虛實結合的大學物理實驗BOPPPS教學模式改革與實踐

魏 薇，譚佐軍，劉 泉，謝 靜，陳建軍，王 芳，沈 環

(華中農業大學 理學院 物理系，湖北 武漢 430070)

大學物理實驗課程是高等農林院校對學生進行科學實驗基本訓練的基礎課，是學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端. 其在人才培養體系中具有獨特地位，是本科人才實踐能力培養的重要基礎性實踐教學環節，對于提高學生的綜合素質，培養學生的創新精神與實踐能力具有重要作用[1]. 由于農林院?；A實驗教學普遍存在教學時空固定且教學方式單一的問題，因此基礎實驗教學中心化、開放式的改革工作日漸盛行[2-4]. 然而隨著開放式實驗教學改革的不斷深入，改革工作進入深水區，問題與困難逐漸顯現：實驗教學開放式不僅僅是簡單的教學時空開放和教學形式的開放，其對開放背景下的教學模式和方法提出了更高要求；開放式的實驗教學，需要與之相匹配的實驗教學內容體系相互支撐；開放式實驗教學的評價體系需更加過程化和多元化. 當前信息技術高速發展，教學新模式、新方法、新技術成為驅動基礎實驗教學進一步提升、改革的強大動力，也為破解實驗教學難題提供重要契機. 在前期開放式教學改革的基礎上，大力推行大學物理實驗教學內容和模式的進一步革新.

基于農林類大學物理實驗課程的教學改革現狀及普遍存在的教學問題，課程組充分吸納以往改革實踐的成果與經驗，開展了充分的調查研究，凝練并提出了“以四有為導向，主動性提升與創造力培養并重”的實驗教學改革理念. 四有即有趣、有度、有用、有味. “有趣”著力于激發學生的學習興趣和科學創意；“有度”著力于培養學生的獨立實驗能力，培養學生的觀察、質疑、研究、應用能力，打造金課；“有用”著力于與農林院校專業知識技能融合，與現代農業、生活實際緊密聯系；“有味”著力于提升課程的思政功能，強化科學素養，把好實踐教學環節的第一道關，在實踐教學環節滲透育人元素. 利用學校開展的教育思想大討論、青年教師講課競賽、國內各類教育改革研討會、微信公眾平臺等方式，積極宣傳改革理念，在校內外形成了廣泛的共識.

1 構建大學物理實驗虛實結合的BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模型是北美高校教師技能培訓過程中推崇的教學模型之一，是根據教育學的認知理論提出的教學設計過程. BOPPPS教學模型將教學過程劃分為引入(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory learning)、后測(Post-assessment)和總結(Summary)6個部分[5-11]. BOPPPS教學模型的核心為：一是強調學生全方位參與式學習；二是及時獲得學生的反饋信息，以調整后續的教學活動. 對于教學過程以實踐為主，教學目標以培養學生學習自主性與創造性為重的實驗課程，構建虛實結合的BOPPPS教學模式，對破解開放式實驗教學背景下的改革難題有重要意義. 大學物理實驗課程充分應用虛實結合、靈活多樣的教學環境，鼓勵學生積極參與實驗教學全過程，使學生能夠主動、創造性地完成實驗內容. 大學物理實驗虛實結合的BOPPPS教學模式見圖1，圖中紅色實線框表示實體，藍色虛線框表示虛擬.

圖1 大學物理實驗虛實結合的BOPPPS教學模式

1.1 引入(B)

學生以實驗報告冊中的“實驗引導問題”為線索，完成對每個實驗的預習. 課前引入環節采取“網絡資源平臺+引導性虛擬實驗系統+預習實驗室”相結合的方式完成. 學生通過網絡平臺隨時隨地獲得豐富的學習資源(資源庫按照基本物理原理、實驗設計方法、儀器操作規范、數據處理方法、實驗創新方法等分成多個資源模塊，采取不同資源呈現方式，為學生自主設計實驗提供支撐)，通過平臺的互動交流模塊，學生之間、師生之間可以即時進行引導問題的交流與反饋. 除此之外，通過預約系統，學生可以隨時隨地進入24 h全開放的預習實驗室熟悉相關實驗內容. 學生將網絡平臺獲得的預習知識與直觀的儀器使用體驗相結合，可以解決絕大部分實驗引導問題，取得很好的預習效果.

1.2 目標(O)

學生完成實驗引入后，教師確定本次實驗的實驗目標. 實驗目標包括：知識目標、能力目標以及素養價值目標. 此外，明確引入環節中尚未解決的關鍵問題，作為課堂實驗部分的學習重點.

1.3 前測(1P)

為了解學生在引入環節的學習情況，通過引導性虛擬仿真實驗系統完成對引入環節的考核，形成實驗課前前測成績. 虛擬仿真實驗系統模擬真實的實驗環境，采用統一的導航結構，內容表現方式以全景、立體動態展示的形式，學生通過人機交互，完成大學物理實驗的前測. 另外虛擬仿真系統還能提供實驗操作考核，學生在全景虛擬環境中，根據隨機抽取的操作考核任務，通過人機交互進行操作. 以此來考查學生的實驗學習效果，給出操作考核成績.

1.4 參與式學習(2P)

課上的實驗實踐環節，學生進行較好的預習準備后進入實驗室，教師引導學生圍繞實驗的關鍵問題展開討論，解決疑問，學生自主完成實驗操作，通過觀察現象、定量測量和數據采集，完成實驗課堂部分.

1.5 后測(3P)

學生完成實驗后，教師通過線上系統對實驗數據進行測評，結合虛擬仿真系統中的操作考核，完成實驗課堂學習效果后測.

1.6 總結(S)

課后學生按照要求完成實驗報告，其間學生可以通過網絡平臺與同學或教師進行實時交流，也可以通過線下的答疑室進行相關答疑.

BOPPPS實驗教學全過程緊密結合虛實學習環境，充分發揮了遠程網絡學習結合本地學習的優勢，虛中有實，實中有虛，實現信息技術與實驗教學的深度融合，并使得BOPPPS實驗教學的各個環節都能達到預期的教學效果.

2 打造“有趣、有度、有用、有味”的大學物理實驗教學模塊化內容體系

課程內容打破相對封閉的傳統物理實驗內容教學體系，把實驗內容進行重新分類，將原來獨立的實驗有機聯系起來[12],構建了“基礎必選+開放自選+課外拓展”三大實驗模塊(圖2)，使得傳統的12個實驗項目體現出“有趣、有度、有用、有味”的四有特點.

圖2 大學物理實驗教學模塊化內容

2.1 有趣

強調實驗內容與生活實際的聯系，突出實驗內容的趣味性和測量手段的生活化. 例如，開放自選模塊第一層次的全息攝影實驗,讓學生綜合運用光學的干涉和衍射原理完成器件擺放,并使其了解現代科技的成果,調動學生的學習積極性. 利用智能手機和生活材料，實現對生活場景中物理量的測量，例如，搭建水音階、地磁場測量、手機計步功能研究、水透鏡成像等項目，都力求提升實驗內容的趣味性. 針對農林類專業學生用電技能薄弱的特點，自主設計的電路故障判斷實驗.

2.2 有度

強調物理實驗中科學實驗和實驗技能的基本訓練，讓學生學習系統的實驗方法，提高課程的挑戰難度. 例如，光電顯微成像技術研究與應用實驗要求學生運已經學到的實驗技能和方法，設計完成光電顯微成像技術測量光柵常量,讓學生能夠運用多種方法和手段實現實驗目的. 實驗不僅要求學生掌握光學中幾何光學和波動光學的知識,還要求學生掌握光學實驗的方法和光路圖的設計,以達到光學實驗的教學目的. 課外拓展模塊中的創新性實驗教學內容著力于提升學生綜合運用多學科知識分析、解決實際問題的能力，為保證項目的實施質量，學生選題后要按照科研項目的申報方式執行. 例如水果品質無損檢測實驗，學生利用課內掌握的基礎實驗知識，通過CCD成像方法采集數據，將獲得的數據進行數學建模，從而保證實驗內容具有挑戰性.

2.3 有用

突出實驗內容對實踐能力、科學思維的提升作用，強化實驗內容與專業特色、后續課程的融合，提高學生對知識的拓展應用能力，實現物理實驗有用. 例如，在基礎必選模塊實驗項目設計上，把測量物理量相同、測量工具相似以及測量技術或方法一致的實驗優化整合在一起，突出實驗基礎. 開設的每個實驗模塊,按照實驗項目的內在聯系編排實驗，實驗內容從簡到難分層次上升,而且強化物理與農科專業之間的融合,加強多學科交叉，例如，光電顯微成像技術的研究與應用實驗使學生了解顯微成像原理在生命科學研究中的應用，植物反射光譜的研究實驗融合了植物學科的相關知識.

2.4 有味

對實驗內容進行重新組織，選擇物理學發展史上曾起過重要作用、物理思想獨特、設計方法巧妙的經典實驗，通過強調物理實驗過程中思維的閃光點與方法的突破點，促進學生物理思維的提升. 通過講解物理思想的唯物辯證觀、物理理論的實踐性、物理學史的波瀾壯闊性，使學生將自身發展與國家發展和民族振興相結合，勤奮、創新、自信. 圍繞馬克思主義哲學的基本觀點開展課程設計，將思政元素以畫龍點睛式、專題嵌入式、元素化合式、隱性滲透式等手段融入授課過程中，對技能和知識給予簡明提示. 另外，授課教師的為人師表、以身作則、言傳身教都是隱性滲透的思政教育.

3 實現“自主化+泛在化”的大學物理實驗學習過程

BOPPPS教學模式強調學生參與式的學習過程，改變了傳統的實驗教學方式、方法，實現了學生學習過程的自主化. 學生在課外通過“網絡平臺+引導性虛擬實驗項目+預習實驗室”虛實結合的學習環境完成了引入環節，并且明確了實驗的學習目標，掌握了實驗的基本原理，了解了實驗儀器的操作方法和數據處理方法，并且多數學生已完成實驗的步驟設計任務和課前前測. 在這樣的條件下，課內實驗教學更好地體現了學生的主動參與性. 教師不需要對實驗進行詳細介紹和講解，而是讓實驗課堂充分發揮學生自主實驗操作實踐、師生互動討論的功能. 這種以學生為主體的教學模式，減少了教師的重復性勞動，激發了教師的教學潛能，并且更好地調動了學生學習的自主性.

另外，在虛實結合立體化教學支撐體系的支持下，實現實驗學習過程的泛在化. 在物理情景感知的支持下，增強現實技術為學生提供即時即地即景的演示實驗，通過三維建模、渲染、動畫增強現實互動環境，學生從該虛擬環境中獲得對物理概念、物理定理、物理規律的感性和理性認識. 將物理仿真實驗與移動學習進行有效結合，AR，VR和二維碼等現代信息技術與紙質教材進行有機結合，能夠有效促進教材、課堂、教學資源三者融合，構建更加高效的開放型教學模式. 學生通過手機APP可以隨時、隨地預習大學物理實驗，實現了大學物理實驗的泛在化學習. 移動學習的模式將學生日常的手機娛樂習慣拓展到學習上，從而拓寬了學生的選擇空間. 此外，移動學習還具有合作性質. 移動學習的場地往往是學生感覺最舒適、最自在的空間. 在這種氛圍下，學生之間的討論會給自主學習帶來豐厚的回饋.

4 建立“多元化+信息化+過程化”的考核評價方式

以促進學生自主學習為目的，將實體操作考試與上機虛擬考試相結合，教師評價與學生自我評價相結合，強化過程考核.

在評價主體上，通過信息化手段實現師生互評、學生自評，體現學生在評價過程中的主體性. 學生自我評價包括引入前測、實驗數據檢查及虛擬操作后測等環節，教師則根據實驗項目要求分別對學生的參與式實驗操作、實驗報告、創新能等方面進行評價. 實驗總成績包括教師評價和學生自我評價2部分.

在評價手段上，逐步改變紙卷考試的單一化方式，采用多元化、過程化的評價機制，全面評價學生的學習效果. 結合BOPPPS模式的評價特點，評價過程包括引入前測、操作后測、實驗報告、課程考試等方面. 不同實驗模塊、項目的考核形式、實驗分數的構成均有所區別. 利用過程評價系統強化過程考核，使考核方式常態化. 實驗課程成績將由以上各部分成績按照比例加權計算得出，該成績更能客觀、全面地反映學生在實驗過程中的表現以及獲取知識、能力提升情況. 因此強化學習過程的評價能夠實現過程考核信息化.

5 結束語

大學物理實驗的改革以學生為中心，實行全開放教學，且貫通課內外，把學習的自主權交給學生，將教與學進行緊密結合，實現“虛-實-虛”的有機結合，構建了BOPPPS教學模式，實現了自主化、泛在化學習. 實驗教學內容強調與農林院校專業知識技能融合的實用性，強化與科技結合、與興趣結合、與生活結合的趣味性，同時注重實驗內容能否達到價值塑造、能力培養與知識傳授育人目標的高度，體現“有趣、有度、有用、有味”的特點. 強化學習過程評價，實現考核信息化和多元化，注重學生主動學習程度及實際教學參與程度、知識的創新和運用能力等綜合性考查. 開放式實驗教學改革，能夠更好地調動學生學習的主動性與創造性，充分體現價值塑造、能力培養、知識傳授的育人目標，體現農業院校大學物理實驗的特色，是實踐類課程虛實結合的BOPPPS教學模式改革的重要嘗試.