BOPPPS模式在“過程設備設計”教學中的探索和實踐

趙 敏

中國石油大學(北京)克拉瑪依校區工學院 新疆克拉瑪依 834000

“過程設備設計”是一門綜合性的基礎理論課,通過該課程的學習,學生能夠掌握壓力容器和過程設備設計的基本理論和方法,具備過程設備的設計、應用和檢驗檢測、管理等工作的基本能力,解決設備設計與運行中的工程問題[1],為畢業生從事過程行業中設備管理、設計、制造、檢驗等工作打下良好的基礎。但該課程涉及較多的彈塑性力學知識及力學公式的推導和應用,要求學生有一定的工程材料及力學基礎,課程學習難度大,學生容易知難而退。這些顯然都不利于“新工科”人才的培養,不利于實現培養可堪大用能擔重任的人才的目標。因此,如何在教學過程中激發學生的學習主動性,使學生在今后的工程實際應用中或科研工作中有扎實的專業基礎,成為亟待解決的關鍵問題。

本文針對“過程設備設計”傳統教學中存在的這些問題,使用BOPPPS模式圍繞學生進行了教學設計,從學生容易接受和掌握的角度設計教學過程,引導學生最大限度地參與教學過程,并將學生的學習結果和反饋作為參考,及時調整教學方法,更好地實現應用創新型人才的培養目標。

1 BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模式是加拿大廣泛推行的教師技能培訓體系ISW(Instructional Skills Workshop)的理論基礎,將課堂教學過程劃分為B(bridge-in)、O(objective)、P(pre-assessment)、P(participatory learning)、P(post-assessment)、S(summary)6大模塊[2-3]。目前國內很多學校都在積極開展BOPPPS教學模式的探索和實踐[4-7]。

BOPPPS教學過程劃分為6個不同的模塊,每個模塊的安排順序和承擔作用均不相同。其中,學習任務導入(bridge-in)模塊安排在正式的授課內容之前,通過這一模塊將之前的授課內容與此次授課內容聯系起來,以學生熟悉了解的內容為基礎,導入新的教學內容,便于吸引學生的注意力,更好地進入核心內容授課環節。教學目標(objective)模塊中教師明確說明本次課程的學習目標、主要掌握的學習內容以及需要達到的學習效果。前測(pre-assessment)指的是對學生開展的提前測試或者摸底,通過問卷、考試、提問等多種方式掌握學生基礎知識的掌握程度[8],并以此為基礎合理地調整授課方法及內容。參與式學習(participatory learning)模塊是整個教學設計的核心,在這個模塊中需要教師靈活運用各種教學資源,營造一種學生樂于參與其中的教學模式,增強學生的參與程度,更好地達到交互式學習的效果。而后測(post-assessment)模塊是在完成教學內容之后、課堂結束之前進行的檢測學生本堂課程學習狀況的環節,檢測教學目標達成的程度,并為今后的教學過程改進及完善提供參考。總結(summary)模塊是通過對本次課堂內容中重要知識點的總結和強化,進一步幫助學生明確本次教學活動需要達到的學習目標,同時以此為基礎引出下次教學活動的學習要求。

通過以上六大模塊構建出圍繞學生、及時掌握學生學習效果、持續改進的教學方法,建立環環相扣的閉環式教學體系。這種教學設計的特點是各環節之間聯系緊密,圍繞教學目標,以上課學生為中心,通過各種方式的師生交流與互動提高學生的課堂參與度,從而達到預期的教學目標。

2 過程設備設計課程的特點

“過程設備設計”課程是過程裝備與控制工程專業的重要核心專業課程[9],該課程以過程設備的工程設計為主線,闡述壓力容器應力分析理論、中低壓容器設計以及高壓容器分析設計、疲勞設計等容器設計理論等。課程涵蓋了壓力容器的常規設計、分析設計等不同設計理論以及典型的過程設備如塔設備、換熱器和儲罐等的結構、原理及設計[10]。課程的部分章節理論性強,內容略顯枯燥,尤其是在應力分析部分,如果學生彈性力學、彈塑性力學等方面的力學知識基礎不扎實,課時有限的情況下往往會導致課堂教學效果不理想。針對這些課程特點,探索除合適的過程設備設計課程的教學模式是十分必要且迫切的,對于新工科背景下的人才培養至關重要。因此,嘗試將BOPPPS模式用于“過程設備設計”教學設計過程中,解決學生積極性低和學習效果差等問題,提高課堂教學效果。

3 課程教學設計與實踐

通過分析BOPPPS教學模式,結合過程設備設計課程的教學現狀和教學目標,將課堂教學劃分為六個環節,依次為B(bridge-in)、O(objective)、P(pre-assessment)、P(participatory learning)、P(post-assessment)、S(summary)環節。下面以過程設備設計課程“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”一課為例,說明BOPPPS教學模式在過程設備設計教學設計中的應用。

3.1 引入(Bridge-in)

課程開始,首先回顧之前講到的回轉薄殼的概念,重點復習第一曲率半徑和第二曲率半徑的概念,可以采用多媒體課件的形式引入回轉薄殼的圖片,采用繪圖的方式讓學生對第一曲率半徑和第二曲率半徑進行繪制演示,強調同一點的第一與第二曲率半徑的中心都在該點的法線上。接著復習什么是無力矩理論、什么是有力矩理論,重點突出無力矩理論和有力矩理論的區別,強調“有力矩”“無力矩”具體體現在哪里,提高學生學習興趣。進而提出對于一般回轉殼體,其無力據理論的基本方程該如何建立?通過上述講授,做好已有知識與講授知識之間的銜接,為后續教學過程的順利開展做好準備。

3.2 目標(Objective)

這一模塊的主要目的是讓學生了解學習的內容、對這些學習內容的掌握程度,以及學習完這部分內容可以具備的能力。課程上明確告訴學生學習內容、學習目標,有助于教學的順利開展。“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”學習目標:(1)知識目標:掌握無力矩理論的通用公式;(2)技能目標:能夠利用無力矩理論分析實際問題。

3.3 前測(Pre-assessment)

開展教學內容前,為了解學生基礎知識的掌握情況,可以采用提問、測驗或者討論的方法進行測試,掌握學生對基礎知識的熟練程度。在“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”教學前,通過前測檢驗學生對之前所學回轉薄殼幾何要素的掌握程度以及有力矩理論和無力矩理論的區別,為后續核心學習內容的開展做好準備。根據上課形式,可以采用現場提問或者線上點名等方式進行,如果大多數同學對于有力矩理論和無力矩理論的區別不熟練,可以帶學生整體回顧一下之前學到的內容,如下圖所示,引導學生分析殼體的內力分量。無力矩理論只需要考慮4個薄膜內力,而有力矩理論還要再考慮6個彎曲內力。前測除了能夠幫助老師掌握學生的基本情況,也能幫助學生為本堂課程的學習打下基礎,還能活躍課堂氣氛,調動學生的學習積極性,避免出現基礎不牢而無法聽懂新教學內容的情況。

(a) (b) (c)

3.4 參與式學習(Participatory learning)

該教學環節是整個教學過程的核心環節,采用翻轉課堂、分組討論等形式,充分調動學生的學習參與程度,更好地完成“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”。引導學生繪制回轉薄殼,在回轉薄殼上選取微元體,對所選取的微元體寫出各方向的尺寸及面積公式。在此基礎上,建立微元體法線方向的平衡方程,推導出微元平衡方程。這一過程中,若僅由教師板書推導公式,無法吸引學生的注意力。而通過參與式教學設計,先引導學生畫出微元體,再將學生劃分為幾個組,每個小組共同完成內力分量分析及平衡關系式建立,最大限度地讓每位學生都參與到教學活動中。建立出微元平衡方程后,還無法求出應力,可以引導學生選取部分容器作為個體進行靜力平衡分析,從而建立區域平衡方式。

通過以上教學過程,可以讓學生自己動手得出無力矩理論的兩個基本方程,熟練掌握兩個基本方程的推導思路。以此為基礎,繼續以提問的形式引導學生思考,對于不同形狀承受氣體內壓的回轉薄殼軸向應力和周向應力分布如何計算呢?此時可以根據學生人數分組討論,然后分別求解球形殼體、薄壁圓筒、錐形殼體的薄膜應力。對于橢球形殼體,公式較為復雜,可以由老師以板書的形式引導學生共同推導求解。通過這種方式,學生可以掌握整個分析方法及分析過程,從而更好地理解無力矩理論的基本方程,在后續章節的應力分析中可以更好地運用微元平衡方程和區域平衡方程的求解思路,培養學生分析問題的能力。

3.5 后測(Post-assessment)

該環節主要用于檢驗學生的學習效果,為教師教學方法的調整提供參考。“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”內容教學后的后測:(1)采取什么樣的思路求解無力矩理論基本方程?(2)無力矩理論的兩個基本方程是什么?(3)對于球形殼體、薄壁圓筒、錐形殼體周向應力和軸向應力公式分別是什么?(4)對于橢球形殼體,軸向應力和周向應力有哪些特點,隨橢球殼a/b值如何變化?教師可以采取課后習題或當堂測試或提問等方式,了解學生對這部分教學內容的掌握情況,及時查漏補缺,進一步優化教學流程。

3.6 總結(Summary)

總結環節旨在引導學生回顧整理本堂課學習過的重點內容,梳理教學內容中各知識點之間的關系,并引出后續章節的教學內容。“回轉薄殼無力矩理論的基本方程”課堂中,可以首先列出回轉薄殼無力矩理論的微元平衡方程和區域平衡方程,進而推出不同形狀承受氣體回轉薄殼的薄膜應力。通過總結帶領學生回顧教學內容并強調無力矩理論的兩個基本方程及不同形狀承受氣體內壓的回轉薄殼應力分布特點,由此引出承受液體的回轉薄殼應力有什么特點,并安排課后自學,為下節課做好鋪墊。

結語

BOPPPS模式區別于傳統的理論教學模式,把“過程設備設計”的課堂教學過程劃分為引入、目標、前測、參與式學習、后測、總結6個模塊,既考慮教師教學又考慮到學生的參與程度,強調教學過程中師生的互動。教學過程中強調緊密圍繞學生,根據學生對基礎知識的掌握情況及學習過程中的互動和反饋及時調整教學過程和進度,充分提高學生的教學互動參與度。采用BOPPPS模式的教學實踐表明,這種新的教學設計始終圍繞學生的反饋開展教學過程,有效地解決了教學中存在的學生積極性低、學習效果差等問題,大幅提高了學生的課堂參與度,增強了學生分析和解決問題的能力,對于課堂教學效果的提升和教學目標的達成起到了重要的作用。