基于BOPPPS模式的大學物理實驗混合式教學設計與實踐

摘 要 大學物理實驗是一門高校理工科培養應用性、創新性人才的基礎課程。在金課建設背景下，為切實提高實踐類課程的高階性、創新性和挑戰度，課程采用線上線下混合式教學方法，構建基于BOPPPS教學模式的閉環實踐教學流程，突出以學生為中心，強調學生全方位參與并反饋交流的教學理念。實踐表明：基于BOPPPS模式的混合式教學，能夠有效利用信息化教學平臺和網絡教學資源，突破實驗課程的課時限制、場地限制以及人數限制。圍繞物理實驗項目進行線上線下“引導———目標———前測———參與式學習———后測———總結拓展”的閉環式訓練，促進了學生分析解決問題能力、實踐動手能力以及應用創新能力的多方面提升。

關鍵詞 大學物理實驗;線上線下混合式教學;BOPPPS教學模式;有效參與

實驗、實踐類課程教學是高等學校培養綜合創新型人才的根基。《大學物理實驗》是理工科大學生的第一門必修實驗課，是理工實踐教學的基礎，也是學生從傳統的理論分析思維模式轉向應用創新型思維模式的重要節點[1]，對培養理工專業人才具有重要的實踐意義。課程通過系統的實驗技能訓練，培養學生嚴謹的科學思維能力，理論聯系實際、分析解決問題的能力以及動手能力和實踐創新能力。根據教高〔2019〕8號“教育部關于一流本科課程建設的實施意見”的總體原則，一流本科課程建設須“提升高階性、突出創新性、增加挑戰度”，對標“兩性一度”的課程建設目標，《大學物理實驗》課程以“提升學生的實驗參與度”為出發點，開展教學理念、模式、方法和評價的研究探索，拓展課程內容的深度和廣度，體現物理課程的前沿性與時代性，同時突出課程的研究性、創新性和綜合性，激勵學生參與各類科創競賽，提高學生學習的積極性和主動性。

1 大學物理實驗教學現狀

1.1 實驗教學內容單一

大學物理實驗課程覆蓋面廣、學生基數大、教學內容多，但線下場地課室空間有限，設備數量有限，因此，多數學校物理實驗的學習局限于固定的實驗室和規定的學時，師生沒有足夠的時間和空間對實驗項目進行深度的學習、研究和拓展。實驗教學內容多數為驗證型實驗，綜合、創新型實驗較少，缺乏對學生創新思維能力的鍛煉。課程甚至有部分實驗是一體化實驗箱，學生只需要掌握外部接線即可完成實驗任務，不需要理論基礎，導致學生的理論知識與實踐能力脫節，知識遷移能力不夠，不能將其系統化應用。并且，驗證型實驗對學生來說簡單易操作，缺乏一定的高階性和挑戰性，不易引起學生的關注與重視，難以調動學生學習的熱情。

1.2 實驗教學方法單一

大學物理實驗課程的教學方法仍以傳統教師授課為主，教師的主動性遠大于學生，教師每節課都會詳細地講解實驗內容和步驟，學生只是被動地按照老師的操作演示完成實驗任務。在參與實驗前不預習不思考，具體實驗操作時對儀器生疏，原理不明，遇到問題全部依賴老師解決，不能獨立思考、動手解決問題，缺乏綜合運用多方面知識技能解決問題的能力。實驗結束后不總結反饋，很多同學的實驗報告數據處理不完善，對于實驗的誤差分析不到位，實驗問題的討論停留在表面[2，3]。學生總體實驗參與度不高，不能體現“以學生為中心”的現代教育理念。

1.3 實驗教學評價單一

實驗課一般直接根據學生的考勤和實驗報告撰寫水平進行評級，屬于終結性評價，過程性評價內容很少，很難考查學生參與實驗的認真程度和具體能力，由于平時表現基本不納入總評[4，5]，學生心態上輕視實驗課，認為很容易取得學分，單一的評價方式更難以調動學生日常實驗學習的積極性。

2 基于BOPPPS模式的線上線下混合式實驗教學設計

隨著互聯網信息技術的快速發展，各高校不斷深入開展混合式教學模式改革，線上網絡教學與線下面授相結合的方式不僅廣泛用于理論課程教學，也逐步應用于對場地、設備要求較高的實踐課程教學。大學物理實驗課程采用“線上預習———線上線下參與———線上線下總結拓展”的教學方式，貫穿“課前課中課后”整個實驗教學過程，調整老師、學生的角色定位，拓寬學生實踐學習的時間和空間，從而打破實驗課場地、課時和人數的限制，加大學生課外時間進行實驗探索的主動性和靈活性。

BOPPPS教學模式是一種以教學目標為導向、以學生為中心的教學模式，該模式將每一個教學單元內容分成導言（Bridge-in）、目標（Outcome）、前測（Pre-test）、參與式學習（Participation）、后測（Post-test）和總結與拓展（Summary）6個階段，為線上線下混合式《大學物理實驗》教學提供了一種簡潔、清晰、高效的設計思路[6]。其中，導言、目標和前測在線上學習通進行，通過實驗引導問題、實驗講義、課件、微課短視頻等學習資料，引導、監督學生完成線上實驗預習報告和課前測，加強學生對大學物理實驗的預習力度和成效監測，有效激發學生的內外部學習動機，為學生高效參與線下實驗學習做好準備。參與式學習和后測在線下實驗室進行，教師采用案例分析、問題啟發等方式引導學生真正動手參與實驗項目，并認真思考實驗的原理和操作流程，培養學生的核心實驗能力。同時，各小組建立實驗過程監控表，隨時記錄、解決實驗中出現的問題。總結與拓展在線上平臺完成，學生分析處理實驗數據并提交實驗報告，各小組與教師在線上平臺討論實驗相關的主題設計，拓展學習實驗相關的應用案例，培養學生的科學素養[7，8]。

相比理論課程，實驗類課程更需要強調學生的參與度，學生全程動手、動腦進行實驗項目的分析與操作，并與小組成員合作，思考解決在操作過程中遇到的實際問題，最后對實驗測得的數據進行處理、分析與討論，因此，實驗課程教學的核心在于學生的有效認知與深度參與，實驗教學的設計需要從課內課外全過程入手，循序漸進，設置多層次認知思考水平的活動，滿足不同難度水平的實驗學習目標，并保證學生有效地參與實驗和投入認知性學習，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。針對實驗課程的特點，我們將BOPPPS教學模式與混合式教學相結合，設計了以學生為中心，強調學生全方位參與實驗并及時反饋交流問題的閉環教學流程，使之與金課的“學習者有效參與、全員高層次參與”主體性原則高度匹配。BOPPPS模式教學設計流程如圖1所示。

3 基于BOPPPS模式的實驗案例設計實施

以大學物理實驗項目“燃料電池綜合性實驗”為例，構建線上線下優勢互補的BOPPPS（六階段）實驗教學模式，創設多層次多維度的學習情境，使學生課內課外全程有效參與實驗學習，激發學生參與的主動性和積極性，提升學生對實驗課程的“認知度”和“參與度”。

3.1 課前實驗預習（線上）

1） 導言（Bridge-in）： 新課導入

教師發布實驗學習目標，學生通過“超星學習通”線上教學平臺預習實驗項目“燃料電池綜合實驗”：學生根據實驗目標和預習問題，學習課程團隊錄制的燃料電池教學微課短視頻，同時下載實驗項目的教學大綱、講義、PPT 等資料，如圖2所示，預習實驗項目的基本原理、實驗重點和難點，解決預習問題。同時，通過學習通的文獻資料，了解燃料電池的發展背景、發展現狀和前景。

2） 目標（Outcome）： 確定、解決問題

師生在學習通平臺進行課前重、難點問題的討論與解決：燃料電池的基本工作原理是怎樣的？它的能量如何相互轉換？ 實驗中電解池的特性如何測量？ 電解池的電路系統如何搭建？ 法拉第電解定律如何驗證？ 實驗中燃料電池的電路系統如何搭建？ 燃料電池的輸出特性如何測量？ 實驗中有哪些操作注意事項？

3） 前測（Pre-test）： 預習效果評價

學生在學習通平臺提交實驗原理預習報告、實驗步驟思維導圖以及電解池和燃料電池的電路圖，如圖3所示。教師抽查學生預習情況并進行分析，大部分同學掌握了電解池以及燃料電池的基本工作原理，也理解了實驗中能量的轉換關系，但在分析兩種電池的電路系統搭建時，容易混淆不清。

3.2 課中實驗（線上/線下）

1） 課堂實驗（Participation，參與式學習）

教師對預習報告問題進行講評，引入燃料電池相關的科技前沿應用案例進行分析，啟發導入實驗的相關物理概念、原理，抽查學生對實驗儀器和操作步驟的預習掌握情況并進行總結，重點強調實驗操作規范、安全守則以及具體實操過程中的注意事項。學生分組進行實驗，合作討論解決實踐中遇到的各種問題，教師和助教常規巡視，關注每組學生參與實驗操作的情況，在必要時給予指導和幫助。各小組建立紙質的實驗監控記錄臺賬，即實驗過程監測表，如表1所示，記錄實驗中出現的異常現象、發現的典型錯誤操作、實驗過程中提出的疑問以及問題有沒有得到解決等，同時記錄各組實驗測得的階段性結果以及最終結果。學生合作完成實驗項目過程中，教師通過提問、巡查、指導等教學手段來提升每位同學的實驗參與度，實現學生深度參與實驗的目標，培養學生的實踐動手能力。

2） 實驗數據的檢查和點評（后測，Post-test）

各小組自查實驗儀器有無損壞，實操中有無嚴重失誤，操作習慣和操作態度是否需要改進，教師和助教檢查各組的測量數據是否完整和可靠有效，并做出總結點評，強調規范化操作和實驗細節的重要性，針對在常規巡視中糾正、解決的問題進行歸納、梳理，從而減少錯誤再次出現的機會。實驗數據的檢查有助于學生及時發現問題并解決問題，提高實驗參與及完成效率。

3.3 課后實驗總結與拓展（線上/線下）

1） 實驗總結反饋（Summary1）

線下各小組學生對實驗測量數據進行處理，電解池的特性曲線和燃料電池的輸出特性曲線采用Matlab或Excel等軟件進行作圖，學生學習曲線擬合的方法，并根據結果對實驗過程以及實驗數據進行誤差分析，實驗總結階段學生遇到問題，可以在學習通、微信等線上平臺與老師、同學進行討論交流，學生在學習通提交實驗報告。圖4、圖5為學生提交的燃料電池極化特性曲線和輸出功率曲線圖。根據數據處理分析圖，學生發現燃料電池的三個極化區域基本與理論一致，但最大輸出電壓相比理論值較低，基本在0.9V，輸出功率最大值對應在電流為95mA 附近，燃料電池在最大輸出功率時對應的效率偏低。針對實驗報告結論，引導學生思考燃料電池效率低的原因，研討實驗裝置的改進方案以及更節能高效的創新方案。

2） 實驗拓展與創新（Summary2）

學生圍繞燃料電池的原理、實驗方案、實驗中遇到的問題以及實驗結果，以中國知網、萬方、維普等數據庫文獻為支撐，調研燃料電池在近現代前沿科技中的應用案例，并提出燃料電池實驗裝置改進方案，各小組撰寫方案策劃書、制作海報或PPT，在學習通平臺進行討論、分享。通過線上的拓展匯報，學生對燃料電池技術的原理、發展現狀、能量轉化率以及實際應用中存在的問題有了更深刻的認識和理解。同時，學生圍繞燃料電池主題的設計分析，充分鍛煉了學生自主學習能力和方案設計執行能力。結合文獻資料，學生提出優化實驗裝置減小實驗誤差、提升燃料電池實際的能量轉化率、提高電池輸出功率等方案，實現了知識、能力和科學素養的培養目標[9]。此外，學有余力的同學組建科創團隊，申請大學生創新創業項目，繼續燃料電池課題的研究和實踐，并參加大學物理實驗競賽、挑戰杯等活動，進一步培養學生的實踐創新能力和科研探索能力。

4 實驗學習評價

基于BOPPPS模式的線上線下混合式教學給實驗課程的評價提供了時間和空間保障，因此，大學物理實驗課程開展全過程評價，并以過程性評價為主[10，11]，強調學生全過程參與實驗的重要性。課前、課中、課后的學習實踐內容都納入實驗評價體系：課前評價包括學習通上的預習報告質量（見圖6）、問題討論參與度、查閱文獻資料情況;課中評價包括線下實驗的實際操作能力、遇到問題的解決能力、有沒有按實驗室操作規范進行實驗、實驗數據記錄的是否規范準確;課后評價包括學習通上實驗報告的完成度、軟件處理數據的能力、數據和誤差分析的準確性與詳盡度、實驗拓展設計方案的合理性與創新性、方案撰寫的能力等。同時，將規范化的評定標準、評定內容與BOPPPS模式的六階段相匹配，使評價滲透于整個實驗教學，激勵學生產生持續學習的動力，提高實驗課程的全程參與度，提升學生學習的自覺性和主動性，從而促進學生全過程的有效學習，培養學生的自主學習能力，提高學生的實踐創新能力。

5 結語

課程采用BOPPPS教學模式，對物理實驗教學進行線上線下混合式教學改革，有效利用信息化教學平臺和網絡教學資源，突破了實驗課程的課時限制、場地限制以及人數限制， 實驗教學的時間、空間、場地得到進一步釋放，師生實現全過程的“教”與“學”。以“燃料電池綜合性實驗”為例，通過線上線下“引導———目標———前測———參與式學習———后測———總結拓展”的閉環式訓練，促使學生課內課外全過程參與物理實驗的學習，實現了實驗課學生的高度有效參與，教師的課程角色從“主導者”過渡為“指引者”，學生從“聆聽者”過渡為“深度參與者”，學生參與線上學習、討論、實驗操作等學習活動的頻次明顯增加。學生在查閱文獻、線上討論、解決實操中問題以及撰寫改進方案等活動中，理論和實踐相結合，提高了實踐動手能力、分析解決問題的能力以及應用創新能力，提升了自主學習的能力。

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