新工科背景下基于BOPPPS的多元教學(xué)模式探索與實(shí)踐

摘"要：本文以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“最大泡壓法測定溶液的表面張力”為例，研究了基于BOPPPS的多元化教學(xué)模式，通過引入實(shí)例，剖析實(shí)驗(yàn)原理，提出問題，細(xì)化每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)了教師的積極性，同時(shí)也增加了學(xué)生的參與程度，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的渴望，提升了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力，使其更好地適應(yīng)新工科背景下人才的需求。該教學(xué)模式改變以往教師為主的教學(xué)模式，從教師和學(xué)生兩個(gè)角度出發(fā)，以學(xué)生應(yīng)具備的基本素養(yǎng)為導(dǎo)向，通過設(shè)立分級(jí)目標(biāo)，將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，具有很強(qiáng)的操作性，為其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路。

關(guān)鍵詞：新工科；BOPPPS；多元；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)

為適應(yīng)新一輪科技革命，支撐服務(wù)創(chuàng)新發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)［12］。新工科建設(shè)指明了我國高等工程教育的未來發(fā)展方向，為新興專業(yè)如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等相關(guān)工科專業(yè)賦能。在新工科背景下，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目的，創(chuàng)新人才培養(yǎng)是新時(shí)期我國高等教育的時(shí)代責(zé)任和歷史使命。面對(duì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，高等學(xué)校的教育功能正在從注重傳播知識(shí)、單純強(qiáng)調(diào)教學(xué)職能，轉(zhuǎn)向強(qiáng)調(diào)教書育人和培養(yǎng)全面發(fā)展的能力強(qiáng)、素質(zhì)高、富有創(chuàng)新精神的人才［3］。因此，適應(yīng)新工科人才的培養(yǎng)需求的課程模式研究至關(guān)重要。

一、多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究的意義

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是教師講授理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按照教材上的內(nèi)容“照單抓藥”，這種單一的教學(xué)模式，固化了學(xué)生的思維，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力的拓展，而且，一定程度上也削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，與目前時(shí)代對(duì)人才的需求相背離。因此，改變?cè)械墓袒慕虒W(xué)模式，探索一種多元化的、能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和思維創(chuàng)造力的教學(xué)模式顯得尤為重要。

BOPPPS教學(xué)模式主要包括六個(gè)部分：課程導(dǎo)入（Bridgein）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Objective）、前測（Preassessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory"Learning）、后測（Postassessment）和總結(jié)（Summary），六個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)完整而有效的教學(xué)過程，每個(gè)環(huán)節(jié)都為教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)服務(wù)［35］。該教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的積極參與，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的積極熱情，使他們真正成為自己學(xué)習(xí)的主人，為培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型人才提供保障。目前，許多研究者將BOPPPS教學(xué)模式運(yùn)用到教學(xué)當(dāng)中，王宇超等［6］提出了基于雨課堂的BOPPPS改進(jìn)模型，并以“大學(xué)化學(xué)”課程為研究對(duì)象，實(shí)踐證明實(shí)驗(yàn)班成績明顯優(yōu)于對(duì)照班。張漢梅等［7］提出的“對(duì)分—BOPPPS—雨課堂”的高校思政課混合教學(xué)模式，將其運(yùn)用到思政課程建設(shè)上，實(shí)踐證明，該混合教學(xué)模式提升了思政課教學(xué)效果。BOPPPS模式貫穿到每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，有始有終，既兼顧教師的課程設(shè)計(jì)，又能考慮到學(xué)生的受益，而且具有很強(qiáng)的操作性，因此也適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是化學(xué)工程與工藝專業(yè)和材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門綜合性的實(shí)驗(yàn)課程，課程難度較大，涉及多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、表面化學(xué)、電化學(xué)等相關(guān)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)原理與其他實(shí)驗(yàn)相比，難于操作，知識(shí)體系的構(gòu)建更困難，教師既要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法和動(dòng)手操作能力，又要兼顧學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及學(xué)生創(chuàng)新思維能力的構(gòu)建［8］。因此，在新工科背景下，如何激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，更好地提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，為智能時(shí)代迎接更尖銳的挑戰(zhàn)，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和核心競爭力，培養(yǎng)符合新時(shí)代要求的高素質(zhì)工科人才尤為重要［8］。本文旨在探索在新工科背景下，以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，通過BOPPPS教學(xué)模式，搭配智慧樹課堂、線上學(xué)習(xí)等構(gòu)建一個(gè)切實(shí)有效可行的，用于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新思維能力，以及綜合素養(yǎng)的多元教學(xué)體系，從而能為工科教育的改革與發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本文以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“最大泡壓法測定溶液的表面張力”為例，通過深刻挖掘?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目的知識(shí)點(diǎn)，梳理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入適當(dāng)?shù)囊曨l和多元化的教學(xué)方法，探索全新的基于BOPPPS的多元化教學(xué)模式。

二、教學(xué)模式探索與實(shí)踐

智能時(shí)代加快了人們生活的節(jié)奏，每個(gè)人需要涉獵的內(nèi)容繁多，對(duì)于學(xué)生，充分利用好每一分鐘顯得尤為重要，如何能讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)攝取更多的有效知識(shí)？單獨(dú)依靠教師課上講解不足以支撐教學(xué)目標(biāo)。因此，課前，教師可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，通過智慧樹課堂發(fā)布學(xué)生應(yīng)掌握的內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)儀器的操作、相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、問題討論等，教師可以在線上進(jìn)行答疑，學(xué)生通過線上視頻的觀看，更加具體地掌握實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，節(jié)省課上所需時(shí)間，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。自主學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成可以屬于習(xí)慣范疇，好的習(xí)慣可以受益終身。

根據(jù)BOPPPS教學(xué)模式，第一步需要導(dǎo)入課程，導(dǎo)入的目的是引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重要性，學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的，將本次課的內(nèi)容和學(xué)生的已有知識(shí)或者未來可能碰到的問題銜接起來，因此這部分內(nèi)容至關(guān)重要。“最大泡壓法測定溶液的表面張力”這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分屬于表面化學(xué)的內(nèi)容，在Bridgein環(huán)節(jié)，可以請(qǐng)學(xué)生想一想，溶液內(nèi)部和溶液表面各有什么不同，或者固體和溶液的表面是否需要關(guān)注，在多數(shù)情況下，我們注重的是溶液或固體的成分，而非其表面，那么研究溶液或物體的表面有沒有意義呢？提出一個(gè)鋼鐵生銹的例子，如果我們不研究其表面，那么就沒有目前發(fā)達(dá)的航海和航天技術(shù)，更談不上人工智能。另外，可以引入諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主格哈德·埃特爾，曾擔(dān)任我國大連化物所《催化學(xué)報(bào)》顧問和催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國際顧問，因在“固體表面化學(xué)過程”研究中做出的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他建立了表面化學(xué)的研究方法，向人們展示不同實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生表面反應(yīng)的全貌，從而為燃料電池、汽車內(nèi)催化劑等方面的研究起到積極的推動(dòng)作用。通過這部分課程引入，激發(fā)學(xué)生對(duì)表面化學(xué)的濃厚興趣。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是把實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕\統(tǒng)地按照學(xué)習(xí)目標(biāo)對(duì)待，這樣弱化了教學(xué)的目的，無法達(dá)到新工科對(duì)于課程的要求，對(duì)開發(fā)學(xué)生的潛能起不到作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)不能簡單等同于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，因此，如何?gòu)建學(xué)習(xí)目標(biāo)，在完成教學(xué)相關(guān)知識(shí)的前提下，應(yīng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新精神和科研實(shí)踐能力。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要掌握正丁醇溶液的表面張力測定方法和實(shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容，此外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生觀察和思考問題的能力，設(shè)置的問題：在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)遇到偶然事件，為什么有時(shí)會(huì)連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)氣泡連續(xù)冒泡的情況，怎么解決這個(gè)問題？在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)建立學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，并培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。明晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)的建立，有益于引導(dǎo)學(xué)生更加明確課堂需要學(xué)到的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，以及需要具備的科學(xué)素養(yǎng)等［9］。

前測（Preassessment）是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展的基礎(chǔ)，教師可以通過前測了解學(xué)生的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備情況，便于后續(xù)教學(xué)工作的展開，學(xué)生通過前測獲得知識(shí)的同時(shí)，也可以增強(qiáng)自信心。在“最大泡壓法測定溶液的表面張力”這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，可以采用智慧樹課堂輔助工具完成問答，如Gibbs吸附公式、Langmuir單分子層吸附等溫式，以及YoungLaplace公式等，可以通過選擇題的方式呈現(xiàn)，這樣既可以節(jié)省學(xué)生的時(shí)間，又達(dá)到了對(duì)知識(shí)的回顧和積累。

在整個(gè)教學(xué)過程中，教師起到的作用是引領(lǐng)和啟示，不能占據(jù)主導(dǎo)位置，重要的是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與度。參與式學(xué)習(xí)（Participatory"Learning）是教學(xué)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生闡述期望計(jì)劃參與式學(xué)習(xí)的類型，使學(xué)習(xí)具有最大化，為了達(dá)成目標(biāo)而積極參與學(xué)習(xí)。它包括兩種方式：師生互動(dòng)和生生互動(dòng)，讓學(xué)生真正參與到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。教師可以通過多樣化形式來實(shí)施，如提問法、小組討論、模擬游戲、角色扮演、實(shí)驗(yàn)探究法、情景模擬法等［4，8］。本實(shí)驗(yàn)中將待測溶液裝于表面張力管中，并調(diào)整毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升，通過調(diào)整泵速，毛細(xì)管內(nèi)液體受到一個(gè)壓力差—附加壓力（Δp），會(huì)有氣泡從毛細(xì)管的底端流出，氣泡的流出速率是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，涉及的內(nèi)容是平衡問題。在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置泵速與氣泡流出的實(shí)驗(yàn)觀察與記錄，研究附加壓力變化對(duì)氣泡形成的影響，并采用小組討論的形式來研究，并做出結(jié)論，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又提升了科研素養(yǎng)，學(xué)生之間起到促進(jìn)作用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的另一個(gè)參與式學(xué)習(xí)的內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)所需溶液的選取，教師提供多種實(shí)驗(yàn)試劑供學(xué)生選擇，如氫氧化鈉溶液、正丁醇溶液、乙醇溶液等，通過溶液的選取，學(xué)生將吸附的概念引入實(shí)驗(yàn)中，采用的方式是小組討論。通過組內(nèi)討論，形成問題的思維取向，培養(yǎng)良好的科研精神。

學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，如何能夠檢驗(yàn)掌握程度，這里不單單指理論或?qū)嵺`，更重要的是知識(shí)的綜合運(yùn)用能力以及潛在的思維創(chuàng)造力。后測（Postassessment）主要考查學(xué)生學(xué)到了什么？教學(xué)目標(biāo)達(dá)到了嗎？在學(xué)生理解方面有什么大的困難？后測除了具有以上作用，也可以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用和深層次駕馭能力。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置后測內(nèi)容（1）：本實(shí)驗(yàn)中采用的是南京大學(xué)生產(chǎn)的儀器，操作方便，為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度，給出幾個(gè)簡單的玻璃儀器，如U型壓力管、減壓瓶、毛細(xì)管等，學(xué)生討論如何通過這些簡單玻璃儀器來搭建有效的實(shí)驗(yàn)裝置，并討論采用什么方式呈現(xiàn)壓力的變化值，如何正確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。后測內(nèi)容（2）：采用問題討論的方式來解釋：①牙膏清潔口腔涉及表面張力嗎？其原理是什么？②一些動(dòng)物不能在水面上行走，為什么水黽卻行走自如？此現(xiàn)象涉及表面張力嗎？［10］③線上觀看我國神舟十三號(hào)“天宮課堂”中“液體表面張力”實(shí)驗(yàn)，思考為什么地球上的水滴形狀和太空中的水滴形狀不同？后測內(nèi)容（3）：眼鏡在天氣冷的時(shí)候容易形成一層薄霧，如何解決該問題，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出方案。

總結(jié)（Summary）可以對(duì)過程進(jìn)行梳理，可以使學(xué)生建立本次實(shí)驗(yàn)與學(xué)科體系之間的鏈接，完善學(xué)生大腦中的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，便于更好地理解和記憶，并對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行反思。本實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置的Summary內(nèi)容：小組總結(jié)，包括表面化學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建、表面化學(xué)能解決的實(shí)際問題；團(tuán)隊(duì)合作；實(shí)驗(yàn)反思等。

一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成以后如何呈現(xiàn)，這部分往往被忽視，經(jīng)常出現(xiàn)雷同現(xiàn)象，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、圖表繪制、問題討論等呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，可以讓學(xué)過的相關(guān)知識(shí)重新建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上設(shè)置相關(guān)問題討論，學(xué)生通過查閱資料進(jìn)行問題討論部分的解答。該部分也可以預(yù)設(shè)后測內(nèi)容，“最大泡壓法測定溶液的表面張力”實(shí)驗(yàn)涉及數(shù)據(jù)較多，需要處理的圖表較復(fù)雜，特別是曲線斜率的求解，如何準(zhǔn)確且簡便地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表，將問題拋給學(xué)生，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)解決問題的重要性。

三、教學(xué)優(yōu)勢(shì)

基于BOPPPS，智慧樹課堂和線上視頻的加持摒棄了傳統(tǒng)的“教師一言堂”的單一模式，教師通過充分挖掘教學(xué)素材，整合教學(xué)體系，做好學(xué)情分析，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，提升育人效果［8］。對(duì)于學(xué)生，通過新的教學(xué)模式下的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能形成一定的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，具有獨(dú)立思考的能力，更重要的是能夠鍛煉團(tuán)隊(duì)合作能力以及思維創(chuàng)造力，為今后的工作和科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，適應(yīng)新時(shí)代的步伐。

結(jié)語

在新工科的背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系到學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作精神以及思維創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，精心設(shè)計(jì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會(huì)起到至關(guān)重要的作用，教師應(yīng)不斷進(jìn)行教學(xué)改革，積極反思教學(xué)效果和改進(jìn)優(yōu)化教學(xué)方法，豐富課堂內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和提高學(xué)生學(xué)習(xí)成就感。BOPPPS教學(xué)模式搭配智慧樹課堂以及線上視頻等更大程度地增加了學(xué)生的參與程度，充分調(diào)動(dòng)教師的積極性，也激勵(lì)了教師的授課熱情，該教學(xué)模式可以應(yīng)用到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為創(chuàng)新型卓越工程師的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)，更好地適應(yīng)新工科背景下人才需求的變化。

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作者簡介：朱春玲（1971—"），女，漢族，山東嘉祥縣人，博士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：微納材料和新能源材料；劉巖峰（1964—"），女，漢族，陜西城固縣人，碩士研究生，副研究員，研究方向：電化學(xué)催化。