BOPPPS教学模式下大学物理线上课堂的教学设计——以“动生电动势”为例

胡 森,刘 丹

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

随着时代发展和教育技术进步，世界高等教育尤其是我国高等教育已经进入一个“互联网+高等教育”的新的历史发展时期。近年来，伴随着在线开放课程如火如荼地开展，以MOOC为代表的线上线下教育模式被引入课堂教学，在大学教学中扮演着越来越重要的角色[1]。特别是2020年春季开始，突如其来的新冠肺炎使得全国高校的教学模式被强制性地纳入线上教学模式。如此大规模的采用线上教学在世界历史上乃是首次，因此势必引起一场前所未有的教育变革。疫情防控结束后即便回归传统课堂，相信广大教师和学生也一定会对在线教学的形式有全新的认识，对未来基于互联网的教育教学改革满怀憧憬[2]。

大学物理作为高等院校理工科非物理专业的一门重要基础课，在各专业知识体系建构中有着不可或缺的作用。作为一门受众面十分广泛的课程，大学物理具有开发MOOC课程的先天优势。据不完全统计，在爱课程中国大学MOOC平台上，大学物理相关课程的门数就达到了220余门，开课院校涵盖了双一流国家重点高校、普通地方本科院校以及职业技术院校等多个层次。这些大学物理课程制作精良、内容丰富，在疫情防控期间给修读该课程的学生们提供了优质的学习资源[3]。与传统课堂教学不同，线上教学的课程一般是由微课视频及其他如拓展资源、学习计划、作业要求、考核办法等教学资源构成。其中，作为核心内容的微课视频不应是课堂教学的简单实录，而应是以学生为中心，围绕着某个知识点(重点难点疑点)或教学环节而开展的教与学活动的全过程。考虑到观看教学视频时人的注意力难以长时间保持，微课教学视频的时长不宜过长，更不宜直接以课堂教学实录来代替。一项关于大学物理在线教学学习效果的问卷调查显示，由于线上教学的局限性，尤其是缺少师生交流互动和必要的学习监管，很多时候录制精美的教学视频变成了主讲教师“唱独角戏”，更有甚者沦为学生开着视频玩其他线上游戏的“背景音乐”。因此，为保障大学物理线上教学的学习效果，提高学生线上学习的效率，我们必须科学、规范地做好线上教学内容的设计。一方面我们需要将原教学内容尽量拆解成以知识点为单元的系列微课串成章节或课程体系，另外一方面更需要引进先进的教学设计理念来对大学物理线上课堂教学的内容进行科学、规范的设计。

BOPPPS教学模式是一种结构完整、注重学生参与与教学反馈的有效教学模式，近年来在高校中非常流行，不少高校教师将其应用于翻转课堂和微课的教学设计中[4][5]。基于BOPPPS教学模型的基本框架，课堂教学的设计紧密围绕着课程教学目标的达成而开展，在“以学生为中心”的理念下，教师逐步转变成为引导学生全方位参与并开展“协作式、探究式、问题式”学习的领航者[6]。本文以典型的大学物理课程的“动生电动势”这一教学内容为例，详细分析如何利用BOPPPS教学模式，构建以学生为中心、以问题为导向，教学效率高、学生参与度良好的大学物理线上课堂，期望对高校物理教师的教学实践提供一定的帮助。

1 BOPPPS教学模式简介

BOPPPS教学模式起源于北美，是北美众多高等院校认可和推崇的一种教学模式。该模式将教学过程分为导入(Bridge-in)、目标(Objective)、前测(Pre-assessment)、参与式学习(Participatory learning)、后测(Post-assessment)、总结(Summary)六个阶段(也称模型六要素)[7]。以上六大要素英文的首字母连在一起，即组成了“BOPPPS”教学模式。其中，各个要素的解释及相应的任务解读见表1。

从表1看出，BOPPPS模式针对教学目标的达成将整个教学过程分解为六大模块，在此过程中强调以学生为课堂的主体，重视学生的课堂参与，并通过师生、生生互动获取有效的反馈以便随时对课堂教学进行及时的调整。同时，根据人的注意力大约只能持续维持15分钟的规律，BOPPPS教学模式将课堂教学内容分割为15分钟左右的多个教学小单元，每个小单元以及由它们组成的课堂都遵循“起承转合”的脉络，从而使得课堂分段但却不零散。正是因为BOPPPS模式具有流程化、注重学生参与、目标-活动-评价整体设计并强调一致性这三大特点，从而使得它在建立以学生为中心的高效课堂方面有着显著的优越性。

表1 BOPPPS模式要素及任务解读

2 基于BOPPPS教学模式的“动生电动势”线上课堂教学设计

2.1 教学准备

2.1.1 教学内容分析

在大学物理课程体系中，“动生电动势”属于“电磁感应”这一知识板块中的教学内容。以马文蔚等主编的《物理学教程(第三版)》(高等教育出版社出版)教材[8]为例，“动生电动势”位于第十二章《电磁感应 电磁场与电磁波》第二节“动生电动势和感生电动势”之中。在上一节——“电磁感应现象”中，已经介绍了感应电动势的产生原因(电磁感应定律)及其方向判断法则(楞次定律)。而本节内容则是进一步剖析引起磁通量变化的两种原因，将感应电动势分成动生电动势和感生电动势两类，并根据电源电动势的定义，讲解两类电动势的产生机制和本质。“动生电动势”这一知识点的教学目标是要求掌握其产生原因、电动势的形成机制、计算示例及在实践中的应用。在线上课堂的教学视频中，时长设置为15分钟左右。

2.1.2 学情分析

学生在高中阶段已经学习过“电磁感应定律”相关的内容，对于感应电动势的产生原因及其方向判断已经有所了解。因此，本章第一节主要是带领学生回顾高中所学，进一步加强巩固，在实际教学中无须占用太多课时。一般来讲，我们通常会安排在两个课时(90分钟)的时间完成第一节和第二节的教学。学习本节知识，除了“电磁感应定律”这一重要的先行知识之外， “电源电动势的定义”也是本节课分析两类感应电动势本质的重要的知识基础。

2.1.3 教学方法分析

考虑到线上教学的特点，本片段采用讲授法组织教学。通过回顾旧知、厘清概念和推理引导学生从“表象”到“本质”逐步理解动生电动势的概念、物理模型及应用。从基于习题的训练教学转变为面向实际问题的解决，从具体知识点的学习转变为核心观念的建构，从而达到培养学生物理观念、科学思维和应用能力等物理核心素养的目的。

2.2 教学过程设计

2.2.1 Bridge-in阶段——回顾旧知、建立认识

2.2.2 教学目标Obiective——PPT展示

(1)知识目标：理解动生电动势的产生机制，基于电源电动势的概念推导动生电动势的计算公式并能进行计算。

(2)思维能力目标：结合动生电动势产生原因的解释，培养学生综合运用物理原理分析解决、解决问题的能力；进一步理解“水泵抽水”与电源电动势工作过程的类比，掌握物理学的这种类比的思想。

图1 电源的工作过程和“水泵抽水”的类比

(3)价值观目标：通过对历史上第一台圆盘式发电机的分析，让学生体会物理学在推动技术发展、生产力变革的巨大作用。

2.2.3 前测(Pre-assessment)

“导体棒在磁场中作切割磁感线运动会产生电动势。”是在高中物理课程中就已经讲过的内容。事实上，这种电动势就是动生电动势。在系统讲授“动生电动势”之前，列举一道简单的例题1：在均匀磁场B中，一根长度为L的铜棒OP在与磁场垂直的平面内以速度V水平向右作切割磁感线运动， 求铜棒中产生的电动势的大小及方向？

同学们可以完全运用高中的方法求解这道例题，如此一来，可以检验学生们高中所学。在学完后续内容后，老师还可以让学生运用计算动生电动势的方法求解同一题目。两种方法的对比，可以有效地帮助学生建立新旧知识的联系，完成知识的建构。

2.2.4 参与式学习(Participatory learning)

教学任务1：动生电动势的产生机制分析

根据前面的知识回顾，学生们知道，任何电源电动势的内部必有非静电力来克服静电力做功，从而完成电能的转换。那么，动生电动势的非静电力来源是什么？教师带领学生以例题1中的铜棒为例，铜棒内存在自由移动的电子，电子若能定向移动进而在铜棒两端聚集形成电势差，就可以形成电源电动势。问题是铜棒内的电子是在何种力的作用下作定向移动呢？而这种力显然就是我们需要分析的非静电力。

图2 切割磁感线的铜棒内电子受力情况

教学任务2：动生电动势的计算

在这一教学环节，设置了如下三个习题：

(1)习题1：在均匀磁场B中，一根长度为L的铜棒OP在与磁场垂直的平面内以速度v水平向右作切割磁感线运动， 利用动生电动势的求解公式求铜棒中产生的电动势的大小及方向？

(2)习题2：如图3，长为L的铜棒在匀强磁场B中以角速度ω绕O点逆时针转动。求铜棒中感应电动势的大小和方向。假如将铜棒棒反向旋转(即顺时针转动)，计算结果又如何？

图3

图4

(3)习题3：如图4，如果是半径为R的铜盘在匀强磁场B中以角速度ω绕盘心O逆时针转动，盘中会产生感应电动势吗？大小和方向呢？

这三个习题由简及繁，逐步递进。习题1是前一阶段引出的例题，但这里让学生用动生电动势的计算公式再次求解。该习题的目的旨在让学生建立起高中物理和大学物理之间的联系，在高中物理中大多是“恒量”问题，因此不需要用到微积分进行运算，但学生需要明白其本质。习题2是一个带有“变量”的问题，学生必须采用微积分的方法进行计算。借由此，让学生明确带有矢量混合积的积分运算方法，并能根据最终计算结果进行物理解释。习题3则是在习题2基础上的拓展，要求学生用等效的思想去解决问题，旨在进一步启发学生的思维、巩固所学。同时，又是下一阶段“关于动生电动势的几点讨论”的基础。

教学任务3：关于动生电动势的几点讨论

讨论1：法拉第圆盘式发电机。习题3中给出的模型正是历史上法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电磁感应发明的世界上第一台发电机──法拉第圆盘发电机。圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中。当法拉第转动摇柄，使紫铜圆盘旋转起来时，电路中产生了持续的电流(见图5)。

图5 法拉第圆盘发电机(实验室模型)

本环节通过给学生讲述圆盘式发电机的照片及发电过程的视频，让学生明白电磁感应定律在电力技术革命中所起的作用，从而建立物理、科学与技术之间的联系。让学生在课后查阅相关资料，了解现代发电机的构造与最初的法拉第圆盘发电机有何不同，并结合物理学知识，解释现代发电机会做这样的改进。

讨论2：转动铜盘发电的深层次思考。在这一环节，教师提出问题：在均匀磁场中匀速转动的铜盘，穿过盘面的磁通量并没有发生变化，按照法拉第电磁感应定律，其中应该不会产生感应电动势。那这与习题3的结论是矛盾的，这又是为何呢？学生不难发现，这其实是一个悖论。对于此问题，运用“导体切割”和“磁通变化”两种不同的方法分析，结果应该是一样的。只是在运用磁通量变化分析时，必须考虑到底应该如何准确选取闭合回路。教师可以提供几篇对此问题进行过研究的期刊论文[9][11]，让学生在课后也可以继续查阅相关资料，对此进行研究总结。

讨论3：能否从能量转化和守恒的角度解释动生电动势的产生？洛仑兹力并不做功，那么在动生电动势的产生过程中起着怎样的作用？

设计意图：在讲授完新知识后，为拓展学生们的知识、提高其课堂参与度，我还设置了三个课堂讨论。三个讨论涉及到了科学与技术的应用、新旧知识的联结和物理问题的多角度思考等方面，期望借由这三个课堂讨论将“动生电动势”以及“电磁感应定律”等相关知识进一步升华。

2.2.5 课堂形成性评价(Post-assessment)

习题4：如图6，长直导线中载有恒定电流I，由半径为R的四分之一圆弧形导线和两段直导线围成的平面闭合回路以匀速v向上运动。闭合回路与长直导线共面，其OA边与长直导线平行，相距为R.求：(1)整个闭合回路中的电动势；(2)OC段上的电动势大小；(3)AC段上的电动势大小。

图6

设计意图：不难发现，解决该问题的第一问需要用到法拉第电磁感应定律，第二问则涉及磁场为变量的积分运算，第三问不是通过严格计算而是对整个闭合回路综合考虑后得出。因此，该题目是一道综合性的问题，既需要学生们熟练运用前面所学，又需要学会用本节动生电动势的计算方法处理较为复杂积分的运算。运用该习题作为课堂的后测，既检验了学生对本节知识的掌握情况，又帮助学生与之前所学知识进行融合。

2.2.6 课堂总结(Summary)

利用PPT对动生电动势的产生原因、物理本质、计算方法、应用拓展等方面对本小节内容进行课堂总结。从如何建立物理模型、运用物理思维方法等角度去归纳解决物理问题的方法。此外，本节内容与技术的应用息息相关，了解物理知识在技术推动方面的作用，有助于提升理工科专业学生的专业素养。

3 总结与反思

本研究利用BOPPPS教学模式六大模块的逻辑组合，对动生电动势这一小节的线上课堂进行了教学设计。该教学设计围绕着动生电动势的分类、产生机制、应用拓展等而展开，做到以学生为中心、以问题为导向、以有效实现教学目标为核心，在新知知识间充分地搭建过渡桥梁以帮助学生克服学习难点，充分结合了问题式、探究式的教学方法进行讲授，使物理问题得以自然引出与解决，顺利地克服了难点。在课堂教学中融入物理思维方法、注重从物理问题的本质出发，注重学生物理思维的启发和物理观念的培养。本文的研究给教师提供一种操作性和条理性较强的教学框架，期望能为大学物理线上课堂的教学设计提供参考。