“金课”建设背景下基于BOPPPS模型的课堂教学设计——以传热学课程为例

赵佳悦

（山西能源学院，山西 晋中 030600）

2018年6月21日，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上第一次提出“金课”的概念，指出要提高当代大学生的学业挑战度，合理增加课程难度，拓展课程深度，扩大课程的可选择性，真正把“水课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”。同年8月，教育部印发了《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》（教高函〔2018〕8号），要求各高校淘汰“水课”、打造“金课”，切实提高课程教学质量[1]。2019年6月1日，山西省33所本科高校参加了山西省教育厅主办的山西省高校“金课”建设研讨会[2]。金课的提出无疑对我国高校培养新时代的人才提出了新的标准和要求，也为山西省高校教学改革指引了方向。

1 传热学的课程特点与教学现状

传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学，其是当前能源与动力工程、建筑环境与设备工程、化工等许多工科专业的基础技术课程[3-4]。传热学课程知识体系较复杂，教材中概念多、公式多，且公式推导中普遍运用微积分，难度较大。传统的传热学课堂以“填鸭式”教学为主，存在课堂以教师为中心、教学目标无法直接衡量、缺少课堂评价反馈机制等一系列问题，造成了学生学习积极性不高、课程质量与人才培养目标不匹配的后果。

1.1 课堂以教师为中心

传统课堂中，教师以书本内容为主，更多关注的是是否将知识、技能准确地讲授，而忽略了课堂上最活跃、最复杂，也是最重要的元素之一——学生。于是整个课堂往往是教师在讲台上不断地推导公式，阐述定理，而学生则处于被动接受知识的状态，缺乏学习积极性[5]。

1.2 教学目标无法直接衡量

目前，传热学课程的教学目标大多无法进行直接考察，如第一章中绪论的教学目标一般定为了解传热学在中各个领域中的应用，理解导热、对流换热及热辐射在一般情况下的传热量计算，掌握热量传递的三种基本方式及传热过程的热阻分析方法。这些目标的阐述几乎全部使用内隐动词，如了解、理解、掌握等，从这些词仅仅可以得出知识点的重要程度，而没有让学生通过行动来描述对内容的掌握程度，即目标无法达到可测量或可观察的效果。

1.3 缺少课堂评价反馈机制

传统传热学课堂上有效的教学反馈很少。有些教学方法并不适合所教学生，但教师大多数情况下得不到及时反馈，于是无法做到持续提高教学质量。教学必须了解培养全面发展型人才的需要和学生的学习需求，结合具体的学习目标，并采用有效课堂评价反馈机制来保障教学质量的不断提高。

2 BOPPPS教学模型的内涵

BOPPPS教学模型起源于加拿大，后来在北美众多高校被广泛使用，目前已在全球范围内被推崇。BOPPPS教学模型根据人在课堂的注意力大约只能集中15min的规律，将课堂教学内容划分为几个15min的单元，并将教学环节分成导入（bridge in）、学习目标（learning objective）、前测（pre-assessment）、参与式学习（participatory learning）、后测（post-assessment）、总结（summary）六个部分，每个部分各自独立，又互相连贯[6]。

（1）导入部分是为了帮助学生专注或连接即将介绍的内容。教师可以通过回顾之前所学的内容并过渡到新的内容上来，也可以讲述一些与课堂内容有关的故事，或提出和主题相关联的引导问题，使学生对教学内容产生强烈的兴趣。（2）学习目标是指教学活动实施的方向和预期达到的效果，通常包括认知、情感和技能三个方面。一个规范的学习目标须包含四个要素，即对象（who）、行为（will do what）、条件（under what condition）和标准（how well），设定明确的学习目标有助于学生在学习过程中把握学习方向。（3）前测是对学生的知识基础和能力进行摸底，可以通过提问、问卷调查或小测试等方式进行。前测能帮助教师调整教学进度和深度，同时也促进学生聚焦课堂目的，表达学习愿望。（4）参与式学习是指学生主动学习，教师参与学生的学习过程。此环节以学生为主体，教师为主导，以教师提问、学生讨论、角色扮演等多种形式展开，使学生更好地理解所学内容。（5）后测是运用测验和评价的方法来了解学生学到的内容，以及是否达到学习目标，有利于教师改进教学方法。（6）总结是对整堂课程内容的梳理和整合，并预告下堂课内容，起到承前启后的作用。

BOPPPS教学模型真正关注学生的发展和需求，让学生更好地参与学习，并及时获取反馈信息，培养学生分析问题、解决问题的能力，这与“金课”的基本要求相符。BOPPPS教学模型提供的基本框架，不仅可以使教师合理安排教学内容，改变传统课堂以教师为主体的师生关系，从而更有效地让学生学习知识，还可以帮助教师及时评价学生的学习效果，改进教学方法。

3 基于BOPPPS模型的传热学课堂教学设计

以稳态热传导中典型的一维稳态导热问题的分析解的内容为例，按照BOPPPS模型，可以将此节内容分为以15min为一个单元的三个授课单元，分别为通过平壁的导热，通过圆筒壁的导热，带第二类、第三类边界条件的一维导热问题。以通过平壁的导热为例，进行如下教学设计。

3.1 导入

首先对上一节——导热问题的数学描写中的内容进行回顾，让学生写出笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式，以及不同条件下相应的简化形式，作为本节的知识基础。接着提出与生活或工程实际联系紧密导热问题，引起学生探究知识的兴趣，如一块钢板上结了水垢和灰垢，会对钢板的导热性能产生怎样的影响？炉墙平壁用两层同样厚度但导热系数不同的保温材料保温，将导热系数大的材料放在内侧还是外侧保温效果好？

3.2 学习目标

学习目标是课堂教学中非常关键的部分，BOPPPS方法中的学习目标，而非教学目标，就是要让学生清楚地知道通过学习平壁导热要达成怎样的目的，因而学习目标需要具有可观察性或可测量性。该节学习目标如下：

（1）知识目标。能够说明热流量、热阻和温压的物理意义。

（2）能力目标。能够熟练运用通过单层平壁导热的计算公式求解相关参数；能够熟练使用热阻法计算通过多层平壁的热流量。

（3）素质目标。通过学习培养归纳总结问题、分析问题和解决问题和的能力；培养探究意识。

3.3 前测

根据之前所学和即将学习的内容，对学生进行如下提问：

请根据以下条件对笛卡尔坐标系下的三维非稳态导热微分方程进行化简：（1）一维；（2）无内热源；（3）常物性；（4）稳态。

以上问题的解答如下：根据笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式，即式（1），以及上述四个给定条件，可写出方程的简化结果，即式（2）[4]。

此问题一方面是为了了解学生对上一节重点内容的掌握情况，另一方面可以使学生过渡到该节内容的学习中来。一般情况下，大多数学生都能够得出正确答案。

3.4 参与式学习

（1）通过单层平壁的导热。首先让学生写出通过厚度为δ的无内热源单层平壁的导热微分方程，即前测部分简化结果式（2）。假设平壁两个侧面面积均为A，两表面温度恒定，分别为t1、t2，如图1所示。可以引导学生写出以下定解条件：x=0，t=t1；x=δ，t=t2。

图1 通过平壁的导热

根据微分方程和定解条件，解得温度分布为：

再通过学生熟知的傅立叶定律，即可得出平壁导热的计算公式：

接着通过让学生自行将平壁导热公式与电路中的欧姆定律进行类比，可以让他们深刻理解热阻的概念。在电学中，I=U/R，即过程中的转移量=过程的动力/过程的阻力；同理，在平壁导热中，式（5）可以改写为：

式中：热流量相当于欧姆定律中的I，为导热过程中的转移量；温压Δt为转移过程中的动力，即有温差才存在热量的传递；分母为热阻R，代表转移过程中的阻力。

（2）通过多层平壁的导热。以三层平壁为例来分析多层平壁导热情况，假设各层平壁厚度为δ1、δ2、δ3，导热系数为λ1、λ2、λ3，多层壁两外表面的温度t1、t2，现要确定通过平壁的热流密度，如图2所示。此时，可以引导学生应用热阻串联的方法，分组讨论进行求解，并派出几名代表展示结果。

图2 三层平壁导热

根据串联热阻叠加原则，三层壁的总热阻表达式如下：

可得热流密度计算公式：

以此类推，得出n层平壁的热流密度计算公式：

回到前测的问题中，金属表面结垢时，污垢的导热系数一般较小，导致热阻较大，使物体的导热性能变差：而炉墙平壁用两层同样厚度但导热系数不同的保温材料保温，根据式（9），无论将两层保温材料如何叠放，保温效果都相同。

3.5 后测

利用随堂练习方式，使学生通过相关题目加深印象；同时，提出课后思考题：冬天把毛衣穿在里边还是秋衣穿在里边更保暖（一般毛衣导热系数小于秋衣），来引入下一单元通过圆筒壁导热的内容。

3.6 总结

将知识点利用PPT展示进行总结，如图3所示。这样帮助学生理清知识点的内在联系，通过知识点的生活应用以及工程实例，加强理论与实际的联系，培养学生的工程意识。

4 结束语

图3 知识点总结

综上所述，在“金课”建设和教学改革的背景下，基于BOPPPS模型设计的传热学课堂教学过程，以教师为主导，以学生为主体，构建以知识、能力、素质培养为主的学习目标，通过引入实例来启发学生思维，结合前测了解学生整体情况，引导学生真正参与学习，利用后测来评价目标达成度，运用课堂互动和及时反馈不断改进教学内容和方法的举措，在传热学课堂教学中取得了良好效果，为高校其他工程类课程的“金课”建设提供了参考。