BOPPPS教學法在“電路”課程教學中的應用
——以基爾霍夫定律為例

費雯麗 王曉蓓 徐 星 張天然

海軍工程大學電氣工程學院 湖北武漢 430034

一、概述

“電路”課程是電氣類、電子信息類、自動化類等專業必修的主干課程,也是上述專業學員所學習的第一門專業基礎課。該課程不僅為學員后續專業課程學習起到理論支撐作用,也對學員專業課學習能力的培養起鋪墊作用,對該課程的掌握情況直接關系到學員后續課程的學習效果[1]。因此,對“電路”課程教學方法的探索與改進一直是電氣類專業教學改革研究的重點[2-3]。

BOPPPS教學方法是一種以學員為中心、以學習目標導向、學員全程參與式的教學模式,該教學模式由引入、學習目標、前測、參與式學習、后測、總結六個環節構成[4-5]。該教學方法可充分調動學員學習積極性,可加深對授課內容的理解和應用,目前已有很多教育工作者將BOPPPS教學方法應用到相應的教學設計中以提高學習效果[6-8]。

基爾霍夫定律是電路課程中最重要的兩大定律之一,因此該論文以此為例,詳述了BOPPPS法應用到電路教學過程時的教學設計方法和教學實施過程。

二、基于BOPPPS教學法的教學過程設計

基于BOPPPS教學法的教學過程主要分為6個環節,基爾霍夫定律教學時長為2學時(90min),其具體教學過程設計如表1所示。

表1 基于BOPPPS教學法的教學過程設計

在參與式學習“P2”環節中,對基爾霍夫電流定律(KCL)、基爾霍夫電壓定律(KVL)及其推廣的例題和應用習題的講解過程其本質也是后測“P3”的一部分,可以初步檢驗學員是否達到了學習目標。前測“P1”環節除了檢測學員對電路約束條件的掌握情況,還進一步引出了本次課的學習內容,也可視為導入“B”的一部分。而單獨列舉的后測“P3”環節則是呼應了前測“P1”環節給出的例題,其綜合應用性更強,也可讓學員更深入地理解電路中的約束條件,進一步檢測學習目標的完成情況。

從這個教學設計過程中也可以看出BOPPPS教學法的各個環節不是孤立的,其順序也不是一成不變的,所以在應用BOPPPS教學法進行教學設計時,應始終以學員為中心,圍繞“學習目標”將各個教學環節相互呼應、融會貫通起來,以達到更好的教學效果。

三、各環節教學實施

在學習本次課基爾霍夫定律之前,學員已經學習并掌握了歐姆定律,結合這一學情分析,基于BOPPPS教學法的教學實施過程如下。

(一)導言“B”

一堂課能否吸引學員的興趣,很大程度上取決于導言的設計,因此BOPPPS教學法的第一個環節就是引入。該堂課通過道路有交通規則,道路上的車輛、行人要遵循一定的約束,引出電路中也有交通規則,電路中的電壓、電流要遵循一定的約束條件,引出本節課授課內容——基爾霍夫定律。

道路圖和電路圖在外觀形式上有一定的相似性,通過交通規則這一類比理解,從學員熟悉的常識出發,更容易激發學員學習興趣,也更容易理解本節課要講授的內容在電路中的作用。

此外,在導言環節,對基爾霍夫的主要成就進行簡要介紹,通過基爾霍夫在年僅21歲時就提出了兩個重要的電路定律——基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律,指出人類史上的很多重要創造、發明都是科學家在青年時期提出的,引導學員積極培育創新意識,在學習、生活、工作過程中主動思考現象、發現問題、解決問題,在導言環節合理地引入思政元素。

(二)學習目標“O”

學習目標是教學過程設計始終要圍繞的中心,所有的教學環節都要為達到學習目標而服務。BOPPPS教學法要求提出的學習目標是可衡量的、可檢測的,通過教學目標能讓學員明確通過該堂課的學習能達到什么樣的學習效果。

基于此,該論文提出了3個學習目標:(1)通過基爾霍夫電流定律的學習,學員能夠對電路中任一節點列寫KCL方程。(2)通過基爾霍夫電壓定律的學習,學員能夠對電路中任一回路列寫KVL方程。(3)可綜合應用歐姆定律、基爾霍夫定律列寫電路的約束條件求解電路電壓、電流參量。

這3個學習目標都是可以通過例題、習題進行檢測的,學員也可明確通過本節課學習會列些電路的這些約束方程即可。

(三)前測“P1”

與傳統教學模式不同,BOPPPS教學法明確提出了前測“P1”環節,通過前測可讓教員更加充分地掌握學情,根據學員掌握情況可及時調整授課的詳略點。此外,通過前測,也可以讓學員自身了解到自己和該堂課“學習目標”的差距,進一步明確該堂課的聽課重點。

因此,該論文在前測環節向學員提出了一個問題:有了歐姆定律,我們能干什么了?我們還不能干什么?直接回答這個問題較為抽象,在教學實施過程就可結合一個具體的例題來引導學員回答。例如,如圖1所示,要求解電路中各支路電壓(u2,u4,u5)和各支路電流(i1,i2,i3,i4,i5,i6)。

圖1 前測“P1”環節引入例題

通過數學知識可知,要求解9個未知量,需要9個獨立的方程,而學員自行列方程求解時會發現目前還只會用歐姆定律列寫3個電阻元件的電壓、電流約束方程,剩余的6個方程從哪里來?其實這待列寫的6個方程就是電路本身的電流約束條件和電壓約束條件,通過這一前測環節,既是對前面所學相關知識點的回顧,也是對該堂課授課內容的進一步引入,對學習目標的進一步明確。

(四)參與式學習“P2”

BOPPPS教學法要求以學員為中心,學員參與課堂的全過程,區別于傳統教學過程中以教員講授、灌輸知識點為主的授課方法。在授課過程中多啟發、引導學員的參與、思考,讓學員自己總結得出一些重要結論,就會獲得更好的學習效果。

1.學習內容1:基爾霍夫電流定律

以該堂課授課內容的基爾霍夫電流定律為例,教員可先講授解析基爾霍夫電流定律的內容,引導學員將電路中的“支路”“節點”“電流”類比為生活中看得見、摸得著的“水管”“接頭”“水流”,通過“流入一個接頭的水流之和等于流出一個接頭的水流之和”就可以更生動地理解“流入一個節點的電流之和等于流出一個節點的電流之和”,從而也可以進一步了解基爾霍夫電流定律的本質就是電荷守恒。

接下來,通過巧妙的例題設計,既可以初步檢驗學員是否可以對電路中的任意節點列寫KCL方程(學習目標①),也可以通過列寫方程的結果引導學員自行得出基爾霍夫電流定律的推廣的內容,讓學員充分參與到課程的學習中來。

2.學習內容2:基爾霍夫電壓定律

與基爾霍夫電流定律的課程實施過程類似,教員可先講授解析基爾霍夫電壓定律的內容,引導學員將電路中的“電荷”“電壓”“電勢能”分別類比為學員更加熟知的“人”“高度差”“重力勢能”等,通過“一個人沿任意路徑回到原點,重力勢能做功為零”,就可以更生動地理解“一個電荷沿任意回路回到原點,電勢能做功為零”,從而也可以進一步了解基爾霍夫電壓定律的本質就是能量守恒。

同樣地,通過巧妙的例題設計,既可以初步檢驗學員是否可以對電路中的任意回路列寫KVL方程(學習目標②),也可以通過列寫方程的結果引導學員自行得出基爾霍夫電壓定律的推廣的內容,讓學員有學習的獲得感。

在這兩部分內容的學習過程中,類比理解都可以配合PPT動畫演示給學員更生動形象地展示這一過程。

(五)后測“P3”

后測環節“P3”也是BOPPPS教學法的一個重要特點,通過可衡量的檢測方法,檢測學員是否達到了該課堂的教學目標。

該課堂設計在后測環節繼續沿用了前測環節“P1”的例題,如圖1所示。在前測環節中,學員還只會應用歐姆定律列寫3個方程,還有6個方程不會列寫。通過該堂課的學習,學員就可以應用基爾霍夫電流定律對其中3個節點列3個KCL方程,應用基爾霍夫電壓定律對其中3個獨立回路列3個KVL方程,通過這9個獨立方程就可以解出9個待求量。

通過這個例題既可以綜合檢驗學習目標①②③是否達成,也可以讓學員通過前測時還不會解題到后測時會解題這一過程獲得該堂課的學習成就感,增強學員學習該門課程的信心和興趣。

(六)總結“S”

總結環節“S”是對整堂課程的回顧與拔高。在該環節中,可讓學員先總結回顧本節課教學內容,在學員回答的基礎上,教員進行進一步的總結拔高,把該堂課所學知識點在電路課程中的重要性、與其他知識點的關聯再系統闡述一遍。即歐姆定律和基爾霍夫定律對應了電路中的兩大類約束條件,前者體現的是電阻元件本身的約束,后者則體現的是電路的拓撲結構約束,有了這兩大類約束條件,原則上就可以求解所有的電阻電路。

通過這一總結環節,可以達到以下目的:①對該堂課課程內容的回顧;②闡述了該堂課在整個電路課程體系中的重要地位;③對前測環節“P1”中所設問題“有了歐姆定律,我們能干什么了?我們還不能干什么?”的進一步回答,使該課堂中所有的設問在課程實施過程中做到了閉環;④引發學員對后續電路課程的學習興趣,有了這兩大定律,原則上可以求解所有的電阻電路了,但實際上還有哪些困難?我們還需要學習哪些知識?

以上就是基于BOPPPS教學方法的整個課程實施過程。

四、結論

該論文以基爾霍夫定律為例,嘗試了將BOPPPS教學方法應用到“電路”課程教學中,這種承上啟下、環環相扣的6個教學環節不僅結構合理,而且較容易應用到各個知識點的課程設計中,在課程設計中有很好的指導作用和參考價值。

在基于BOPPPS教學方法進行課堂設計時也需注意以下幾點:(1)6個教學環節不是孤立的,它們始終圍繞學習目標進行設計;(2)6個教學環節的順序不是一成不變的,一個環節中可以包含其他環節,各個教學環節也可能是重復出現的。

該教學模式始終做到了以學員為中心,學員從始至終都可以參與到整個課程實施過程中來,一方面可以活躍課堂氛圍,另外通過前測、參與式學習、后測等環節的實時反饋,教員可及時調整授課的詳略點,有利于提高課程的學習效果,達到教學目標。