基于BOPPPS教學模式的“大氣壓強”教學設計

鄭宇晴 朱靈坤 張軼炳*

(1. 寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021； 2. 山東省文登師范學院,山東 威海 264400)

教學設計是根據教學對象的水平和需要,在確定合理教學起點和終點的基礎上,對學習內容重組和轉化,有序系統地安排教學要素,并形成教學預案的過程.[1]合理恰當的教學設計是上好一堂課的重要基礎.

BOPPPS教學模式利用6大模塊構建教學框架,堅持學生為主體,以有效導入、反饋增加課堂互動性,注重探究思維培養及與實際應用聯系,有利于教師理清教學思路,學生主動參與學習,從而改進傳統教學結構不足之處,有效實現教學目標.[2]例如“大氣壓強”,若傳統向學生直接操作實驗,容易理論與實驗脫離,學生多把實驗當成游戲和看熱鬧的環節,影響教學效果.結合BOPPPS模塊化教學,前后過程邏輯展開,從對大氣壓強的認識、驗證、測量及應用過程中,引導學生自主參與探究,使實驗、理論順理成章地結合在一起,可以提高課堂投入度,有效達成教學目標.

1 BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模式起源于加拿大教師技能培訓體系,是在北美高校廣泛應用的有效教學設計模式.[3-4]近年來,BOPPPS教學模式在我國微課教學、翻轉課堂及大學物理教學等方面都有一定研究.

BOPPPS教學模式根據人的注意力持續專注約15 min的自然規律,對教學過程采取單元化處理,分為導入(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory Learning)、后測(Post-assessment)、總結(Summary)6大模塊,簡稱BOPPPS.表1給出各模塊的任務詮釋.

表1 BOPPPS模塊任務解釋

貫徹以學生為課堂中心,注重學生課堂參與,BOPPPS通過增加教學互動反饋環節,有效鍛煉學生的邏輯推理思維和科學素養,不斷形成對目標的達成效果,因此又被稱之為有效教學設計,即有效果(教學達到預期)、有效率(教學效果與投入比值高)、有效益(教學達到學生需求).[5]

2 基于BOPPPS教學模式的“大氣壓強”教學設計

2.1 教學準備

(1) 教材分析.

本節課選自人教版初中物理8年級下冊第9章第3節,是在原有對固體、液體壓強認知結構的基礎上對氣體壓強的進一步學習.課標要求,讓學生感受大氣壓強的存在;并能通過實例說出大氣壓強在生產、生活中的應用.

(2) 學情分析.

學生已學過壓強概念,并已理解液體壓強大小、方向等相關知識,這對本節內容學習及邏輯分析有很大幫助.

(3) 教學方法分析.

采用實驗探究法教學,通過一系列有趣實驗及生活舉例引導學生在“認識”、“驗證”、“測量”及“應用”大氣壓強中學習理解,力圖讓學習從知識記憶轉變為知識理解,從基于習題訓練轉變為面對實際問題解決,從具體性知識學習轉變為核心觀念建構,從而逐漸鍛煉學生科學思維,加強科學探究能力,培養物理核心素養.

2.2 BOPPPS教學過程設計

利用BOPPPS教學模式設計“大氣壓強”教學流程如表2.

表2 BOPPPS模塊化教學設計表

2.3 教學過程

(1) 導入+前測.

根據奧蘇伯爾有意義學習理論,通過建立新舊知識聯系,“導入”與“前測”模塊相結合,起承轉合,以邏輯展開教學過程.

實驗1： 建立新舊知識聯系.

教師:展示穿孔塑料瓶水流實驗.當不蓋瓶蓋,我們可以觀察到什么現象?

師生:瓶內有水噴出,且越靠近底部,噴射距離越遠，如圖1(a).

教師:這個實驗現象能說明什么物理原理?

學生(鏈接舊知識):液體對容器側壁有壓強,液體壓強隨深度增加而增大.

教師:擰緊瓶蓋,會出現什么現象呢?

學生(思考觀察):水不向外噴射.如圖1(b).

教師:思考水為什么不向外噴射?

學生(思考):是小孔外側有力阻擋了水向外流嗎?

設計說明： 建立與液體壓強的聯系,并自然引出新知識的思考.既達到檢測學生的目的,又促進學習遷移.

圖1 導入實驗

實驗2： 覆杯實驗引出新知識.

教師:厚紙片直接放于空玻璃杯上方,倒拿玻璃杯……

師生:紙片直接脫落.這是因為,紙片受到自身重力作用而下落.如圖2(a).

教師:玻璃杯裝滿水后重復上述操作,杯中水會不會落出來?

學生(猜想,引發認知沖突):會.

師生(觀察實驗):紙片竟然沒有下落,水沒有落出來，如圖2(b).

學生(疑惑,主動提問):為什么紙片和水不會落下來?

學生(主動思考):紙片受到自身的重力,還有杯中水對它的壓力竟然不脫落,難道紙片還受到一個向上的力托著它?

圖2 覆杯實驗

設計說明： 在前測聯系液體壓強知識基礎上進行新課導入,通過學生對比實驗現象的認知沖突,有效關聯新舊知識,抓住學生關注度,有效參與課堂.

(2) 學習目標.

明確告知學生本節課學習目標,有利于學生調節思維趨向,明確把握學習方向.

(a) 認識大氣是否與固體、液體一樣存在壓強作用.

(b) 知道覆杯實驗紙片不脫落原因,并能用它解釋生活中其他例子.

(c) 知道馬德堡半球實驗的原理.

(d) 理解托里拆利實驗方法及其所探究問題和結論.

(e) 知道自制氣壓計原理及所探究問題.

(f) 體會本節受力分析法及轉換法的應用邏輯.

設計說明： 采用學習目標與課堂教學環節結合表述以傳達學習任務,讓學生明確本節課會學到什么及能夠解決什么實際問題;同時特別之處是,表述中只涉及方法及實驗名稱,不明確透露需要學生自主探究及思考的新知識名詞,從而不干擾學生主動發現問題進行探究學習的思考過程,能夠更好激起探究興趣,增加學生課堂參與.

(3) 參與式學習.

任務1： 認識大氣壓強.

教師:實驗2大家認為紙片受到向上的力才不脫落.那這個力會是誰提供的呢?

學生(積極思考):空氣.

教師:可以畫出紙片受力分析圖嗎?

圖3

學生:如圖3.

教師(引導):紙片受到自身重力、瓶內水的壓力及大氣對其向上的支持力作用,因為F氣=G+F液,所以紙片靜止平衡而不脫落.F氣能夠說明?

學生(思考回答):大氣存在壓力作用.

教師(總結、引出概念):大氣同固體、液體一樣存在壓強效果,叫做大氣壓強.

教師引導學生分析實驗1(b)現象原因.并思考,大氣壓強具有怎樣的方向?

實驗3： 自制教具——大氣壓強方向演示儀.

教師:介紹實驗儀器構造如圖4(a),說明實驗前氣球狀態.抽取盒內空氣,讓學生對比氣球形狀改變.

學生(觀察):氣球慢慢向內鼓起.如圖4(b).

教師(提示):氣體分子疏密程度會影響氣體壓強效果.

學生(思考原因):抽氣后內部氣體稀疏,壓強低.內外氣壓差使得外部大氣對內產生壓力作用而內陷變鼓.

教師:各面氣球的內陷變鼓,可以說明大氣壓強的方向如何?

學生:大氣朝各個方向都能具有壓強.

圖4 大氣壓強方向演示儀

設計說明： 通過對實驗1、2現象分析,引導學生學會用受力分析揭開現象背后的原因,使學生認識到大氣壓強的真實存在,以學生思維為導向,引出概念.同時,實驗3制造壓強差,引導學生形象感受大氣壓強的方向問題.

任務2： 驗證大氣壓強.

實驗4： 學生分組實驗探究.

教師引導學生利用實驗桌上的生活用具驗證大氣壓強的存在,小組合作討論,并會用受力分析法說明原理.(具體略)操作如圖5.

圖5 驗證大氣壓強存在

設計說明： 學生自主設計實驗,通過膠頭滴管、注射器、吸盤等加強對大氣壓強認識的鞏固,會正確用受力分析驗證大氣壓強的存在.

實驗5： 馬德堡半球實驗.

教師:展示介紹馬德堡半球實驗儀,抽氣后讓學生嘗試拉動半球,如圖6.

圖6 馬德堡半球實驗儀

學生(躍躍欲試,爭相嘗試):發現兩個半球并沒有被拉開.

學生討論原因.

小組代表:同“方向演示儀”原理相似,抽氣后內外出現壓強差,大氣對球有向內的壓力作用.兩球除了受到兩端拉力,還受到外部大氣對球向內的壓力作用.大氣的壓力大于拉力,所以沒有拉開.

學生(主動提問):這個力究竟多大才能拉開半球呢?

播放馬德堡半球實驗視頻解釋說明.

設計說明： 先利用馬德堡半球實驗儀讓學生親自體會實驗,在學生參與中引發學生思考.視頻播放,讓學生感受到要想拉開半球需要很大的拉力,同時體會大氣壓強很大.并以此為下一環節測量大氣壓強做準備.

任務3： 測量大氣壓強.

教師:馬德堡半球實驗中,我們進一步驗證了大氣壓強存在,并知道大氣壓強很大.

學生(主動提問):那大氣壓強究竟有多大?

實驗6： 托里拆利實驗.

教師:大家將實驗桌上兩根長短不同的試管裝滿水,倒置于水槽中,保證管口浸在水中逐漸上提,觀察試管中的水是否下落?

學生(疑惑):逐漸上抬,試管中水總是滿的.如圖7.

圖7 圖8

教師:液體壓強在同一深度處大小相等,取同一深度AB面,則pA=pB,用等式表示出A、B兩點的壓強.

學生(喚起舊知識):A點pA=p氣+ρ液gh2;B點pB=ρ液g(h1+h2).由于pA=pB,p氣+ρ液gh2=ρ液gh1+ρ液gh2,所以p氣=ρ液gh1.

教師(總結提問):看來,大氣壓強等于其所支持高度h1對應的液體壓強的數值,所以可以怎樣測量大氣壓強呢?

學生(感受轉換法):測量液面高度差h1,利用p氣=ρ液gh1計算出大氣壓強數值.

教師引導學生發現水為測量液體時水面高度太高無法測量,啟發學生思考其他方法降低液柱高度以方便測量.

學生(小組討論):可以選用密度更高的液體做實驗.

教師(提供信息):已知水銀液體的密度很大,ρ=13.6×103kg/m3.

學生(認知思維邏輯):換用水銀液體做實驗.

教師介紹托里拆利實驗及水銀危險性,采用多媒體視頻課件向學生展示實驗過程及現象.如圖9,學生根據實驗現象計算.

學生(計算結果):p氣=ρ水銀gh1=13.6×103×9.8×0.76=1.013×105(Pa).

圖9 托里拆利實驗

設計說明： 通過馬德堡半球實驗讓學生感受大氣壓強很大,引出大氣壓強測量的學習需求.利用過渡實驗中轉換法啟發學生思維,讓學生自主找到解決問題的思路,自然而然地引出托里拆利實驗.通過視頻介紹實驗,最終自己計算大氣壓強數值.既符合學生的認知結構,注重學生思維邏輯,又達到鍛煉學生科學探究能力的作用.

任務4： 應用大氣壓強——探究大氣壓強與高度的關系.

教師(過渡):我們已測量出標準大氣壓強p≈1×105Pa,那它是否是一個常數呢?

學生(猜測):不是.因為氣壓與空氣疏密程度有關,抽氣會出現氣壓差.

教師:好,那下面我們探究一下大氣壓強與高度有什么關系.

實驗7： 學生實驗——自制氣壓計.

教師:介紹自制氣壓計構造.小組討論儀器如何判斷外界大氣壓變化情況.

學生(小組討論,合作交流).

學生代表發言:通過瓶內外氣壓差造成液面高度變化,從而判斷外界大氣壓大小.內部氣壓不變,液面升高證明外界大氣壓變低,液面降低證明外界大氣壓變高.

學生利用樓梯實驗探究,交流結果.

學生:我們發現,樓上較之樓下,氣壓計液面高度逐漸變高,得出實驗結論是:大氣壓強隨高度增加而降低，如圖10.

圖10 “自制氣壓計”實驗

教師:多媒體展示大氣壓強隨高度變化的科學數據,肯定學生探究結果.并視頻解釋高原地區空氣稀薄、氣壓低,及出現缺氧現象和沸點較低現象.

設計說明： 學生利用自制氣壓計自主合作探究,并通過科學數據及視頻解釋氣壓與高度的關系.在鼓勵學生定性探究同時給出定量數據支持學生探究結果,達到對學生探究積極性有效反饋的效果.

(4) 后測.

題目1: [考察:認識、驗證大氣壓強]

下列現象中,不能說明大氣壓存在的是

(A) 注射器從藥液瓶中吸入藥液.

(B) 注射器將藥液注入人體.

(C) 用活塞式抽水機從井中抽水.

(D) 通過吸管將飲料吸入人嘴.

題目2: [考察:測量大氣壓強]

托里拆利實驗中,玻璃管內水銀面上方是________,而管外水銀面上受到________的作用,管外水銀面的________支持著管內的水銀柱,所以水銀柱產生的壓強就等于________.

題目3: [考察:應用大氣壓強]

青藏鐵路全線貫通,其高原列車裝有完善供氧系統和醫療系統,這是因為

(A) 高原空氣稀薄,大氣壓強小.

(B) 高原空氣稀薄,大氣壓強大.

(C) 高原空氣稠密,大氣壓強小.

(D) 高原空氣稠密,大氣壓強大.

設計說明： 通過與教學過程及學習目標聯系,利用后測評價學生本節內容的掌握情況,有效反饋教學信息,進一步改善教學設計環節.

(5) 總結.

圖11 思維導圖

設計說明： 利用思維導圖(圖11)幫助學生理清本節課學習思路及重點內容,使知識框架更加系統完整.從“實驗”、“方法”、“知識總結”3方面使學生學習條理更加清晰.查漏補缺,提高學生學習效果.

3 結語

BOPPPS教學模式通過6大模塊的邏輯組合教學,將理論與實際應用緊密結合,主張發揮學生主觀能動性,注重參與式學習,利于培養學生的科學思維,提高動手操作能力,同時為教師提供了一種操作性和條理性較強的教學框架,在課堂參與及有效反饋中更好達成教學目標.