué)生開著視頻玩其他線上游戲的“背景音樂”。因此，為保障大學(xué)物理線上教學(xué)的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生線上學(xué)習(xí)的效率，我們必須科學(xué)、規(guī)范地做好線上教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。一方面我們需要將原教學(xué)內(nèi)容盡量拆解成以知識點(diǎn)為單元的系列微課串成章節(jié)或課程體系，另外一方面更需要引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)理念來對大學(xué)物理線上課堂教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)、規(guī)范的設(shè)計(jì)。

BOPPPS教學(xué)模式是一種結(jié)構(gòu)完整、注重學(xué)生參與與教學(xué)反饋的有效教學(xué)模式，近年來在高校中非常流行，不少高校教師將其應(yīng)用于翻轉(zhuǎn)課堂和微課的教學(xué)設(shè)計(jì)中[4][5]?；贐OPPPS教學(xué)模型的基本框架，課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)緊密圍繞著課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成而開展，在“以學(xué)生為中心”的理念下，教師逐步轉(zhuǎn)變成為引導(dǎo)學(xué)生全方位參與并開展“協(xié)作式、探究式、問題式”學(xué)習(xí)的領(lǐng)航者[6]。本文以典型的大學(xué)物理課程的“動生電動勢”這一教學(xué)內(nèi)容為例，詳細(xì)分析如何利用BOPPPS教學(xué)模式，構(gòu)建以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向，教學(xué)效率高、學(xué)生參與度良好的大學(xué)物理線上課堂，期望對高校物理教師的教學(xué)實(shí)踐提供一定的幫助。

1 BOPPPS教學(xué)模式簡介

BOPPPS教學(xué)模式起源于北美，是北美眾多高等院校認(rèn)可和推崇的一種教學(xué)模式。該模式將教學(xué)過程分為導(dǎo)入(Bridge-in)、目標(biāo)(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(Participatory learning)、后測(Post-assessment)、總結(jié)(Summary)六個階段(也稱模型六要素)[7]。以上六大要素英文的首字母連在一起，即組成了“BOPPPS”教學(xué)模式。其中，各個要素的解釋及相應(yīng)的任務(wù)解讀見表1。

從表1看出，BOPPPS模式針對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成將整個教學(xué)過程分解為六大模塊，在此過程中強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為課堂的主體，重視學(xué)生的課堂參與，并通過師生、生生互動獲取有效的反饋以便隨時對課堂教學(xué)進(jìn)行及時的調(diào)整。同時，根據(jù)人的注意力大約只能持續(xù)維持15分鐘的規(guī)律，BOPPPS教學(xué)模式將課堂教學(xué)內(nèi)容分割為15分鐘左右的多個教學(xué)小單元，每個小單元以及由它們組成的課堂都遵循“起承轉(zhuǎn)合”的脈絡(luò)，從而使得課堂分段但卻不零散。正是因?yàn)锽OPPPS模式具有流程化、注重學(xué)生參與、目標(biāo)-活動-評價(jià)整體設(shè)計(jì)并強(qiáng)調(diào)一致性這三大特點(diǎn)，從而使得它在建立以學(xué)生為中心的高效課堂方面有著顯著的優(yōu)越性。

表1 BOPPPS模式要素及任務(wù)解讀

2 基于BOPPPS教學(xué)模式的“動生電動勢”線上課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)準(zhǔn)備

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

在大學(xué)物理課程體系中，“動生電動勢”屬于“電磁感應(yīng)”這一知識板塊中的教學(xué)內(nèi)容。以馬文蔚等主編的《物理學(xué)教程(第三版)》(高等教育出版社出版)教材[8]為例，“動生電動勢”位于第十二章《電磁感應(yīng) 電磁場與電磁波》第二節(jié)“動生電動勢和感生電動勢”之中。在上一節(jié)——“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”中，已經(jīng)介紹了感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生原因(電磁感應(yīng)定律)及其方向判斷法則(楞次定律)。而本節(jié)內(nèi)容則是進(jìn)一步剖析引起磁通量變化的兩種原因，將感應(yīng)電動勢分成動生電動勢和感生電動勢兩類，并根據(jù)電源電動勢的定義，講解兩類電動勢的產(chǎn)生機(jī)制和本質(zhì)?！皠由妱觿荨边@一知識點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)是要求掌握其產(chǎn)生原因、電動勢的形成機(jī)制、計(jì)算示例及在實(shí)踐中的應(yīng)用。在線上課堂的教學(xué)視頻中，時長設(shè)置為15分鐘左右。

2.1.2 學(xué)情分析

學(xué)生在高中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過“電磁感應(yīng)定律”相關(guān)的內(nèi)容，對于感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生原因及其方向判斷已經(jīng)有所了解。因此，本章第一節(jié)主要是帶領(lǐng)學(xué)生回顧高中所學(xué)，進(jìn)一步加強(qiáng)鞏固，在實(shí)際教學(xué)中無須占用太多課時。一般來講，我們通常會安排在兩個課時(90分鐘)的時間完成第一節(jié)和第二節(jié)的教學(xué)。學(xué)習(xí)本節(jié)知識，除了“電磁感應(yīng)定律”這一重要的先行知識之外， “電源電動勢的定義”也是本節(jié)課分析兩類感應(yīng)電動勢本質(zhì)的重要的知識基礎(chǔ)。

2.1.3 教學(xué)方法分析

考慮到線上教學(xué)的特點(diǎn)，本片段采用講授法組織教學(xué)。通過回顧舊知、厘清概念和推理引導(dǎo)學(xué)生從“表象”到“本質(zhì)”逐步理解動生電動勢的概念、物理模型及應(yīng)用。從基于習(xí)題的訓(xùn)練教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驅(qū)嶋H問題的解決，從具體知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵挠^念的建構(gòu)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維和應(yīng)用能力等物理核心素養(yǎng)的目的。

2.2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.2.1 Bridge-in階段——回顧舊知、建立認(rèn)識

2.2.2 教學(xué)目標(biāo)Obiective——PPT展示

(1)知識目標(biāo)：理解動生電動勢的產(chǎn)生機(jī)制，基于電源電動勢的概念推導(dǎo)動生電動勢的計(jì)算公式并能進(jìn)行計(jì)算。

(2)思維能力目標(biāo)：結(jié)合動生電動勢產(chǎn)生原因的解釋，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用物理原理分析解決、解決問題的能力；進(jìn)一步理解“水泵抽水”與電源電動勢工作過程的類比，掌握物理學(xué)的這種類比的思想。

圖1 電源的工作過程和“水泵抽水”的類比

(3)價(jià)值觀目標(biāo)：通過對歷史上第一臺圓盤式發(fā)電機(jī)的分析，讓學(xué)生體會物理學(xué)在推動技術(shù)發(fā)展、生產(chǎn)力變革的巨大作用。

2.2.3 前測(Pre-assessment)

“導(dǎo)體棒在磁場中作切割磁感線運(yùn)動會產(chǎn)生電動勢。”是在高中物理課程中就已經(jīng)講過的內(nèi)容。事實(shí)上，這種電動勢就是動生電動勢。在系統(tǒng)講授“動生電動勢”之前，列舉一道簡單的例題1：在均勻磁場B中，一根長度為L的銅棒OP在與磁場垂直的平面內(nèi)以速度V水平向右作切割磁感線運(yùn)動， 求銅棒中產(chǎn)生的電動勢的大小及方向？

同學(xué)們可以完全運(yùn)用高中的方法求解這道例題，如此一來，可以檢驗(yàn)學(xué)生們高中所學(xué)。在學(xué)完后續(xù)內(nèi)容后，老師還可以讓學(xué)生運(yùn)用計(jì)算動生電動勢的方法求解同一題目。兩種方法的對比，可以有效地幫助學(xué)生建立新舊知識的聯(lián)系，完成知識的建構(gòu)。

2.2.4 參與式學(xué)習(xí)(Participatory learning)

教學(xué)任務(wù)1：動生電動勢的產(chǎn)生機(jī)制分析

根據(jù)前面的知識回顧，學(xué)生們知道，任何電源電動勢的內(nèi)部必有非靜電力來克服靜電力做功，從而完成電能的轉(zhuǎn)換。那么，動生電動勢的非靜電力來源是什么？教師帶領(lǐng)學(xué)生以例題1中的銅棒為例，銅棒內(nèi)存在自由移動的電子，電子若能定向移動進(jìn)而在銅棒兩端聚集形成電勢差，就可以形成電源電動勢。問題是銅棒內(nèi)的電子是在何種力的作用下作定向移動呢？而這種力顯然就是我們需要分析的非靜電力。

圖2 切割磁感線的銅棒內(nèi)電子受力情況

教學(xué)任務(wù)2：動生電動勢的計(jì)算

在這一教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置了如下三個習(xí)題：

(1)習(xí)題1：在均勻磁場B中，一根長度為L的銅棒OP在與磁場垂直的平面內(nèi)以速度v水平向右作切割磁感線運(yùn)動， 利用動生電動勢的求解公式求銅棒中產(chǎn)生的電動勢的大小及方向？

(2)習(xí)題2：如圖3，長為L的銅棒在勻強(qiáng)磁場B中以角速度ω繞O點(diǎn)逆時針轉(zhuǎn)動。求銅棒中感應(yīng)電動勢的大小和方向。假如將銅棒棒反向旋轉(zhuǎn)(即順時針轉(zhuǎn)動)，計(jì)算結(jié)果又如何？

圖3

圖4

(3)習(xí)題3：如圖4，如果是半徑為R的銅盤在勻強(qiáng)磁場B中以角速度ω繞盤心O逆時針轉(zhuǎn)動，盤中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢嗎？大小和方向呢？

這三個習(xí)題由簡及繁，逐步遞進(jìn)。習(xí)題1是前一階段引出的例題，但這里讓學(xué)生用動生電動勢的計(jì)算公式再次求解。該習(xí)題的目的旨在讓學(xué)生建立起高中物理和大學(xué)物理之間的聯(lián)系，在高中物理中大多是“恒量”問題，因此不需要用到微積分進(jìn)行運(yùn)算，但學(xué)生需要明白其本質(zhì)。習(xí)題2是一個帶有“變量”的問題，學(xué)生必須采用微積分的方法進(jìn)行計(jì)算。借由此，讓學(xué)生明確帶有矢量混合積的積分運(yùn)算方法，并能根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果進(jìn)行物理解釋。習(xí)題3則是在習(xí)題2基礎(chǔ)上的拓展，要求學(xué)生用等效的思想去解決問題，旨在進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的思維、鞏固所學(xué)。同時，又是下一階段“關(guān)于動生電動勢的幾點(diǎn)討論”的基礎(chǔ)。

教學(xué)任務(wù)3：關(guān)于動生電動勢的幾點(diǎn)討論

討論1：法拉第圓盤式發(fā)電機(jī)。習(xí)題3中給出的模型正是歷史上法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，他又利用電磁感應(yīng)發(fā)明的世界上第一臺發(fā)電機(jī)──法拉第圓盤發(fā)電機(jī)。圓心處固定一個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個黃銅電刷緊貼，用導(dǎo)線把電刷與電流表連接起來；紫銅圓盤放置在蹄形磁鐵的磁場中。當(dāng)法拉第轉(zhuǎn)動搖柄，使紫銅圓盤旋轉(zhuǎn)起來時，電路中產(chǎn)生了持續(xù)的電流(見圖5)。

圖5 法拉第圓盤發(fā)電機(jī)(實(shí)驗(yàn)室模型)

本環(huán)節(jié)通過給學(xué)生講述圓盤式發(fā)電機(jī)的照片及發(fā)電過程的視頻，讓學(xué)生明白電磁感應(yīng)定律在電力技術(shù)革命中所起的作用，從而建立物理、科學(xué)與技術(shù)之間的聯(lián)系。讓學(xué)生在課后查閱相關(guān)資料，了解現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與最初的法拉第圓盤發(fā)電機(jī)有何不同，并結(jié)合物理學(xué)知識，解釋現(xiàn)代發(fā)電機(jī)會做這樣的改進(jìn)。

討論2：轉(zhuǎn)動銅盤發(fā)電的深層次思考。在這一環(huán)節(jié)，教師提出問題：在均勻磁場中勻速轉(zhuǎn)動的銅盤，穿過盤面的磁通量并沒有發(fā)生變化，按照法拉第電磁感應(yīng)定律，其中應(yīng)該不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。那這與習(xí)題3的結(jié)論是矛盾的，這又是為何呢？學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，這其實(shí)是一個悖論。對于此問題，運(yùn)用“導(dǎo)體切割”和“磁通變化”兩種不同的方法分析，結(jié)果應(yīng)該是一樣的。只是在運(yùn)用磁通量變化分析時，必須考慮到底應(yīng)該如何準(zhǔn)確選取閉合回路。教師可以提供幾篇對此問題進(jìn)行過研究的期刊論文[9][11]，讓學(xué)生在課后也可以繼續(xù)查閱相關(guān)資料，對此進(jìn)行研究總結(jié)。

討論3：能否從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度解釋動生電動勢的產(chǎn)生？洛侖茲力并不做功，那么在動生電動勢的產(chǎn)生過程中起著怎樣的作用？

設(shè)計(jì)意圖：在講授完新知識后，為拓展學(xué)生們的知識、提高其課堂參與度，我還設(shè)置了三個課堂討論。三個討論涉及到了科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用、新舊知識的聯(lián)結(jié)和物理問題的多角度思考等方面，期望借由這三個課堂討論將“動生電動勢”以及“電磁感應(yīng)定律”等相關(guān)知識進(jìn)一步升華。

2.2.5 課堂形成性評價(jià)(Post-assessment)

習(xí)題4：如圖6，長直導(dǎo)線中載有恒定電流I，由半徑為R的四分之一圓弧形導(dǎo)線和兩段直導(dǎo)線圍成的平面閉合回路以勻速v向上運(yùn)動。閉合回路與長直導(dǎo)線共面，其OA邊與長直導(dǎo)線平行，相距為R.求：(1)整個閉合回路中的電動勢；(2)OC段上的電動勢大小；(3)AC段上的電動勢大小。

圖6

設(shè)計(jì)意圖：不難發(fā)現(xiàn)，解決該問題的第一問需要用到法拉第電磁感應(yīng)定律，第二問則涉及磁場為變量的積分運(yùn)算，第三問不是通過嚴(yán)格計(jì)算而是對整個閉合回路綜合考慮后得出。因此，該題目是一道綜合性的問題，既需要學(xué)生們熟練運(yùn)用前面所學(xué)，又需要學(xué)會用本節(jié)動生電動勢的計(jì)算方法處理較為復(fù)雜積分的運(yùn)算。運(yùn)用該習(xí)題作為課堂的后測，既檢驗(yàn)了學(xué)生對本節(jié)知識的掌握情況，又幫助學(xué)生與之前所學(xué)知識進(jìn)行融合。

2.2.6 課堂總結(jié)(Summary)

利用PPT對動生電動勢的產(chǎn)生原因、物理本質(zhì)、計(jì)算方法、應(yīng)用拓展等方面對本小節(jié)內(nèi)容進(jìn)行課堂總結(jié)。從如何建立物理模型、運(yùn)用物理思維方法等角度去歸納解決物理問題的方法。此外，本節(jié)內(nèi)容與技術(shù)的應(yīng)用息息相關(guān)，了解物理知識在技術(shù)推動方面的作用，有助于提升理工科專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

3 總結(jié)與反思

本研究利用BOPPPS教學(xué)模式六大模塊的邏輯組合，對動生電動勢這一小節(jié)的線上課堂進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。該教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞著動生電動勢的分類、產(chǎn)生機(jī)制、應(yīng)用拓展等而展開，做到以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為核心，在新知知識間充分地搭建過渡橋梁以幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)難點(diǎn)，充分結(jié)合了問題式、探究式的教學(xué)方法進(jìn)行講授，使物理問題得以自然引出與解決，順利地克服了難點(diǎn)。在課堂教學(xué)中融入物理思維方法、注重從物理問題的本質(zhì)出發(fā)，注重學(xué)生物理思維的啟發(fā)和物理觀念的培養(yǎng)。本文的研究給教師提供一種操作性和條理性較強(qiáng)的教學(xué)框架，期望能為大學(xué)物理線上課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。