基于BOPPPS教學模式的高效課堂教學設計
——以“伽利略對自由落體運動的研究”為例

梅宇航 陸建隆

(1. 江蘇省鎮江第一中學,江蘇 鎮江 212013；2. 南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210097)

伽利略對自由落體運動的研究不僅揭示了自由落體運動的規律,其蘊含的科學思維方法、展現的科學精神更是不斷推動著人類的進步,斜面實驗也在2002年被評為“最美麗的十大經典物理實驗”.但在傳統教學中,受本節實驗難度過大,知識點較少的影響,老師往往交給學生自己閱讀,簡單了事,結果造成學生對科學思想方法缺乏認知與體驗.本文基于BOPPPS教學模式進行模塊化教學,有機構建“伽利略對自由落體運動的研究”教學框架,通過“還原”歷史,追尋大師“足跡”,通過增加教學互動環節,提高學生課堂參與度,通過引領學生思維,培養學生科學思維能力與實驗探究能力,使理論與實驗,思想與方法有機結合,進而提升學生的學科核心素養,實現高效果、高效率、高效益的多元化教學目標.

1 BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模式起源于加拿大青年教師技能培訓體系,由于教學效果顯著,可操作性強,引入國內后逐步應用在微課教學、翻轉課堂等大中小學課堂[1],該教學模式分為六個環節,分別為導入環節(Bridge-in)、目標展示環節(Objective)、前測環節(Pre-assessment)、參與式學習環節(Participatory Learning)、后測環節(Post-assessment)、總結環節(Summary),簡稱BOPPPS[2],六個環節相互串接,有機構成課堂教學框架.由注意力曲線規律可知,學習者注意力高度集中時間不超過15 min,所以每個環節不宜過長,另由學習金字塔理論可知,學生只有參與到學習中,才能有較大的學習效果,所以本模式注重學生課堂投入度,注重師生、生生交流.BOPPPS教學模式的基本結構與各模塊作用、注意事項如表1所示.

表1 BOPPPS教學模式的基本結構與

2 基于BOPPPS教學模式的教學設計——以“伽利略對自由落體運動的研究”為例

2.1 破“重比輕快”

(1) 導入環節.

師生共同回顧自由落體運動知識,得出輕重物體在真空中下落快慢相同的結論,接著教師播放課前準備好的采訪視頻,視頻中的人物有學校保安、街頭商販、公司白領、小學生等,結果發現即使在2400多年后的今天,人們還是普遍認為重的物體比輕的物體下落的快,其中原因引起了學生探究的興趣.

設計說明:通過輕重快慢問題的討論,引起學生的思維沖突,為亞里士多德的“平反”做好鋪墊,同時也使學生更體會到伽利略的偉大.

(2) 目標展示.

(a) 理性客觀的評價亞里士多德及其他的研究方法

(b) 領悟伽利略的“歸謬法”

(3) 前測環節.

通過課前布置作業,讓學生介紹亞里士多德在學術界的成就

(4) 參與式學習.

作為BOPPPS教學模式的核心環節,為突出學生的主體地位,教師邀請班級兩位同學分別扮演亞里士多德和伽利略,通過角色扮演,讓兩個偉人進行跨時空的對話,使學生領悟“歸謬法”的巧妙,感受邏輯的力量.

亞里士多德:世界上物體的運動都有其獨特的規律,比如當物體從高空落下時,重的物體比輕的下落的快,這也是我觀察很多現象得出來的結論,比如石頭與樹葉同時釋放,石頭先落地.這種顯而易見的真理不容懷疑.

伽利略:額,可是,偉大先哲亞里士多德先生.

亞里士多德:伽利略,你有什么疑問嗎?

伽利略:我很崇敬您,可是根據您的理論,我有個疑問

亞里士多德:說.

伽利略:這是兩個輕重不同的物體,一個4磅,一個是8磅,根據您的理論,應該是8磅的物體下落快.

亞里士多德:這是顯然的.

伽利略:當我把他們綁在一起,由于輕的物體下落的慢,所以4磅的物體會拖住8磅的物體,整體的運動會減慢.

亞里士多德:沒有問題,你是對的.

伽利略:可是,整體是12磅,比8磅重,整體的運動會加快啊,這就和您的理論矛盾了,該怎么解釋呢?

亞里士多德:額, 我完全被你搞糊涂了,這只是你的想象罷了,重快輕慢的原理,是經過無數眼睛檢驗過的.

伽利略:這不是想象,這是邏輯.

亞里士多德:好吧,就用你的理論解釋一下,你認為物體是怎么下落的?

伽利略:我認為如果沒有介質阻力的情況下,輕的物體將和重的物體下落一樣快.

亞里士多德:你的根據是什么?

伽利略:在我的書中《關于兩種新科學的對話》有詳細的記載,留給同學們回答吧!

(5) 后測環節與總結環節

教師通過問題引導,讓學生討論總結出亞里士多德“觀察事實——經驗總結”的研究方法,知道其局限性,同時也深刻的體會到“邏輯的力量”.

2.2 立“輕重一樣快”

(1) 導入環節.

師:伽利略認為日常生活中“重比輕快”的原因是什么?

生:空氣阻力的影響.

師:伽利略在無法創造真空環境的情況下,如何探討阻力的影響?

設計說明:提前探討阻力因素對落體運動的影響,符合物理史實,也使本教學設計更有邏輯性.

(2) 目標展示.

(a) 理解伽利略“實驗事實+邏輯推理”的科學實驗方法

(b) 體會實驗中突出主要因素忽略次要因素的重要性

(3) 前測環節與參與式學習.

教師提供《關于兩種新科學的對話》中截取內容,供學生交流討論伽利略如何排除空氣阻力的影響.

薩爾維亞蒂:……我們已經看到不同比重的物體速度之差在那些阻力最大的介質中是十分顯著的;例如,在水銀介質中,黃金不僅比起鉛來沉底更快,而且它根本是僅有的下沉的物質;所有其他的金屬和巖石都漂浮在表面.另一方面在空氣中黃金、鉛、銅、巖石以及其他重材料的球之間速度的變化是如此的微小,從100庫比特高(1庫比特約0.5 m)下落的黃金球一定不會超前黃銅球四指寬.觀察到這一點,我得出的結論是:在完全沒有阻力的介質中所有的物體以相同的速度下落……

(4) 后測環節與總結環節.

教師用PPT展示伽利略在《關于兩種新科學的對話》中對阻力的討論,見圖1,由組長匯報不同的物體在水銀和空氣兩種介質中的下落情況[3],得出結論,如果排除空氣阻力的影響,輕重不同的物體下落的一樣快,在此過程中,學生再一次感受邏輯的力量,同時也體會到科學研究中,懂得忽略什么,有時與懂得重視什么同等重要.

圖1 伽利略對阻力影響的討論示意圖

2.3 對落體運動進一步研究

(1) 導入環節.

師:伽利略并不滿足已有的發現,繼續研究自由落體的規律是什么,在生活中物體下落的速度有什么特點?

生:討論回答隨下落高度增大而變大或隨下落時間的增加而變大.

師: 伽利略相信自然界的規律是簡潔明了的,這一定是最簡單的變速運動[4],由此得出假設v∝t或者v∝s.那么哪一種更合理呢?伽利略充分運用數學才能,推導后發現如果v∝s,結論將非常復雜,從而轉向證明v∝t.他又是怎么利用邏輯的力量得到此結論呢?

(2) 目標展示.

(a) 通過改“速度與時間關系”到探究“位移與時間”關系,體會轉換變量在科學研究中的妙用.

(b) 知道伽利略如何解決時間測量的問題.

(c) 體會伽利略斜面實驗的巧妙之處,通過小組合作驗證“位移與時間”關系.

(3) 前測環節.

要求學生利用勻變速規律,推導v∝t情況下“位移與時間”的關系,得到s∝t2.

(4) 參與式學習.

嘗試直接進行落體實驗,教師拿一鋼球使其無初速度落下,學生用電子秒表測量時間,仍然不易得到準確下落時間,學生形成認知沖突,教師此時展示斜面實驗油畫,再現伽利略實驗方案,學生發現沖淡重力后,時間測量起來方便很多,教師接著介紹自制儀器,示意圖見圖2,由學生分組實驗探究不同傾斜角度下(傾斜角度不宜過大),鋼球位移與下落時間的關系,見圖3.筆者發現定時測距方案誤差較大,建議采用定距測時方案.

圖2 斜面實驗示意圖

圖3 學生分組實驗

通過實驗,學生總結如下:

(a) 小球沿斜面滾下的運動是勻加速直線運動.

(b) 不同質量、不同高度、只要傾角一定,小球的加速度都是相同的.

(c) 小球的加速度隨斜面傾角增大而變大.

教師進一步提問如何得出物體下落是加速度相同的勻加速直線運動?讓學生自由討論,大膽、合理的外推,再一次靈活利用“數學邏輯推理方法”得出結論.

(5) 后測環節與總結環節.

師:回顧伽利略對自由落體運動規律的研究,用到什么科學方法?你領悟到什么科學精神?

教師引導學生歸納總結,將研究過程概括如圖4,通過梳理各階段中的科學方法和科學思想,讓學生感受伽利略對物理學的貢獻,感受到伽利略的人格魅力,將科學方法與科學思想內化于心.

圖4 伽利略的研究過程

3 結束語

“伽利略對自由落體運動的研究”一節蘊含著豐富的教學資源,借鑒BOPPPS教學模式進行教學設計,不僅僅使學生身臨其境,而且能更深刻領悟大師的科學精神,科學方法,對于培養學生的數理邏輯與科學思維、批判性思維大有益處,這在核心素養背景下培養學生各方面素質具有重要的現實意義.