基于BOPPPS模型的工科專業實驗有效教學設計

董桂偉 管延錦 鄭超

摘? ? 要：作為學生全方位參與和及時反饋交流的教學模型，BOPPPS教學模式對于提升實驗教學的有效性具有重要的意義。文章基于BOPPPS教學模型，在分析工科專業實驗教學有效性因素的基礎上，提出“材料成型及控制工程”專業實驗教學設計策略，并應用于專業人才培養過程，使實驗教學效果得到顯著提升。

關鍵詞：BOPPPS模型;工科專業;實驗教學;有效教學

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）06-0036-03

高等院校特別是高等工程院校作為教育強國戰略實施的重要陣地之一，肩負著為國家培養一大批創新能力強、適應行業發展需求的高質量工程人才的重大任務[1]。實驗教學是高校工科專業工程人才培養過程中的重要環節，在培養學生的知識綜合運用能力、實踐操作能力和創新研究能力等方面具有不可替代的作用[2]。近年來，國內各高校圍繞工科專業的實驗教學，面向國家和行業發展需求建設了一大批內容先進的實驗教學項目[3-5]，極大地豐富了工科專業的實驗教學體系，為工程人才的創新和實踐能力培養奠定了良好基礎。

實驗教學體系的豐富，大大改善了傳統工科專業實驗教學資源相對匱乏的窘境。但需要指出的是，實驗教學作為一項需要學生在有限時間內進行充分實踐的能力培養和訓練環節，學生學習效益的高低不僅僅依賴于豐富先進的教學內容，而且更加依賴于科學合理的教學設計，以及教學設計下的學生在實驗教學過程中的參與和投入程度[6-7]。因此，如何實現實驗項目的有效教學是當下每一個工科專業教育工作者需要重點考慮的內容。本文基于BOPPPS教學模型，在分析工科專業實驗教學有效性因素的基礎上，對“材料成型及控制工程”這一傳統工科專業的實驗教學進行了設計改革，并在本專業人才培養過程中進行了應用實踐，實現了實驗教學效益和效果的明顯提升。

一、BOPPPS教學模型概述

BOPPPS教學模式是一種學生全方位參與和及時反饋交流的教學模式和監測系統，近年來被北美眾多院校所推崇，也得到了國內高校和教師的廣泛關注和應用[8]。BOPPPS教學模型針對教學目標的達成，將原有知識學習過程拆分為前后銜接的六個學習單元，即導言（Bridge-in）、目標（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Post-assessment）與總結（Summary）[9]。通過這六個單元的有機組合，BOPPPS教學模型建立了一種教學互動和反思的閉環教學模式，可有效集中學習者注意力，提升學習效果，是當前高等教育教學設計和改革過程中的一種切實可行的途徑。

利用BOPPPS教學模型和教學思想，國內外學者進行了課堂教學改革的系列研究和實踐，取得了良好效果[10-11]。但目前關于BOPPPS教學模式在實驗教學中的應用還較少[12]，這一方面歸因于當前對實驗教學的功能認識和模式創新還不夠重視，另一方面是BOPPPS教學模式與傳統實驗教學模式的融合與變革還需要進行深入系統的研究。但可以肯定的是，在工科實驗教學過程中推廣和使用BOPPPS教學模式，對構建以學生為中心的互動教學模式，解決目前實驗教學過程中的學時少、學生參與程度低、考核模式簡單等問題具有明顯的積極作用。

二、工科專業實驗教學的有效性因素

有效教學（Effective Teaching）理論起源于20世紀前期西方的教學科學化運動，廣義上指“關注學生及學習進步的教學”，其核心目的是促進學生獲得全面發展[13]。

工科專業實驗教學作為高等工程教育的基本形式之一，如何提升其有效性是當前教育改革的核心追求。目前，實驗教學的有效性還沒有一個統一的標準，但綜合分析來看，工科專業實驗有效教學應包括以下四個基本因素：（1）要有明確的教學目標。明確的教學目標不僅可以指導教師開展有效教學，同時還可為評價教師教學效益提供可靠依據。（2）學生要主動參與教學過程，有效教學以學生發展為目標，必須通過學生主動地參與教學過程才能實現。（3）要體現教師的主導作用和學生的主體地位，同時要強化實驗設計和組織管理。（4）課堂氣氛和課堂環境要民主、自由和安全。

可見，將BOPPPS教學模式應用于工科專業實驗教學，構建實驗教學的BOPPPS互動模式，通過合理的實驗教學設計，可以實現實驗教學的目標清楚、組織有效、評價閉環和知識能力挑戰性，以最少的時間、精力和物力投入，達到最大的教學效果。

三、基于BOPPPS模型的實驗有效教學設計與實踐

以“材料成型及控制工程”這一傳統工科專業為試點，進行了真實物理實驗和虛擬仿真實驗兩個版塊的教學設計改革，分別建立了基于BOPPPS模型的實驗教學方案，并在本專業人才培養過程中進行了改革實踐，發現BOPPPS實驗教學模式可以充分調動學生的主觀能動性，顯著提高其實踐和創新能力，得到了學生的廣泛認可和好評，實現了有效教學。

（一）基于BOPPPS模型的真實物理實驗有效教學設計與實踐

“材料成型及控制工程”專業的真實物理實驗包括驗證性實驗、綜合與設計性實驗以及創新與探索性實驗等三大層次30余個實驗教學項目。本文以“環形件模鍛”實驗項目為例，介紹基于BOPPPS模型的實驗有效教學設計與實踐情況。

1. 實驗項目簡介。“環形件模鍛”實驗項目利用設計的環形件鍛模，由學生完成不同尺寸規格坯料的模鍛成形過程，使學生了解環形件模鍛不同階段的金屬流動特點，分析不同毛坯尺寸對模鍛成形過程的影響規律，熟悉和掌握飛邊槽和沖孔連皮的作用及其對環形件模鍛成形的影響。

2.基于BOPPPS模型的實驗教學設計。針對本實驗項目的知識和能力點，基于BOPPPS模型的教學設計如下。（1）B即Bridge-in，導言環節：在正式開始實驗之前，設計一個簡短卻吸引人的導言，如講述我國航空母艦用大型模鍛件生產的水平現狀，落腳到模鍛工藝不同階段的金屬變形特點，進而引申到如何正確選擇模鍛件毛坯規格，使學生在實驗前快速進入學習狀態，以便集中精力進行實驗目標和內容的聆聽。（2）O即Objective，目標環節：導言之后，簡明介紹本次實驗的目標，使學生明確實驗學習的方向，即通過進行不同尺寸規格坯料的分步環形件模鍛實驗，認知環形件模鍛不同階段的金屬流動行為特點，分析不同毛坯尺寸對模鍛成形過程的影響規律，并優選合適的坯料尺寸。（3）P即Pre-assessment，前測環節：針對全體學生的關于實驗項目基礎理論知識的前置測評，如可通過提問、分組討論等形式進行，以準確了解學生對于模鍛工藝基礎知識、實驗設備知識等的掌握情況，并據此調整實驗教學原理、教學內容的講解深度和廣度。（4）P即Participatory learning，參與式學習環節：通過師生的良好互動進行實驗項目核心和主體內容的學習，實驗教學過程可通過教師主導、學生主演的形式進行。如在教學過程中，根據坯料不同階段的變形情況，設置由淺入深的一系列問題，逐步引導學生思考下一步實驗該如何調控，實現學生從“要我學”向“我要學”的態度轉變。（5）P即Post-assessment，后測環節：在實驗過程基本完成，實驗教學結束之前，對學生的實驗學習效果進行及時檢測和評估。如基于實驗所得的數據，由小組討論形成環形件模鍛過程的變形規律和坯料尺寸對變形的影響，進而提問和引導學生如何用所學的理論知識來解釋實驗中出現的現象和所得的數據規律，并鼓勵學生進一步探討有沒有更好的實驗處理方法，使學生在實驗中的收獲得到及時強化和初步升華。（6）S即Summary，總結環節：實驗教學結束之際，對本次實驗教學進行總結，并指導學生撰寫實驗報告和心得。如通過感性和理性兩個層面進行環形件模鍛過程的相關規律的解釋和闡述，并引導學生思考：實驗還可以怎么做？如果再做一遍，該調整哪些工藝條件可以讓結果更合理？給學生留下更大的思考空間，同時作為教師也要充分反思本次教學存在的問題和下一次教學時應該改進的地方。

3.應用實踐。基于上述BOPPPS模型的實驗教學設計，在本專業本科生中進行了“環形件模鍛”實驗教學的改革實踐。通過課后座談和問卷調查等形式，學生一致認為基于BOPPPS的實驗教學模式能夠顯著提升其參與實驗的興趣和投入程度，而且在教學過程中知識的獲取效率和學習效益較傳統實驗教學設計模式有根本性轉變。

（二）基于BOPPPS模型的虛擬仿真實驗有效教學設計與實踐

近年來，“材料成型及控制工程”專業針對鍛造缺陷種類眾多和鍛造過程工序復雜、且受設備條件限制，難以開展真實物理實驗的難題，設計開發了“鍛造缺陷分析及工藝過程”虛擬仿真綜合實驗。基于虛擬仿真實驗線上教學的特點，結合BOPPPS模型和雨課堂教學工具，開展了基于BOPPPS模型的虛擬仿真實驗有效教學設計和實踐。

1.實驗項目簡介。“鍛造缺陷分析及工藝過程”虛擬仿真綜合實驗，以培養訓練學生熟悉掌握鍛件主要缺陷類型、形成原因和抑制方法為目標，設計包括毛坯尺寸、加熱溫度、鍛模結構參數等對鍛件質量的影響實驗和以齒輪坯為例的鍛造工藝全過程實驗。

2.基于BOPPPS模型和雨課堂的實驗教學設計。

（1）雨課堂預習與“BO”環節。將BOPPPS模型的“BO”環節與雨課堂課前預習相結合，圍繞“鍛造缺陷分析及工藝過程”虛擬仿真實驗對應的理論知識點、實驗原理、設備介紹以及安全注意事項等，設計驗證性實驗課前預習“雨課件”，在實驗前發送給學生進行預習，使學生對實驗目標任務等有明確的認識;同時，設計實驗預習“雨試卷”，要求學生在預習“雨課件”的基礎上完成預習“雨試卷”的作答，便于教師掌握學生預習情況以及學生對實驗相關知識的掌握情況，以便相應調整實驗教學思路。（2）雨課堂互動教學與“PPP”環節。針對BOPPPS模型的“PPP”環節，利用雨課堂教學工具，圍繞實驗方案、實驗步驟、實驗分組、實驗數據記錄以及實驗結果分析與討論等設計實驗課堂教學“雨課件”，并在教學“雨課件”的不同階段設置投票、單選題、多選題等內容考查學生對實驗內容的理解和掌握情況，同時利用隨機點名、彈幕、討論區等形式與學生開展積極互動，調動學生參與實驗教學的積極性。（3）雨課堂試卷與“S”環節。實驗教學結束，將與實驗相關理論知識、工藝知識、設備知識等設計成客觀題，將實驗過程、數據整理、結果分析討論和實驗反思等設計成主觀題，組成實驗報告“雨試卷”，通過雨課堂及時推送給學生，設置學生完成時間期限，使學生在實驗課后對實驗所學進行及時深刻總結。

3.應用實踐。基于BOPPPS模型和雨課堂的虛擬仿真實驗教學在本專業本科生中進行了改革與實踐，發現兩者的結合應用進一步打破了傳統實驗教學過程中教師單一講授以及教師演示、學生重復的教學模式。通過雨課堂這一先進教學工具，更加突出了實驗教學過程中的師生互動與廣泛研討，學生的主體地位得到顯著提升，學生能夠真正融入實驗教學過程中，學習有效性顯著。

四、結論

BOPPPS教學模式作為學生全方位參與和及時反饋交流的教學模型，是改革現有本科實驗教學模式、提高實驗教學水平的有效途徑之一，針對提升實驗教學的有效性具有十分重要的意義。針對“材料成型及控制工程”這一傳統工科專業，進行基于BOPPPS模型的實驗教學設計和改革，可以更好地調動學生實驗學習的主觀能動性，大幅提升學生的教學參與熱情和投入程度，學生在實驗教學過程中的互動和拓展思考明顯增加，教學效果凸顯。

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