呂文明，李曉端

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

大學(xué)物理是理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本物理原理的理解，以及將物理相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中去的能力[1]. 因其具有理論性強(qiáng)、課時(shí)有限、教學(xué)任務(wù)重等特點(diǎn)，很多教師采用以講授為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式. 這種“填鴨式”的傳統(tǒng)課堂，過度地關(guān)注知識(shí)的系統(tǒng)性，缺乏明確、具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)，導(dǎo)致學(xué)生不清楚重點(diǎn)是什么，需要學(xué)到怎樣的程度，背后的原理是什么，更沒有能力去解決實(shí)際問題；而且“滿堂灌”的講授，壓縮了學(xué)生參與課堂問題探究的時(shí)間，學(xué)生很快會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知疲勞，只是被動(dòng)的接受式學(xué)習(xí)，死記硬背，最終成為知識(shí)灌輸?shù)娜萜鱗2,3]. 教師也因此無法及時(shí)地獲取學(xué)生的反饋信息，不了解學(xué)生的接受情況，無法靈活地調(diào)整教學(xué)，正確地分配教學(xué)時(shí)間，教學(xué)效率低下[4,5]．

近年來，越來越多的教師會(huì)在講授知識(shí)的同時(shí)適當(dāng)增加一些互動(dòng)，但形式單一，多采用簡(jiǎn)單的問答法，這樣的環(huán)節(jié)也僅僅檢查了學(xué)生對(duì)知識(shí)層面的機(jī)械提取，而對(duì)學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)鮮有實(shí)質(zhì)性的提高. 大學(xué)物理與其他學(xué)科交叉性強(qiáng)，與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，學(xué)生的這種復(fù)制型的淺層學(xué)習(xí)，屬于低階思維活動(dòng)，顯然無法達(dá)到知識(shí)理解與遷移運(yùn)用的目的[6,7].

為解決上述問題，本文將BOPPPS模型引入到大學(xué)物理的課程教學(xué)中，并以多普勒效應(yīng)為例，設(shè)計(jì)了微課教學(xué)． 教學(xué)設(shè)計(jì)堅(jiān)持以學(xué)生為中心，從課程的引入、物理定律的自然引出、求解過程中的探究到解題思路的總結(jié)與思維的拓展，都注重教學(xué)互動(dòng)和反思. 讓學(xué)生全方位地、深入地參與到教學(xué)的全過程. 教師從了解學(xué)生的需求和教學(xué)過程的反饋出發(fā)調(diào)整教學(xué)，以巡查、指導(dǎo)、點(diǎn)評(píng)為主，將課堂交給學(xué)生，將學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究. 學(xué)生通過小組分工、分析物理過程、整合知識(shí)和信息、設(shè)計(jì)解決方案以及表達(dá)展示來完成任務(wù). 這個(gè)過程也是訓(xùn)練學(xué)生全面深入理解抽象物理概念和問題、把握關(guān)鍵要素、遷移和應(yīng)用解決復(fù)雜問題能力的過程，是對(duì)知識(shí)技能學(xué)習(xí)的重要延伸，同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生的進(jìn)取精神和學(xué)習(xí)能力．

1 BOPPPS模型概述

BOPPPS模型源于加拿大教師技能培訓(xùn)工作坊( Instructional Skills Workshop，ISW)，是根據(jù)認(rèn)知理論提出的一種用于教學(xué)過程設(shè)計(jì)的模型[8]. 核心要素有兩個(gè)，其一是以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生全方位的參與式學(xué)習(xí)而不只是聽講；二是要及時(shí)獲取學(xué)生的反饋信息，以調(diào)整后續(xù)教學(xué)活動(dòng)，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果和較高的課堂效率. BOPPPS教學(xué)模型包含導(dǎo)入(Bridge-in)、學(xué)習(xí)目標(biāo)(Objectives) 、前測(cè)(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(Participatory Learning)、后測(cè)(Post-assessment )、總結(jié)(Summary)6個(gè)模塊，為課堂教學(xué)提供了一個(gè)清晰、條理化的教學(xué)實(shí)踐流程，讓學(xué)生在各個(gè)環(huán)節(jié)大面積地參與教學(xué)內(nèi)容的討論、歸納、實(shí)踐，使得課堂教學(xué)安排更加合理且更具可操作性，同時(shí)也可以幫助教師優(yōu)化教學(xué)要素，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，提升教學(xué)效果.

2 基于BOPPPS模型的“多普勒效應(yīng)”微課教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)入 (Bridge-in)

導(dǎo)入環(huán)節(jié)意在引出課堂內(nèi)容，引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲. 一般有兩種方式：一種可通過直觀形象的故事、視頻、圖片等形式吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性. 另一種可以從熟悉的生活經(jīng)驗(yàn)、新聞時(shí)事、示范展示、有趣活動(dòng)等著手,引發(fā)學(xué)生與舊知識(shí)的鏈接.

本文以生活經(jīng)驗(yàn)為切入點(diǎn)，利用鳴笛汽車由遠(yuǎn)及近再遠(yuǎn)離的音頻，吸引學(xué)生的注意力，并拋出問題引發(fā)學(xué)生思考：音頻中描繪了怎樣的場(chǎng)景？之后總結(jié)學(xué)生的回答，強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的判斷已經(jīng)用到了多普勒效應(yīng)，引出主題.

2.2 學(xué)習(xí)目標(biāo) (Objectives)

目標(biāo)是指引教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它確立的目的主要是讓學(xué)生明確本節(jié)課應(yīng)該重視的知識(shí)點(diǎn)和能力要求. 因此，學(xué)習(xí)目標(biāo)的設(shè)立需要做到明確、可達(dá)成、可測(cè).

本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：能夠說出多普勒效應(yīng)的概念；能夠根據(jù)多普勒效應(yīng)，判斷波源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，判斷波長(zhǎng)和頻率的變化.

2.3 前測(cè)(Pre-assessment)

通過測(cè)試等方法了解學(xué)生學(xué)情，實(shí)現(xiàn)因材施教，為參與式學(xué)習(xí)做鋪墊. 方法主要有提問應(yīng)答、是非選擇等.

再次聽音頻提問學(xué)生，除了聲音的音強(qiáng)外，聲音的音調(diào)有怎樣的變化？學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)有了音調(diào)和頻率關(guān)系的知識(shí)儲(chǔ)備. 此次提問可以促進(jìn)學(xué)生建立新知識(shí)和舊知識(shí)、新信息和舊信息的整合與遷移應(yīng)用，是對(duì)知識(shí)技能學(xué)習(xí)的重要延伸.待學(xué)生回答完畢后，總結(jié)糾正學(xué)生的答案，強(qiáng)調(diào)音調(diào)和頻率是由小變大再變小. 接著追問：如果此時(shí)你坐在車上還能否聽到這種變化？并給予學(xué)生時(shí)間思考回答. 總結(jié)學(xué)生回答，之所以能夠聽到這種變化是因?yàn)轼Q笛的汽車與觀察者具有相對(duì)運(yùn)動(dòng). 自然地引出多普勒效應(yīng)的概念：當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率將有所變化.

2.4 參與式學(xué)習(xí)(Participatory Learning)

教學(xué)并非簡(jiǎn)單的預(yù)設(shè)知識(shí)的傳遞，而是在師生之間彼此的參與互動(dòng)過程中自然產(chǎn)生的. 教師需做到“不憤不啟，不悱不發(fā)”[9]，將探究學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交還給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，深入思考，最終達(dá)成深度學(xué)習(xí). 參與式學(xué)習(xí)的過程和內(nèi)容不是一成不變的，需要根據(jù)前測(cè)中得到的學(xué)生的基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整.

由于聲波是看不到摸不著的，本文通過創(chuàng)設(shè)物理問題的真實(shí)情境，利用可視且常見的水波來幫助學(xué)生理解. 向?qū)W生展示圖1并拋出問題，請(qǐng)學(xué)生用30 s的時(shí)間，分別畫出彈簧振子在平靜的水面上下振動(dòng)，以及一邊上下振動(dòng)、一邊勻速向B運(yùn)動(dòng)的水波圖.多數(shù)學(xué)生能夠正確地畫出彈簧振子上下振動(dòng)的水波圖，而對(duì)于彈簧振子邊上下振動(dòng)、邊勻速向B運(yùn)動(dòng)的水波圖只有少部分學(xué)生能夠正確畫出. 選取典型的學(xué)生答案給與點(diǎn)評(píng)，并向?qū)W生展示用Matlab編程繪制的多普勒效應(yīng)動(dòng)圖(圖2、圖3)，讓學(xué)生形象直觀地感受動(dòng)態(tài)的多普勒效應(yīng). 期間引導(dǎo)有疑問的學(xué)生提出質(zhì)疑，通過學(xué)生的反饋得知，對(duì)于生活中很常見的圖2所示的彈簧振子上下振動(dòng)水紋模擬圖，學(xué)生都表示認(rèn)同，但對(duì)圖3所示的彈簧振子邊上下振動(dòng)邊勻速向B處移動(dòng)的水紋模擬圖,一部分同學(xué)會(huì)存在疑問，質(zhì)疑其波紋真實(shí)性以及合理性，此時(shí)向?qū)W生展示課前錄制好的，在平靜的湖面彈簧振子邊上下振動(dòng)邊勻速向B運(yùn)動(dòng)的真實(shí)視頻(圖4)，打消學(xué)生疑慮.

圖1 彈簧振子在平靜水面振動(dòng)

圖2 彈簧振子上下振動(dòng)水紋模擬圖

圖3 彈簧振子邊上下振動(dòng)邊勻速右移水紋模擬圖

圖4 彈簧振子邊上下振動(dòng)邊勻速右移動(dòng)水紋視頻截圖

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察圖2和圖3，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)機(jī)械波的知識(shí)儲(chǔ)備，以彈簧振子為坐標(biāo)原點(diǎn)，以過A、B的連線為水平軸，以垂直于A、B連線且過彈簧振子的軸為豎直軸，分別畫出圖2和圖3對(duì)應(yīng)的波形圖，限時(shí)30 s. 反饋結(jié)果與前面水波圖類似，多數(shù)學(xué)生能夠正確地畫出圖2對(duì)應(yīng)的波形圖，而對(duì)于圖3對(duì)應(yīng)的波形圖，只有少部分學(xué)生能夠正確畫出. 選取典型的學(xué)生答案給與點(diǎn)評(píng)，糾正和補(bǔ)充學(xué)生錯(cuò)誤與不完善的理解，并結(jié)合圖3分析在彈簧振子前進(jìn)方向上水波之間的距離變密集，在遠(yuǎn)離方向上水波變稀疏，引導(dǎo)學(xué)生自己修正波形圖. 后請(qǐng)學(xué)生結(jié)合機(jī)械波的舊知識(shí)，在自己修正后的波形圖上標(biāo)注出A、B兩位置處的波長(zhǎng)λA和λB，并讓學(xué)生展示出來.之后總結(jié)學(xué)生回答，將圖5和圖6展示給大家，引導(dǎo)他們判斷λ、λA、λB之間的大小關(guān)系，并結(jié)合前幾節(jié)課機(jī)械波的知識(shí)儲(chǔ)備判斷f、fA、fB之間的大小關(guān)系.最后，引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)：當(dāng)波源向觀察者靠近時(shí)，觀察者接收到的頻率變大，波長(zhǎng)變??；遠(yuǎn)離時(shí)觀察者接受到的頻率變小，波長(zhǎng)變大.

圖5 彈簧振子上下振動(dòng)的波形圖

圖6 彈簧振子邊上下振動(dòng)邊勻速右移的波形圖

2.5 后測(cè)(Post-assessment)

后測(cè)通常通過選擇、匿名表決、開放問題、經(jīng)驗(yàn)分享、操作示范等評(píng)估學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)成.請(qǐng)學(xué)生每4人為一小組，思考并討論以下兩個(gè)問題，并推出代表來回答：請(qǐng)說出多普勒效應(yīng)的概念；如圖7所示，觀察者追蹤同一顆星星，發(fā)現(xiàn)星星先是黃色，過一段時(shí)間變成了紅色，請(qǐng)判斷星星離觀察者遠(yuǎn)去，還是向觀察者靠近？

圖7 后測(cè)案例

后測(cè)兩個(gè)問題的設(shè)置，完全緊扣學(xué)習(xí)目標(biāo)，其中第二小題，通過創(chuàng)設(shè)相似情境，檢測(cè)學(xué)生是否可以做到舉一反三，把知識(shí)運(yùn)用到新的情境中去，目的是通過學(xué)生回答，提升學(xué)生在探究學(xué)習(xí)上的自信心和成就感.共有2個(gè)小組代表參與回答問題，另外2組代表分別對(duì)前兩組的回答做補(bǔ)充評(píng)價(jià).這樣的考核方式，既檢測(cè)了全員學(xué)生的目標(biāo)達(dá)成度，而且學(xué)生在討論的過程中，“掌握者”自然地成為了“未掌握”者的小老師，幫助未掌握者找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正，深化理解.最后老師總結(jié)學(xué)生回答，并進(jìn)一步延伸指出這就是紅移現(xiàn)象，是宇宙大爆炸理論的重要證據(jù).

2.6 總結(jié)(Summary)

總結(jié)為本節(jié)課程提供一個(gè)簡(jiǎn)短的概括與復(fù)習(xí)，幫助學(xué)生回顧所學(xué)內(nèi)容，形成總體認(rèn)識(shí).要求圍繞教學(xué)目標(biāo)，精煉內(nèi)容，學(xué)生能夠打包帶走.

本節(jié)課利用對(duì)音頻的分析總結(jié)出了多普勒效應(yīng)的概念；用水波的實(shí)例，展現(xiàn)了如何利用多普勒效應(yīng)，判斷波源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，判斷波長(zhǎng)和頻率的變化.向?qū)W生展示圖8，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)多普勒效應(yīng)的直觀認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生能夠掌握相似問題的處理方法.之后給出課后作業(yè).

圖8 多普勒效應(yīng)總結(jié)

接著用一個(gè)小案例引出下節(jié)課的內(nèi)容：某司機(jī)被交警給予了闖紅燈處罰，司機(jī)辯解說，我向紅燈靠近，根據(jù)多普勒效應(yīng)，我看到的波長(zhǎng)會(huì)變短，所以紅燈在我眼里是綠燈，不應(yīng)給予處罰.交警根據(jù)司機(jī)所說撤銷了對(duì)他的闖紅燈處罰，但給予了超速處罰，請(qǐng)問交警是怎樣算出車速的呢？引出下節(jié)課內(nèi)容.

3 教學(xué)效果展示與分析

整個(gè)微課教學(xué)過程中，人臉識(shí)別監(jiān)控系統(tǒng)顯示學(xué)生的抬頭率在90%～97%之間浮動(dòng)，說明該模式有效地提高了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)興趣.后測(cè)部分隨機(jī)提問的小組都出色地達(dá)成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，課后作業(yè)87%的學(xué)生能夠做到全部正確，學(xué)生的匿名反饋中95%的學(xué)生認(rèn)為BOPPPS教學(xué)模式下，學(xué)習(xí)收獲更大，說明該教學(xué)模式促進(jìn)了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理知識(shí)的理解掌握與應(yīng)用，提高了學(xué)習(xí)效果.

4 總結(jié)與展望

本文將BOPPPS模型應(yīng)用在了多普勒效應(yīng)的課堂教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)探究，有效地提升學(xué)生興趣及課堂效率. BOPPPS 教學(xué)模型的可操作性很強(qiáng)，在今后的教學(xué)過程中，可根據(jù)教學(xué)需要，靈活地調(diào)整各環(huán)節(jié)所占的比重，甚至刪減某些環(huán)節(jié)，只要能夠做到以學(xué)生為中心的互動(dòng)探究式學(xué)習(xí)，都能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理知識(shí)的理解與掌握，該教學(xué)模式對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值.