BOPPPS教学法在“电路”课程教学中的应用——以基尔霍夫定律为例

费雯丽 王晓蓓 徐 星 张天然

海军工程大学电气工程学院 湖北武汉 430034

一、概述

“电路”课程是电气类、电子信息类、自动化类等专业必修的主干课程,也是上述专业学员所学习的第一门专业基础课。该课程不仅为学员后续专业课程学习起到理论支撑作用,也对学员专业课学习能力的培养起铺垫作用,对该课程的掌握情况直接关系到学员后续课程的学习效果[1]。因此,对“电路”课程教学方法的探索与改进一直是电气类专业教学改革研究的重点[2-3]。

BOPPPS教学方法是一种以学员为中心、以学习目标导向、学员全程参与式的教学模式,该教学模式由引入、学习目标、前测、参与式学习、后测、总结六个环节构成[4-5]。该教学方法可充分调动学员学习积极性,可加深对授课内容的理解和应用,目前已有很多教育工作者将BOPPPS教学方法应用到相应的教学设计中以提高学习效果[6-8]。

基尔霍夫定律是电路课程中最重要的两大定律之一,因此该论文以此为例,详述了BOPPPS法应用到电路教学过程时的教学设计方法和教学实施过程。

二、基于BOPPPS教学法的教学过程设计

基于BOPPPS教学法的教学过程主要分为6个环节,基尔霍夫定律教学时长为2学时(90min),其具体教学过程设计如表1所示。

表1 基于BOPPPS教学法的教学过程设计

在参与式学习“P2”环节中,对基尔霍夫电流定律(KCL)、基尔霍夫电压定律(KVL)及其推广的例题和应用习题的讲解过程其本质也是后测“P3”的一部分,可以初步检验学员是否达到了学习目标。前测“P1”环节除了检测学员对电路约束条件的掌握情况,还进一步引出了本次课的学习内容,也可视为导入“B”的一部分。而单独列举的后测“P3”环节则是呼应了前测“P1”环节给出的例题,其综合应用性更强,也可让学员更深入地理解电路中的约束条件,进一步检测学习目标的完成情况。

从这个教学设计过程中也可以看出BOPPPS教学法的各个环节不是孤立的,其顺序也不是一成不变的,所以在应用BOPPPS教学法进行教学设计时,应始终以学员为中心,围绕“学习目标”将各个教学环节相互呼应、融会贯通起来,以达到更好的教学效果。

三、各环节教学实施

在学习本次课基尔霍夫定律之前,学员已经学习并掌握了欧姆定律,结合这一学情分析,基于BOPPPS教学法的教学实施过程如下。

(一)导言“B”

一堂课能否吸引学员的兴趣,很大程度上取决于导言的设计,因此BOPPPS教学法的第一个环节就是引入。该堂课通过道路有交通规则,道路上的车辆、行人要遵循一定的约束,引出电路中也有交通规则,电路中的电压、电流要遵循一定的约束条件,引出本节课授课内容——基尔霍夫定律。

道路图和电路图在外观形式上有一定的相似性,通过交通规则这一类比理解,从学员熟悉的常识出发,更容易激发学员学习兴趣,也更容易理解本节课要讲授的内容在电路中的作用。

此外,在导言环节,对基尔霍夫的主要成就进行简要介绍,通过基尔霍夫在年仅21岁时就提出了两个重要的电路定律——基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律,指出人类史上的很多重要创造、发明都是科学家在青年时期提出的,引导学员积极培育创新意识,在学习、生活、工作过程中主动思考现象、发现问题、解决问题,在导言环节合理地引入思政元素。

(二)学习目标“O”

学习目标是教学过程设计始终要围绕的中心,所有的教学环节都要为达到学习目标而服务。BOPPPS教学法要求提出的学习目标是可衡量的、可检测的,通过教学目标能让学员明确通过该堂课的学习能达到什么样的学习效果。

基于此,该论文提出了3个学习目标:(1)通过基尔霍夫电流定律的学习,学员能够对电路中任一节点列写KCL方程。(2)通过基尔霍夫电压定律的学习,学员能够对电路中任一回路列写KVL方程。(3)可综合应用欧姆定律、基尔霍夫定律列写电路的约束条件求解电路电压、电流参量。

这3个学习目标都是可以通过例题、习题进行检测的,学员也可明确通过本节课学习会列些电路的这些约束方程即可。

(三)前测“P1”

与传统教学模式不同,BOPPPS教学法明确提出了前测“P1”环节,通过前测可让教员更加充分地掌握学情,根据学员掌握情况可及时调整授课的详略点。此外,通过前测,也可以让学员自身了解到自己和该堂课“学习目标”的差距,进一步明确该堂课的听课重点。

因此,该论文在前测环节向学员提出了一个问题:有了欧姆定律,我们能干什么了?我们还不能干什么?直接回答这个问题较为抽象,在教学实施过程就可结合一个具体的例题来引导学员回答。例如,如图1所示,要求解电路中各支路电压(u2,u4,u5)和各支路电流(i1,i2,i3,i4,i5,i6)。

图1 前测“P1”环节引入例题

通过数学知识可知,要求解9个未知量,需要9个独立的方程,而学员自行列方程求解时会发现目前还只会用欧姆定律列写3个电阻元件的电压、电流约束方程,剩余的6个方程从哪里来?其实这待列写的6个方程就是电路本身的电流约束条件和电压约束条件,通过这一前测环节,既是对前面所学相关知识点的回顾,也是对该堂课授课内容的进一步引入,对学习目标的进一步明确。

(四)参与式学习“P2”

BOPPPS教学法要求以学员为中心,学员参与课堂的全过程,区别于传统教学过程中以教员讲授、灌输知识点为主的授课方法。在授课过程中多启发、引导学员的参与、思考,让学员自己总结得出一些重要结论,就会获得更好的学习效果。

1.学习内容1:基尔霍夫电流定律

以该堂课授课内容的基尔霍夫电流定律为例,教员可先讲授解析基尔霍夫电流定律的内容,引导学员将电路中的“支路”“节点”“电流”类比为生活中看得见、摸得着的“水管”“接头”“水流”,通过“流入一个接头的水流之和等于流出一个接头的水流之和”就可以更生动地理解“流入一个节点的电流之和等于流出一个节点的电流之和”,从而也可以进一步了解基尔霍夫电流定律的本质就是电荷守恒。

接下来,通过巧妙的例题设计,既可以初步检验学员是否可以对电路中的任意节点列写KCL方程(学习目标①),也可以通过列写方程的结果引导学员自行得出基尔霍夫电流定律的推广的内容,让学员充分参与到课程的学习中来。

2.学习内容2:基尔霍夫电压定律

与基尔霍夫电流定律的课程实施过程类似,教员可先讲授解析基尔霍夫电压定律的内容,引导学员将电路中的“电荷”“电压”“电势能”分别类比为学员更加熟知的“人”“高度差”“重力势能”等,通过“一个人沿任意路径回到原点,重力势能做功为零”,就可以更生动地理解“一个电荷沿任意回路回到原点,电势能做功为零”,从而也可以进一步了解基尔霍夫电压定律的本质就是能量守恒。

同样地,通过巧妙的例题设计,既可以初步检验学员是否可以对电路中的任意回路列写KVL方程(学习目标②),也可以通过列写方程的结果引导学员自行得出基尔霍夫电压定律的推广的内容,让学员有学习的获得感。

在这两部分内容的学习过程中,类比理解都可以配合PPT动画演示给学员更生动形象地展示这一过程。

(五)后测“P3”

后测环节“P3”也是BOPPPS教学法的一个重要特点,通过可衡量的检测方法,检测学员是否达到了该课堂的教学目标。

该课堂设计在后测环节继续沿用了前测环节“P1”的例题,如图1所示。在前测环节中,学员还只会应用欧姆定律列写3个方程,还有6个方程不会列写。通过该堂课的学习,学员就可以应用基尔霍夫电流定律对其中3个节点列3个KCL方程,应用基尔霍夫电压定律对其中3个独立回路列3个KVL方程,通过这9个独立方程就可以解出9个待求量。

通过这个例题既可以综合检验学习目标①②③是否达成,也可以让学员通过前测时还不会解题到后测时会解题这一过程获得该堂课的学习成就感,增强学员学习该门课程的信心和兴趣。

(六)总结“S”

总结环节“S”是对整堂课程的回顾与拔高。在该环节中,可让学员先总结回顾本节课教学内容,在学员回答的基础上,教员进行进一步的总结拔高,把该堂课所学知识点在电路课程中的重要性、与其他知识点的关联再系统阐述一遍。即欧姆定律和基尔霍夫定律对应了电路中的两大类约束条件,前者体现的是电阻元件本身的约束,后者则体现的是电路的拓扑结构约束,有了这两大类约束条件,原则上就可以求解所有的电阻电路。

通过这一总结环节,可以达到以下目的:①对该堂课课程内容的回顾;②阐述了该堂课在整个电路课程体系中的重要地位;③对前测环节“P1”中所设问题“有了欧姆定律,我们能干什么了?我们还不能干什么?”的进一步回答,使该课堂中所有的设问在课程实施过程中做到了闭环;④引发学员对后续电路课程的学习兴趣,有了这两大定律,原则上可以求解所有的电阻电路了,但实际上还有哪些困难?我们还需要学习哪些知识?

以上就是基于BOPPPS教学方法的整个课程实施过程。

四、结论

该论文以基尔霍夫定律为例,尝试了将BOPPPS教学方法应用到“电路”课程教学中,这种承上启下、环环相扣的6个教学环节不仅结构合理,而且较容易应用到各个知识点的课程设计中,在课程设计中有很好的指导作用和参考价值。

在基于BOPPPS教学方法进行课堂设计时也需注意以下几点:(1)6个教学环节不是孤立的,它们始终围绕学习目标进行设计;(2)6个教学环节的顺序不是一成不变的,一个环节中可以包含其他环节,各个教学环节也可能是重复出现的。

该教学模式始终做到了以学员为中心,学员从始至终都可以参与到整个课程实施过程中来,一方面可以活跃课堂氛围,另外通过前测、参与式学习、后测等环节的实时反馈,教员可及时调整授课的详略点,有利于提高课程的学习效果,达到教学目标。