BOPPPS教學模型在電子技術實驗課堂的應用實踐探究

汪洋堃，王自珍，張 峰，張士文

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

電子技術實驗是高等院校面向大電類專業(yè)本科生開設的重要專業(yè)基礎實驗課［1］，培養(yǎng)學生從事工程技術所需的電子電路分析技能和實踐應用技能［2-3］，鍛煉解決從簡到難的電子系統(tǒng)設計、測試、調試等系列復雜工程問題的能力，形成嚴謹?shù)目茖W研究實驗方法和自主探索創(chuàng)新的實驗思維［4］。對大電類專業(yè)學生實踐類課程學習習慣的養(yǎng)成以及后續(xù)的課程學習、創(chuàng)新實踐探索、科研工作均有裨益。

實驗課堂上授課有兩種極端化現(xiàn)象：過多重申理論知識，壓縮學生的動手操作時間，課上完不成實驗任務；不做講解或只講解操作步驟，學生并不清楚操作步驟背后的原因或為何禁止某些操作，缺乏自主思考過程，實驗后很快忘記。

通過實驗教學觀察發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電子技術實驗教學多數(shù)采取課上重述理論課知識，然后布置大量的驗證性課堂操作任務，學生自由操作練習，通過課后實驗報告評判學生學習效果的方式，這樣的教學模式在許多方面存在改進空間：

（1）沒有建立理論知識與具體實踐間的橋梁，學生課堂上自主消化慢，導致課堂實驗效率不高。

（2）學生課上照圖接線，課后實際知識留存率低［5］。

（3）通過傳統(tǒng)紙質實驗報告的方式學生得到實驗結果正確與否反饋周期長，且通常只關注實驗結果的正確性，缺乏了解電路的實際應用等拓展知識。

（4）課堂遇到非預期實驗結果等問題依賴教師解決，學生課堂學習的主觀能動性缺少調動［6］，學習效果欠佳。

針對上述問題，提出BOPPPS 教學模型與在線教學平臺相結合的線下線上混合式電子技術實驗教學探索，結合線上教學平臺，包括好大學在線（CNMOOC）、自主開發(fā)的虛擬仿真平臺、在線測量教學輔助平臺，能有效地改善這些現(xiàn)象。

1 BOPPPS 教學模型在電子技術實驗教學中的實踐思路

BOPPPS（Bridge-in，Objective／Outcome，Preassessment，Participatory learning，Post-assessment，Summary）教學模型［7］自Douglas Kerr 在1978 年提出以來，在全球各級各類學校教學中廣泛采用，包含6 個環(huán)節(jié)［7-8］：①導入（Bridge-in），②設置教學目標／明確學習效果（Objective／Outcome），③前測（Preassessment），④參與式學習（Participatory learning），⑤后測（Post-assessment），⑥總結（Summary）。

1.1 導入環(huán)節(jié)

在電子技術實驗教學中，導入環(huán)節(jié)可以介紹與本次實驗內容相關的事例／技術發(fā)展進程／實際應用場景等［8］，來吸引學生注意、激發(fā)學習熱情。

在導入環(huán)節(jié)還應傳遞相關工程意識和理念：實踐類課程并非按照理論接線搭建電路就理所當然的一定得到預期結果，實驗中遇到非預期的輸出是常見且寶貴的學習機會，正是實踐搭建起理論知識到實際工程應用之間的橋梁。分析問題、定位問題、解決問題的過程不僅有助于鞏固理論知識、積累工程經(jīng)驗，同時能培養(yǎng)學生耐心鉆研、勇于克服困難的品性，鍛煉解決實際問題的綜合能力。實驗課是環(huán)環(huán)相扣的復雜系列過程，首先需要論證電路原理正確可行，在具體電路搭建和接線時需要確認組成電路的元件、導線等各個組件正常工作；再者在測量調試時，需要掌握相關儀器的設置和使用方法；更重要的，在實驗中遇到未知問題需要有足夠耐心和充分努力去解決問題，這其中任何環(huán)節(jié)的缺少都難以得到有效的實驗結果。

1.2 設置教學目標環(huán)節(jié)

設置明確的教學目標，讓學生清楚知道經(jīng)過本次課程學習后可達到的學習效果［9］，例如：“能使用555定時器進行參數(shù)設計，產生常用頻率的穩(wěn)定方波”，而不是“掌握555 芯片用法”這樣模糊的教學目標要求。

同時可以設置多層次的目標［10］，針對不同專業(yè)基礎背景、不同學習層次的同學（結合前測環(huán)節(jié)了解學生的背景知識能力），設置分層次的課堂任務，例如：

（1）使用1 片74LS160 芯片，利用超前進位輸出端，接成預置式6～9（模4）計數(shù)器。

手術完畢后仔細檢查甲狀旁腺，同時根據(jù)具體情況進行以下處理：(1)對可疑的甲狀旁腺組織，切取部分送術中冰凍，確認為旁腺后自體移植。(2)如甲狀旁腺血供良好，呈淡黃色或棕色，行原位保留。(3)如甲狀旁腺變?yōu)榘底仙米⑸淦麽橆^穿刺或尖刀片切開其包膜，如顏色仍無好轉，及時切除后行自體移植。(4)明確為誤切的甲狀旁腺行自體移植。移植方法為：將甲狀旁腺切成約1 mm大小組織塊移植于同側的胸鎖乳突肌或帶狀肌內。

（2）使用2 片74LS160 構成模為15、計數(shù)范圍為本人學號后兩位ab～ab+14 的計數(shù)器。

（3）使用1 片74LS160 芯片實現(xiàn)0～7 計數(shù)（置數(shù)方式不限），結合課程已學的74LS138 芯片，實現(xiàn)8 個LED的流水燈效果（每次有1 個LED滅，7 個LED亮，且滅的這一個向某個方向依次傳遞，往復循環(huán)）。

（4）效果同任務3，但電路的信號源采用555 芯片自主產生1 kHz的方波（不使用外接信號源）。

這樣階梯式的目標明確的課堂任務讓不同層次的學生從簡單到復雜漸進地掌握相關知識，從局部到整體認識復雜電路的構成，不但掌握某個的芯片具體使用方法，也實踐了不同芯片之間的組合應用，實驗結果直觀且有一定的實用性。即使只完成了部分基礎內容，也可以前瞻到后續(xù)的可能應用效果。

1.3 前測環(huán)節(jié)

前測環(huán)節(jié)教師可借助掃碼問卷調查、雨課堂投票、CNMOOC在線客觀題測試等［11］，了解學生實驗預習情況和先備知識掌握情況［12］。例如，在“運算放大器的應用”實驗前測，預習花費時長和預習效果自我評估結果如圖1 所示。

圖1 實驗前測環(huán)節(jié)反饋示例

在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，工科大平臺不同教學班的學生專業(yè)基礎背景和學習層次存在差異，根據(jù)前測環(huán)節(jié)學生的反饋，可針對學生在原理知識／動手操作薄弱處著重講解，同時也設置適當?shù)碾A梯式課堂任務內容，既讓已經(jīng)熟悉基礎內容（知識點原理、硬件操作、儀器使用等）的學生通過相關任務充分鍛煉進階能力，也讓初步接觸本實驗課程的學生能循序漸進的掌握實驗基礎要領。

1.4 參與式學習環(huán)節(jié)

課堂上除了獨立動手參與實驗外，電子技術實驗設置了學生之間的互動溝通，例如，在“單管放大電路”實驗中設置電路調試訓練來強化學生對三極管靜態(tài)、動態(tài)工作狀態(tài)的理解和掌握。在靜態(tài)工作點的基礎上，斷開或短路三極管電路周邊的元器件，通過觀測、分析電路重要節(jié)點的波形變化來定位故障位置和類型。學生兩兩一組隨機給對方設置若干個電路故障，學生嘗試分析解決。在該課堂實踐中發(fā)現(xiàn)，學生饒有興致的爭先嘗試，學習主動性被充分調動。而線上互動——課前借助CNMOOC 線上平臺發(fā)布相關客觀題和討論區(qū)開放思考題，學生在實驗課堂中自主觀察實驗現(xiàn)象，引導學生總結歸納。

在課程后期，學生兩人一組自由組隊各有分工，三周內共同完成一個綜合項目，例如：基于FPGA的數(shù)字顯示溫度計、基于RLC諧振的金屬直徑／距離測量、精密超聲波測距等，教師隨時答疑、檢測驗收，其中的優(yōu)秀作品選送學期末的作品競展。這樣的課堂和課外互動增強了同學的溝通協(xié)作技能，充分調動了學生的主觀能動性，將平時練習的基礎實驗電路融合應用在具體的實際項目當中。

為提升學生參與式學習體驗，課程組開發(fā)了虛擬仿真平臺（https：∥vlab.sjtu.edu.cn／ goods／show／6？targetId ＝14＆preview ＝0）和在線測量教學輔助平臺（http：∥172.168.14.7／piyue／index.html）。在虛擬仿真平臺中，如圖2 所示，學生可通過外網(wǎng)登陸訪問，隨時隨地在線搭建電路，運行即可看到仿真結果，可便捷地嘗試實物電路中不便實現(xiàn)的故障現(xiàn)象［13］，分析現(xiàn)象和原因。在預習時使用該平臺有助于提前熟悉電路結構，輔助分析理論結果，提升課堂實驗效率；在復習階段，學生不受實驗室限制，便捷地回顧實驗內容，總結實驗規(guī)律。

圖2 自主開發(fā)的虛擬仿真平臺-電路搭建界面

在線測量教學輔助平臺中，實驗室的電腦可控制直流穩(wěn)壓電源、萬用表、信號源、示波器等儀器的測量過程，如圖3 所示，將儀器的部分設置參數(shù)和測量結果（具有學生個人信息標記的圖片／數(shù)據(jù)值等）上傳。在學生端，注冊登錄后，學生進行實驗時在電腦上點擊按鈕即可獲取同一時刻所有選中的儀器的測量結果，數(shù)據(jù)記錄準確、全面，可在線查看實驗結果、進行實驗數(shù)據(jù)分析、撰寫實驗報告并提交，也可下載留存?zhèn)€人實驗結果。在教師端，教師可隨時查看學生已上傳的測量過程數(shù)據(jù)，及時了解學生實驗情況，反饋給學生并及時指導。

圖3 自主開發(fā)的在線測量教學輔助平臺

1.5 后測環(huán)節(jié)

后測環(huán)節(jié)了解和評估學生的學習效果，是否達到了本節(jié)課的學習目標［14］。電子技術實驗課程參與式學習環(huán)節(jié)和后測環(huán)節(jié)可以融合在一起，教師可直接通過實驗結果評價學生實驗內容的完成情況。后測環(huán)節(jié)可通過課后調查問卷了解學生的學習過程情況，例如：實驗中遇到了哪些問題；其他建議等。“運算放大器的應用”實驗完成情況和課后問卷實驗遇到問題情況如圖4 所示。

圖4 后測環(huán)節(jié)-課后反饋示例

后測環(huán)節(jié)有助于教學相長，一方面通過這些反饋了解學生學習過程情況，教師掌握當前實驗任務與學生的學習狀態(tài)間的平衡程度，可適時調整教學內容和側重點，有助于教師提升教學質量。另一方面，也幫助學生梳理、反思本次實驗的學習內容和學習效果，分析總結實驗經(jīng)驗，提升實驗綜合能力。

1.6 總結環(huán)節(jié)

在總結環(huán)節(jié)，教師將歸納的本次實驗要點傳授給學生［15］，可通過課堂結束時當面講述，也可以借助線上平臺，把本節(jié)課的內容要點用3～5 min的短視頻發(fā)送給學生，便于學生隨時隨地回顧復習。同時，總結環(huán)節(jié)也需要學生自己參與其中，結合課堂操作得到的實驗數(shù)據(jù)和圖片，將本次實驗的要點歸納總結為實驗報告／筆記，夯實基礎知識，對課程的期末考試復習十分有益。在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，短視頻說課的方式很受學生們歡迎，90.9%的同學認為其對自己的學習有幫助：涵蓋要點，便捷地利用碎片化時間學習／復習。

以上實驗教學步驟設計思路總結如圖5 所示，可見，中心橙色區(qū)域是BOPPPS 教學模型與在線教學平臺相結合實踐下的電子技術實驗實物操作平臺，外圍藍色框圖給出了可供選擇的6 個教學步驟，最外層黃色區(qū)域描述了各個教學步驟的操作細節(jié)要點和相應期望實現(xiàn)的教學效果。在實驗教學中，可依照具體實驗內容，對BOPPPS教學模型中的各個模塊進行適當重組、靈活選擇相應環(huán)節(jié)，來提升學生在各次實驗的學習體驗和學習效果。

圖5 BOPPPS教學模型與在線教學平臺相結合的線下線上混合式電子技術實驗教學思路

綜合以上基于BOPPPS教學模型的分析和教學實踐應用，總結出針對本文開頭提出的電子技術實驗教學中存在問題的解決思路：

（1）針對理論知識與實驗之間的差距導致的實驗課堂效率不高的問題，在實驗課堂上教師應更著重講解理論知識與具體實踐之間的對應關系，結合前測了解的學生預習效果和先備知識，有針對性地講解適合本次課堂學生需要的內容。此外，借助教師總結的3 min短視頻說課和參與式學習環(huán)節(jié)的虛擬仿真平臺、CNMOOC線上課件資源，學生課前充分預習、課上積極參與，都有助于提升課堂實驗效率。

（2）對于學生機械按圖接線、課后知識留存率低的問題，教師可以發(fā)揮參與式學習的優(yōu)勢，設計一定的實驗互動內容，布置一些有參與感的任務，例如：自己設計適當?shù)脑?shù)、CNMOOC 線上思考題討論區(qū)互動、電路調試相互設置的電路故障等。這些自主鉆研和思考、討論可以深化對相關知識的掌握。此外，在后測環(huán)節(jié)和總結環(huán)節(jié)，學生和教師各自梳理歸納本次實驗的內容和要點，教師說課短視頻和學生自己整理的報告／筆記對夯實基礎知識、提高知識存留十分有益。

（3）針對學生得到實驗結果反饋的周期長、局限于實驗本身而缺乏拓展這一問題，在參與式學習環(huán)節(jié)，借助在線測量教學輔助平臺，在線提交、實時查看、具體指導，大大縮短了學生“做實驗—得知自己實驗完成情況—修正／優(yōu)化”這一過程的周期。從完成的基礎實驗出發(fā)，教師在參與式學習環(huán)節(jié)帶領學生進行學習遷移，在實用電路系統(tǒng)中找到所學基礎電路的應用，結合一些拓展，布置有內容拔高、現(xiàn)實生活中有用的課程綜合作業(yè)，學生組隊合作完成。

（4）針對學生做實驗畏難、依賴教師幫助，缺乏主觀能動性的現(xiàn)象，教師應幫助學生建立主動學習的態(tài)度：①在導入環(huán)節(jié)傳遞勇于探索、嚴謹耐心、解決未知困難的工匠精神；②設置明確的教學目標，具體的、分層次的實驗任務可以幫助學生循序漸進地掌握實驗操作，逐步建立信心和成就感，通過努力從簡到難完成實驗任務；③在參與式學習中，教師答疑、輔導時注重傳授解決問題的思路、方法、過程，授人以漁，鼓勵學生親自探索；④參與式學習中，學生之間的互動、合作完成拓展綜合實驗項目等可以充分調動學生的主觀能動性。

2 教學思路的實踐效果與分析

基于BOPPPS教學模型與在線教學平臺相結合的線下、線上混合式電子技術實驗教學思路，在2021-2022 第一學期的電子技術實驗開課中設置2 個試點班（23 人+25 人），取得了較好的教學效果。

（1）課堂參與積極性提高。課堂參與積極性的衡量主要從兩個方面：①出勤率；②課堂講解時的聽課注意力集中程度（具體指注目于教師、課上積極發(fā)現(xiàn)問題解決問題）。與該課程另一25 人按照傳統(tǒng)教學方式開展教學的班級相比，試點班的出勤率和聽課注意力情況如圖6、7 所示。其中實驗課的聽課注意力集中程度只是用于衡量學生對講解內容的感興趣程度，聽課注意力集中程度低并非一定表示學生實驗不認真，也可能是其專心自己實驗，教師講解內容其不感興趣／其認為聽了對實驗幫助不大。

圖6 上課出勤率對比

可見，采用所提教學思路的班級在出勤率和聽課注意力集中程度總體上高于采用傳統(tǒng)教學方式的對照班。

圖7 上課注意力集中程度對比

（2）實驗效率提升。實驗效率的評價主要從課堂完成實驗的耗時和完成質量，從整個學期所做的11 個基礎實驗中隨機挑選1 個實驗完成情況記錄，展示3個班級實驗效率情況如圖8 所示，其中橫軸指標從0.5～1 增大表示實驗完成質量從次到優(yōu)，縱軸指標從0～1 增大表示完成實驗的耗時從短到長，即右下角區(qū)域樣本表示完成質量高且耗時短，左上角區(qū)域樣本表示完成質量欠佳且實驗耗時長。

圖8 上課實驗效率對比

可見，左上角區(qū)域（完成質量欠佳且實驗耗時長）樣本中對照組樣本（采用傳統(tǒng)教學法，橙色菱形）占比較高；相對而言，采用所提教學思路的試點班同學總體上完成實驗效率更高。

（3）學生主觀感受評價提升。在課后調查問卷和學習主觀過程評價中，91.7%的學生對授課教師及其授課方式贊許，認為老師的課堂講授高效、反饋和輔導及時，線上教學平臺便捷，有助于預習、復習，81.5%的學生認為該授課方式調動了自己的學習主觀能動性，能主動預習，課堂上可自主鉆研解決問題，85.4%的學生認同通過本課程的學習，個人綜合能力提升。

3 結語

在電子技術實驗教學中，通過適當?shù)膶氕h(huán)節(jié)引發(fā)學生實驗興趣，結合前測了解學生實驗預習情況和先備知識掌握情況，設置明確、遞進的教學目標，學生參與實驗電路參數(shù)設計和學生之間互動出題以及分組綜合實驗中，借助線上虛擬仿真平臺和在線測量教學輔助平臺，學生在實驗預習、復習和測量過程更加便捷高效，及時收到教師的評閱反饋和具體指導，通過后測和總結環(huán)節(jié)，學生在梳理、反思本次實驗的學習內容和學習效果的同時，教師也掌握學生的學習過程情況，可適時調整教學方式和側重點。為解決電子技術實驗傳統(tǒng)教學模式中存在的課后知識留存率低、基礎實驗缺乏實用拓展、學生的主觀能動性缺乏調動等問題提供新的思路。在該教學思路設計下，學生課堂參與積極性和實驗效率提高，學生對課程的主觀感受評價提升，可為電類實驗課程教學設計提供一定的實踐參考。