BOPPPS教學模式下大學物理線上課堂的教學設計
——以“動生電動勢”為例

胡 森,劉 丹

(湖北第二師范學院 物理與機電工程學院，武漢 430205)

隨著時代發展和教育技術進步，世界高等教育尤其是我國高等教育已經進入一個“互聯網+高等教育”的新的歷史發展時期。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，在大學教學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模式被強制性地納入線上教學模式。如此大規模的采用線上教學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。疫情防控結束后即便回歸傳統課堂，相信廣大教師和學生也一定會對在線教學的形式有全新的認識，對未來基于互聯網的教育教學改革滿懷憧憬[2]。

大學物理作為高等院校理工科非物理專業的一門重要基礎課，在各專業知識體系建構中有著不可或缺的作用。作為一門受眾面十分廣泛的課程，大學物理具有開發MOOC課程的先天優勢。據不完全統計，在愛課程中國大學MOOC平臺上，大學物理相關課程的門數就達到了220余門，開課院校涵蓋了雙一流國家重點高校、普通地方本科院校以及職業技術院校等多個層次。這些大學物理課程制作精良、內容豐富，在疫情防控期間給修讀該課程的學生們提供了優質的學習資源[3]。與傳統課堂教學不同，線上教學的課程一般是由微課視頻及其他如拓展資源、學習計劃、作業要求、考核辦法等教學資源構成。其中，作為核心內容的微課視頻不應是課堂教學的簡單實錄，而應是以學生為中心，圍繞著某個知識點(重點難點疑點)或教學環節而開展的教與學活動的全過程。考慮到觀看教學視頻時人的注意力難以長時間保持，微課教學視頻的時長不宜過長，更不宜直接以課堂教學實錄來代替。一項關于大學物理在線教學學習效果的問卷調查顯示，由于線上教學的局限性，尤其是缺少師生交流互動和必要的學習監管，很多時候錄制精美的教學視頻變成了主講教師“唱獨角戲”，更有甚者淪為學生開著視頻玩其他線上游戲的“背景音樂”。因此，為保障大學物理線上教學的學習效果，提高學生線上學習的效率，我們必須科學、規范地做好線上教學內容的設計。一方面我們需要將原教學內容盡量拆解成以知識點為單元的系列微課串成章節或課程體系，另外一方面更需要引進先進的教學設計理念來對大學物理線上課堂教學的內容進行科學、規范的設計。

BOPPPS教學模式是一種結構完整、注重學生參與與教學反饋的有效教學模式，近年來在高校中非常流行，不少高校教師將其應用于翻轉課堂和微課的教學設計中[4][5]。基于BOPPPS教學模型的基本框架，課堂教學的設計緊密圍繞著課程教學目標的達成而開展，在“以學生為中心”的理念下，教師逐步轉變成為引導學生全方位參與并開展“協作式、探究式、問題式”學習的領航者[6]。本文以典型的大學物理課程的“動生電動勢”這一教學內容為例，詳細分析如何利用BOPPPS教學模式，構建以學生為中心、以問題為導向，教學效率高、學生參與度良好的大學物理線上課堂，期望對高校物理教師的教學實踐提供一定的幫助。

1 BOPPPS教學模式簡介

BOPPPS教學模式起源于北美，是北美眾多高等院校認可和推崇的一種教學模式。該模式將教學過程分為導入(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory learning)、后測(Post-assessment)、總結(Summary)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”教學模式。其中，各個要素的解釋及相應的任務解讀見表1。

從表1看出，BOPPPS模式針對教學目標的達成將整個教學過程分解為六大模塊，在此過程中強調以學生為課堂的主體，重視學生的課堂參與，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進行及時的調整。同時，根據人的注意力大約只能持續維持15分鐘的規律，BOPPPS教學模式將課堂教學內容分割為15分鐘左右的多個教學小單元，每個小單元以及由它們組成的課堂都遵循“起承轉合”的脈絡，從而使得課堂分段但卻不零散。正是因為BOPPPS模式具有流程化、注重學生參與、目標-活動-評價整體設計并強調一致性這三大特點，從而使得它在建立以學生為中心的高效課堂方面有著顯著的優越性。

表1 BOPPPS模式要素及任務解讀

2 基于BOPPPS教學模式的“動生電動勢”線上課堂教學設計

2.1 教學準備

2.1.1 教學內容分析

在大學物理課程體系中，“動生電動勢”屬于“電磁感應”這一知識板塊中的教學內容。以馬文蔚等主編的《物理學教程(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 電磁場與電磁波》第二節“動生電動勢和感生電動勢”之中。在上一節——“電磁感應現象”中，已經介紹了感應電動勢的產生原因(電磁感應定律)及其方向判斷法則(楞次定律)。而本節內容則是進一步剖析引起磁通量變化的兩種原因，將感應電動勢分成動生電動勢和感生電動勢兩類，并根據電源電動勢的定義，講解兩類電動勢的產生機制和本質。“動生電動勢”這一知識點的教學目標是要求掌握其產生原因、電動勢的形成機制、計算示例及在實踐中的應用。在線上課堂的教學視頻中，時長設置為15分鐘左右。

2.1.2 學情分析

學生在高中階段已經學習過“電磁感應定律”相關的內容，對于感應電動勢的產生原因及其方向判斷已經有所了解。因此，本章第一節主要是帶領學生回顧高中所學，進一步加強鞏固，在實際教學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)的時間完成第一節和第二節的教學。學習本節知識，除了“電磁感應定律”這一重要的先行知識之外， “電源電動勢的定義”也是本節課分析兩類感應電動勢本質的重要的知識基礎。

2.1.3 教學方法分析

考慮到線上教學的特點，本片段采用講授法組織教學。通過回顧舊知、厘清概念和推理引導學生從“表象”到“本質”逐步理解動生電動勢的概念、物理模型及應用。從基于習題的訓練教學轉變為面向實際問題的解決，從具體知識點的學習轉變為核心觀念的建構，從而達到培養學生物理觀念、科學思維和應用能力等物理核心素養的目的。

2.2 教學過程設計

2.2.1 Bridge-in階段——回顧舊知、建立認識

2.2.2 教學目標Obiective——PPT展示

(1)知識目標：理解動生電動勢的產生機制，基于電源電動勢的概念推導動生電動勢的計算公式并能進行計算。

(2)思維能力目標：結合動生電動勢產生原因的解釋，培養學生綜合運用物理原理分析解決、解決問題的能力；進一步理解“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)價值觀目標：通過對歷史上第一臺圓盤式發電機的分析，讓學生體會物理學在推動技術發展、生產力變革的巨大作用。

2.2.3 前測(Pre-assessment)

“導體棒在磁場中作切割磁感線運動會產生電動勢。”是在高中物理課程中就已經講過的內容。事實上，這種電動勢就是動生電動勢。在系統講授“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以速度V水平向右作切割磁感線運動， 求銅棒中產生的電動勢的大小及方向？

同學們可以完全運用高中的方法求解這道例題，如此一來，可以檢驗學生們高中所學。在學完后續內容后，老師還可以讓學生運用計算動生電動勢的方法求解同一題目。兩種方法的對比，可以有效地幫助學生建立新舊知識的聯系，完成知識的建構。

2.2.4 參與式學習(Participatory learning)

教學任務1：動生電動勢的產生機制分析

根據前面的知識回顧，學生們知道，任何電源電動勢的內部必有非靜電力來克服靜電力做功，從而完成電能的轉換。那么，動生電動勢的非靜電力來源是什么？教師帶領學生以例題1中的銅棒為例，銅棒內存在自由移動的電子，電子若能定向移動進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電子受力情況

教學任務2：動生電動勢的計算

在這一教學環節，設置了如下三個習題：

(1)習題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以速度v水平向右作切割磁感線運動， 利用動生電動勢的求解公式求銅棒中產生的電動勢的大小及方向？

(2)習題2：如圖3，長為L的銅棒在勻強磁場B中以角速度ω繞O點逆時針轉動。求銅棒中感應電動勢的大小和方向。假如將銅棒棒反向旋轉(即順時針轉動)，計算結果又如何？

圖3

圖4

(3)習題3：如圖4，如果是半徑為R的銅盤在勻強磁場B中以角速度ω繞盤心O逆時針轉動，盤中會產生感應電動勢嗎？大小和方向呢？

這三個習題由簡及繁，逐步遞進。習題1是前一階段引出的例題，但這里讓學生用動生電動勢的計算公式再次求解。該習題的目的旨在讓學生建立起高中物理和大學物理之間的聯系，在高中物理中大多是“恒量”問題，因此不需要用到微積分進行運算，但學生需要明白其本質。習題2是一個帶有“變量”的問題，學生必須采用微積分的方法進行計算。借由此，讓學生明確帶有矢量混合積的積分運算方法，并能根據最終計算結果進行物理解釋。習題3則是在習題2基礎上的拓展，要求學生用等效的思想去解決問題，旨在進一步啟發學生的思維、鞏固所學。同時，又是下一階段“關于動生電動勢的幾點討論”的基礎。

教學任務3：關于動生電動勢的幾點討論

討論1：法拉第圓盤式發電機。習題3中給出的模型正是歷史上法拉第發現了電磁感應現象之后不久，他又利用電磁感應發明的世界上第一臺發電機──法拉第圓盤發電機。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。當法拉第轉動搖柄，使紫銅圓盤旋轉起來時，電路中產生了持續的電流(見圖5)。

圖5 法拉第圓盤發電機(實驗室模型)

本環節通過給學生講述圓盤式發電機的照片及發電過程的視頻，讓學生明白電磁感應定律在電力技術革命中所起的作用，從而建立物理、科學與技術之間的聯系。讓學生在課后查閱相關資料，了解現代發電機的構造與最初的法拉第圓盤發電機有何不同，并結合物理學知識，解釋現代發電機會做這樣的改進。

討論2：轉動銅盤發電的深層次思考。在這一環節，教師提出問題：在均勻磁場中勻速轉動的銅盤，穿過盤面的磁通量并沒有發生變化，按照法拉第電磁感應定律，其中應該不會產生感應電動勢。那這與習題3的結論是矛盾的，這又是為何呢？學生不難發現，這其實是一個悖論。對于此問題，運用“導體切割”和“磁通變化”兩種不同的方法分析，結果應該是一樣的。只是在運用磁通量變化分析時，必須考慮到底應該如何準確選取閉合回路。教師可以提供幾篇對此問題進行過研究的期刊論文[9][11]，讓學生在課后也可以繼續查閱相關資料，對此進行研究總結。

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

設計意圖：在講授完新知識后，為拓展學生們的知識、提高其課堂參與度，我還設置了三個課堂討論。三個討論涉及到了科學與技術的應用、新舊知識的聯結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“電磁感應定律”等相關知識進一步升華。

2.2.5 課堂形成性評價(Post-assessment)

習題4：如圖6，長直導線中載有恒定電流I，由半徑為R的四分之一圓弧形導線和兩段直導線圍成的平面閉合回路以勻速v向上運動。閉合回路與長直導線共面，其OA邊與長直導線平行，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

設計意圖：不難發現，解決該問題的第一問需要用到法拉第電磁感應定律，第二問則涉及磁場為變量的積分運算，第三問不是通過嚴格計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，既需要學生們熟練運用前面所學，又需要學會用本節動生電動勢的計算方法處理較為復雜積分的運算。運用該習題作為課堂的后測，既檢驗了學生對本節知識的掌握情況，又幫助學生與之前所學知識進行融合。

2.2.6 課堂總結(Summary)

利用PPT對動生電動勢的產生原因、物理本質、計算方法、應用拓展等方面對本小節內容進行課堂總結。從如何建立物理模型、運用物理思維方法等角度去歸納解決物理問題的方法。此外，本節內容與技術的應用息息相關，了解物理知識在技術推動方面的作用，有助于提升理工科專業學生的專業素養。

3 總結與反思

本研究利用BOPPPS教學模式六大模塊的邏輯組合，對動生電動勢這一小節的線上課堂進行了教學設計。該教學設計圍繞著動生電動勢的分類、產生機制、應用拓展等而展開，做到以學生為中心、以問題為導向、以有效實現教學目標為核心，在新知知識間充分地搭建過渡橋梁以幫助學生克服學習難點，充分結合了問題式、探究式的教學方法進行講授，使物理問題得以自然引出與解決，順利地克服了難點。在課堂教學中融入物理思維方法、注重從物理問題的本質出發，注重學生物理思維的啟發和物理觀念的培養。本文的研究給教師提供一種操作性和條理性較強的教學框架，期望能為大學物理線上課堂的教學設計提供參考。