劉赫揚，王士財，楊瑞芹

(1.浙江科技學院 生物與化學工程學院，杭州 310023；2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學與生物加工技術(shù)重點實驗室，杭州 310023)

化工設(shè)備機械基礎(chǔ)是為化工類專業(yè)本科生開設(shè)的一門必修課，屬于綜合性課程，主要講授與化工設(shè)備相關(guān)的機械類基礎(chǔ)知識。化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程涉及化學工程、工程力學、材料學和機械傳動等多方面的知識，具有教學覆蓋面廣、學科交叉度高、工程實踐性強等特點。然而，進入21世紀以來，隨著創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的推廣，大部分高校的化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程的學時數(shù)均大幅削減，從以往的96學時以上，驟減至64學時以下[1]。浙江科技學院化學工程與工藝專業(yè)現(xiàn)行教學計劃中化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程甚至只有32學時。為了適應(yīng)這種變化，并提高教學質(zhì)量，不少高校都在化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程與教材建設(shè)及課堂教學改革方面展開了許多實踐[2-7]，探索項目/任務(wù)驅(qū)動式教學[8-9]、翻轉(zhuǎn)課堂[10]、ANSYS軟件[11]等教學模式或教學工具在化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程教學中的應(yīng)用，取得了一定的成效。但是，無論是采用何種教學模式或教學工具，都離不開對課堂教學過程的優(yōu)化設(shè)計。因此，在有限的課程學時數(shù)下，通過優(yōu)化教學設(shè)計來提高課堂教學質(zhì)量就具有十分重要的意義。BOPPPS模型起源于加拿大，是北美國家在教師技能培訓中廣泛采用的教學模型。BOPPPS模型本質(zhì)上是一種組織教學流程的方法，著眼于效果、效率和效益3個方面，旨在通過構(gòu)建引言、學習目標、學前測評、參與式教學、學后測評和總結(jié)6大要素，提高學習者的參與度，達成有效教學，確保課堂成功[12-17]。本研究以化工設(shè)備機械基礎(chǔ)中拉伸或壓縮時直桿的應(yīng)力這一知識點的微課程設(shè)計為例，結(jié)合筆者在BOPPPS教學工作中的實踐，探討基于BOPPPS 模型的化工設(shè)備機械基礎(chǔ)的教學設(shè)計。

1 BOPPPS模型

BOPPPS模型由加拿大不列顛哥倫比亞理工學院創(chuàng)建并推行，用于教學模式的設(shè)計[12]。BOPPPS模型強調(diào)以學生為中心的教學理念，主要基于學習注意力曲線和學習金字塔這兩大科學研究成果構(gòu)建而成，前者指的是人在學習時注意力通常只能保持約15 min的高度集中；后者則指出團隊學習、主動學習和參與式學習的效果比個人學習或被動學習的效果要好得多。因此，為了契合學習注意力曲線，順應(yīng)學習金字塔理論，BOPPPS模型將課堂教學內(nèi)容分割為多個獨立教學單元(或微課)，每個單元的時長約15 min，在每個單元內(nèi)部都緊扣教學目標，側(cè)重起承轉(zhuǎn)合，按照導(dǎo)入(bridge-in，B)、學習目標(objective，O)、學前測評(pre-assessment，P)、參與式學習(participatory learning，P)、學后測評(post-assessment，P)和總結(jié)(summary，S)6個階段循序展開。根據(jù)BOPPPS模型的要求，1節(jié)45 min的課可以被拆分為2～4個獨立教學單元(或微課)，每個獨立教學單元都可依上述具體實踐流程實施教學。因此，BOPPPS模型具有實踐性和操作性強的特點，是一種值得推廣的課堂教學設(shè)計工具。

2 BOPPPS模型下化工設(shè)備機械基礎(chǔ)微課設(shè)計思路

按照BOPPPS模型的要求，我們首先在教學實踐過程中對化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程進行了梳理，形成了以知識點為單元的獨立教學模塊，以滿足時長約15 min的微課設(shè)計的需求。例如，我們把直桿的拉伸和壓縮這部分內(nèi)容分解為拉伸或壓縮時直桿的內(nèi)力、拉伸或壓縮時直桿的應(yīng)力、拉伸或壓縮時直桿的變形、材料受軸向拉壓時的力學性能和拉伸或壓縮時直桿的強度計算5個知識點。上述知識點的合理分解，為化工設(shè)備機械基礎(chǔ)的微課設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

在具體的教學設(shè)計方面，我們以學生為中心，一方面順應(yīng)學習金字塔，加強互動教學，另一方面也堅持問題導(dǎo)向，注重對學生工程分析能力的培養(yǎng)。以拉伸或壓縮時直桿的應(yīng)力為例，在學習該知識點之前，學生已了解了拉伸或壓縮時直桿的形變特征，掌握了拉伸或壓縮時直桿內(nèi)力的特點及計算方法。學生學完該節(jié)內(nèi)容后，將能掌握拉伸或壓縮時直桿應(yīng)力的特點及計算方法，并且能夠分析直桿的危險截面，也能對不同材料制成的直桿受到拉伸或壓縮時可能出現(xiàn)不同斷裂方式的原因有一定理解，為后續(xù)學習拉伸或壓縮時直桿的變形、力學性能及強度計算等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。此外，該知識點是學生第一次接觸應(yīng)力這個概念，因此在教學過程中，教師可在引言環(huán)節(jié)借助實際案例，充分激發(fā)學生的學習興趣，并且通過學習目標介紹和前測環(huán)節(jié)使學生對該知識點的學習目的有明確直觀的認識，再通過類比、拓展等方法使學生自然地理解應(yīng)力的定義，最后在對工程案例的探究、討論中使學生掌握拉伸或壓縮時直桿橫截面及斜截面上應(yīng)力的計算方法與實際應(yīng)用。需要注意的是，在問題解決及實例討論中，教師應(yīng)充分運用多媒體資源，以提高教學效率，提升教學質(zhì)量。

3 基于BOPPPS模型的拉伸或壓縮時直桿的應(yīng)力教學設(shè)計

3.1 導(dǎo) 入

通過設(shè)問引出課題。首先提出問題：2根由相同材料制成但粗細不同的直桿，在受到同樣大小的軸向拉力作用時，橫截面上的內(nèi)力是相等的，那么這2根直桿發(fā)生斷裂的可能性相等嗎？學生一般都會回答：2根直桿發(fā)生斷裂的可能性不相等，細桿更易發(fā)生斷裂。由此引出核心問題：既然上述2根直桿橫截面上的內(nèi)力是相等的，而且內(nèi)力與物體的破壞情況有著密切的關(guān)系，那為什么細桿更易斷裂呢？究竟是哪個物理量在起作用呢？

3.2 學習目標

該節(jié)內(nèi)容的學習目標用PPT展示如下。

知識目標：理解應(yīng)力的概念，掌握拉伸或壓縮時直桿應(yīng)力的求取方法。

能力目標：1)能熟練根據(jù)應(yīng)力大小來分析拉伸或壓縮時直桿的危險截面；2)能熟練根據(jù)不同角度截面上應(yīng)力的特點來分析直桿被破壞的原因。

素質(zhì)目標：通過對拉伸或壓縮時直桿應(yīng)力的學習，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和探究意識。

3.3 學前測評

圖1 學前測評問題及其解答示意圖 Fig.1 The schematic diagram for the questions and their answers in pre-assessment part

對學生提出如下2個問題。

問題1：如圖1(a)所示某變直徑的圓桿，右半段的橫截面積是左半段的1.5倍，受軸向外力作用，其內(nèi)力沿桿件軸線如何分布？圖1(a)中d1、d2、P分別為變徑圓桿左半段的直徑、右半段的直徑及其受力值。

問題2：這根圓桿的哪一段比較危險？

問題1和2的解如圖1(b)所示。在這個環(huán)節(jié)中，問題1一方面是為了了解學生對“拉伸或壓縮時直桿的內(nèi)力”這部分內(nèi)容的掌握情況，另一方面可以起到對這部分內(nèi)容的復(fù)習鞏固作用。一般情況下，大部分學生都能夠回答正確。通常，學生對問題2也能夠給出正確的解答，盡管他們還不一定真正掌握其中蘊含的知識點。這里，問題2的作用一方面是為了使學習目標更加直觀化，另一方面也是為了培養(yǎng)學生根據(jù)既有知識對未知問題大膽假設(shè)、小心求證的學習習慣。

3.4 參與式學習

3.4.1 應(yīng)力的定義

首先介紹應(yīng)力的定義：受力桿件某一截面上一點處的內(nèi)力集度，即內(nèi)力的集中程度。為了便于學生理解，此處以壓強與壓力的關(guān)系和應(yīng)力與內(nèi)力的關(guān)系做類比。接著由截面上某一微小面積ΔA上內(nèi)力ΔP的平均集度，即該微小面積ΔA上的平均應(yīng)力

進一步推導(dǎo)出，當面積趨于無窮小時，截面上某一點處全應(yīng)力p的數(shù)學定義：

從學生熟知的力的分解與合成這一知識，引出應(yīng)力的分解與合成，說明全應(yīng)力通?？梢苑纸鉃榕c截面垂直的法向分量σ(正應(yīng)力)和與截面相切的切向分量τ(剪應(yīng)力)。

3.4.2 拉伸或壓縮時直桿橫截面上的應(yīng)力

用動畫演示的方法說明直桿在受到拉伸作用時，其橫截面將保持與軸線垂直不變，且仍為平面，只發(fā)生了沿軸線方向的移動。由此，讓學生判斷直桿受拉伸作用時內(nèi)力在橫截面上的分布是否均勻，并與學生一起得到拉伸時直桿橫截面上應(yīng)力(且為正應(yīng)力)的表達式：

(1)

式(1)中：N為直桿橫截面上的內(nèi)力，A為直桿的橫截面積。

將受拉直桿橫截面上的正應(yīng)力推廣到受壓直桿，向?qū)W生說明正應(yīng)力的符號規(guī)定，并指出直桿受到拉伸或壓縮時，最大工作應(yīng)力所在的截面最容易發(fā)生危險，故該截面被稱為危險截面，在工程上要對它加以重視。

3.4.3 拉伸或壓縮時直桿斜截面上的應(yīng)力

教師播放一段視頻，主要內(nèi)容是鑄鐵桿件受到拉伸時會沿橫截面被破壞，但受到壓縮時卻沿著斜截面被破壞。讓學生討論：到底是什么原因?qū)е逻@種現(xiàn)象的。

教師與學生一起分析直桿斜截面上的應(yīng)力，并提醒學生注意觀察：分析過程是否正確。在分析過程中選擇一處故意制造錯誤，如將斜截面上內(nèi)力的方向表示成與截面相垂直而不是與軸線相一致，以此加強學生對之前學過的截面法求內(nèi)力的理解。經(jīng)分析，得到拉伸或壓縮時直桿斜截面上各點的全應(yīng)力

pα=σcosα。

(2)

并將其分解為正應(yīng)力σα和剪應(yīng)力τα：

σα=σcos2α，

(3)

(4)

式(2)～(4)中：α為斜截面與橫截面的夾角。

最后，回到之前的視頻，讓學生再次討論為何會發(fā)生鑄鐵受壓時斷面并非橫截面的原因，引導(dǎo)學生進行探究性學習。

3.5 學后測評

圖2 知識點總結(jié)Fig.2 Summary of knowledge points

用課堂練習的方式，讓學生計算拉伸或壓縮時直桿在不同截面上的應(yīng)力。例如：學前測評的問題2。

3.6 總 結(jié)

利用PPT展示(圖2)，進一步理清該知識點的內(nèi)在邏輯，突出該知識點的應(yīng)用與實例，加強理論與實際的聯(lián)系，強化工程意識的培養(yǎng)。

4 結(jié) 語

通過上述從問題的引入、應(yīng)力的定義，到拉伸或壓縮時直桿橫截面與斜截面上的應(yīng)力求解與特征，教師借助動畫和視頻等多媒體工具，結(jié)合問題式與探究式的學習方法進行講授，達到了既順利克服教學難點又緊貼工程應(yīng)用的目的。可見，BOPPPS模型為化工設(shè)備機械基礎(chǔ)的課堂流程組織提供了一種很好的方法。在教學過程中，教師可以按照BOPPPS模型的要求，把化工設(shè)備機械基礎(chǔ)的課程內(nèi)容按知識點進行分解，對各個知識點進行有針對性的教學設(shè)計，借助參與式學習，突出重點、克服難點，加強理論聯(lián)系實際，重視工程分析能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)有效課堂教學，真正做到以學生為中心。應(yīng)用BOPPPS模型進行教學設(shè)計后，浙江科技學院化學工程與工藝專業(yè)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程的課堂教學氣氛日趨活躍，學生參與積極性高，課程的畢業(yè)要求達成度加權(quán)值也從約0.20(2013—2014學年)提升到了約0.22(2015—2016學年和2016—2017學年)，成效明顯。

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