BOPPPS教学模式在物理学专业“理论力学”课程中的实践

The Practice of BOPPPS Teaching Mode in “Theoretical Mechanics” Course of Physics Major

摘要: 目前地方师范院校《理论力学》课堂教学中存在学生参与度较低，学生主动学习的积极性差等问题，为有效缓解这些问题，将BOPPPS教学模式运用于课堂教学实践中。以“变质量物体的运动”为例，基于BOPPPS教学模式设计教学，构建闭环教学流程，转变学生的被动学习方式，在牢固掌握基本知识的基础上，培养学生科学的思维方式和严谨的科学认知态度，潜移默化中实现课程思政教育。

Abstract: At present, there are some problems in the classroom teaching of Theoretical Mechanics in local normal colleges, such as low participation of students and poor enthusiasm for students’ active learning. In order to effectively alleviate these problems, the BOPPPS teaching model is applied to classroom teaching practice. Taking “movement of objects with variable quality” as an example, this paper designs teaching based on the BOPPPS teaching mode, constructs a closed-loop teaching process, transforms students’ passive learning mode, and cultivates students’ scientific thinking mode and rigorous scientific cognitive attitude on the basis of a firm grasp of basic knowledge, thus realizing ideological and political education in curriculum imperceptible.

1. 引言

《理论力学》是物理学(师范类)专业的一门重要学科专业课和必修课，是普通物理力学的延续课，又是现代力学(量子力学)的基础，其基本概念、理论及方法具有较强的逻辑性、抽象性和实用性。通过本课程学习，掌握理论力学基本概念、理论和规律的同时，领会数学与物理间的紧密关系，能够运用数学工具解决具体物理问题，为后续相关课程尤其是其它理论物理课程的学习打下坚实基础，并培养一定的抽象思维能力与严密的逻辑推理能力，并为学生今后从事中学物理教学工作创造条件。

《理论力学》课程理论性强、学时有限、教学任务重，目前很多地方师范院校的教师主要关注知识的系统性，造成学习目标不明确，导致教学重点不突出、知识掌握不牢固，在解决实际问题存在困难；另外，“互联网 + 教育”蓬勃发展，《理论力学》依然以“灌输”式的传统讲授模式为主，致使学生参与课堂问题探究的时间不足，学生容易产生认知疲劳，只能被动式学习，成为知识“灌输”的器皿，逻辑思维能力和创新性思维能力得不到锻炼和加强，教师更不易得到及时反馈，持续改进教学方向不明确，这与“OBE”教育理念契合度不高。因此，有效提升学生知识掌握率，培养对力学的科研探究能力，是《理论力学》课程改革亟需解决的问题。数据显示，引入有效的教学模式对提升教学质量具有显著效果 [1] 。

为进一步落实“OBE”教育理念，突出以学生为中心，进一步提升地方师范院校《理论力学》课程教学质量，本文以“变质量物体的运动”为例，研究BOPPPS教学模型在《理论力学》课程教学中的实践。

2. BOPPPS教学模式

BOPPPS教学模式起源于北美，是一种以参与式学习为主导、能够准确聚焦教学目标达成的教学模式 [2] 。2014年该模式传入我国，目前已在不同学段、不同学科教学领域开展实践 [3] [4] [5] [6] 。它运用导入(Bridge-in)、目标(Objective)、前测(Pre-assessment)、参与式学习(Participatory-learning)、后测(Post-assessment)和总结(Summary) 6个模块构建闭环式教学体系。它着眼学生最近发展区，突出以学生发展为中心，注重科学思维培养，引导学生主动发现、探索、认知、理解新知，强调师生间互动和课后反思。六个模块组成闭环反馈模式，旨在打造高效课堂教学的同时，强化思政引领。

3. BOPPPS教学模式实践

为确保和提升师范类毕业生培养质量，聚焦“OBE”教育理念，整合课程中思政元素 [7] [8] [9] ，以“变质量物体的运动”为例(表1)，采用BOPPPS教学模式构建《理论力学》课程教学，注重物理思想和方法传授，加强学生的主动参与，有效提升课堂教学质量，高效达成课程教学目标。

Table 1. The elements of thought and politics in the teaching content of “movement of mass-changing objects”

表1. “变质量物体的运动”教学内容中的思政元素

基于超星学习通平台，落实学生为中心理念，聚焦教学目标，以BOPPPS教学模式为指导，《理论力学》课程采用线上线下相结合的教学方式，实现教学活动的空间和时间延伸。

3.1. 目标(Objective)

学习目标是课堂教学的纲，是课程教学目标的进一步细化，直接影响课程目标达成。它的主要目的是让学生知晓通过本节课学习，获取哪些知识，掌握何种能力。因此，学习目标的设立需要对接课程教学目标，做到明确、可达成、可检测。

学习目标分为知识目标、能力目标及素质目标。本节课具体目标：能够运用动量定理独立推导变质量问题的动力学方程，体会其中蕴含的矛盾论思想，锻炼严谨的逻辑思维能力；能够运用现代化信息工具检索、收集和分析整理变质量物体运动的物理问题，能够基于变质量物体的动力学知识进行初步解释。

课前，学习目标、预习知识要求及相关学习资料通过超星学习通发布至每个学生，使学生明确本节课的具体要求和基本学习内容。

3.2. 前测(Pre-Assessment)

前测的目的是了解学生的预习和先修知识掌握如何，为课上参与式学习开展做好铺垫。前测的方法多种多样，可以是问答题、选择题、判断题等。

本节课采用选择题方式开展，针对质点组的受力特点、质点组的动量定理、质心运动定律等内容进行考查。

3.3. 导入(Bridge-In)

通过导入引起学生关注，激发学习兴趣。课堂的开场如总是索然无味，学生对课程的兴趣逐渐消失，学习的积极性也会日渐消退，产生厌学情绪。为有效激发学生的学习兴趣，本节课采用视频方式播放我国航天巨变及介绍部分为我国航天事业做出突出贡献的科学家事迹，实现人文积累和家国情怀培养的同时，指出火箭升天过程是质量不断变化的运动，引出本节课学习任务，课程教学内容有效导入。

3.4. 参与式学习(Participatory-Learning)

3.4.1. 火箭运动分析

引导学生分析火箭运动：火箭发射点火后，燃烧燃料，随后把燃烧过的废气逐渐向外喷出，火箭本身质量随之变化来增加运动速度。

引导学生分析质心运动定理式(1)和质点组动量定理式(2)和式(3)的区别和联系：

$F=m\frac{\text{d}{v}_c}{\text{d}t}$ (1)

$F=\frac{\text{d}\left(m{v}_c\right)}{\text{d}t}$ (2)

$F\Delta t=p^{\prime }-p$ (3)

其中 $F$ 为物体受到的外力矢量和，m为物体总质量， $v_c$ 为质心速度， $m{v}_c$ 为物体总动量，t为时间，Δt为变化时间间隔， $p^{\prime }$ 和 $p$ 为物体始末动量。

学生分析结果：质心运动定理适用于质量恒定的物体运动，更具特殊性；质点组动量定理适用于任何物体，更具普遍性；因火箭质量随时间变化，因此采用质点组动量定理研究变质量物体的运动规律。

3.4.2. 推导变质量物体运动的动力学方程

设t时刻物体质量为m，受到外力矢量和为 $F$ ，速度为 $v$ (v≪光速c)，同时刻微小质量Δm运动速度为 $u$ ，在Δt时间间隔内与m合并，合并后共同速度为 $v+\Delta v$ ，学生根据式(3)自行推导变质量物体的动力学方程：

$F\Delta t=\left(m+\Delta m\right)\left(v+\Delta v\right)-\left(mv+\Delta mu\right)$ (4)

考虑主要矛盾，忽略次要矛盾，即展开略去二阶微量 $\Delta m\Delta v$ ，除以Δt，并使 $\Delta t\to 0$ ，

$F=\frac{\text{d}}{\text{d}t}\left(mv\right)-\frac{\text{d}m}{\text{d}t}u$ (5)

此即变质量物体动力学方程。

学生自行推导的过程中，实现对辩证思维、解决问题、审美能力、知识运用等思政元素的培养。

3.4.3. 知识运用与拓展

知识运用(完成任务)：教师引导学生运用变质量的动力学方程得到火箭的运行速度。

$v=v_r\ln \frac{m_0}{m}$ (6)

其中 $m_0$ 为火箭发射前质量， $v_r$ 为放出物质相对火箭的速度。

若 $m_0=m_s+m^{\prime }$ ， $m_s$ 表示空火箭(包括仪器和外壳等)质量， $m^{\prime }$ 表示放出物质(燃料)总质量，燃料燃尽时火箭具有速度：

$v=2.3v_r\lg \left(1+\frac{m^{\prime }}{m_s}\right)$ (7)

知识拓展：若 $v_r=2\text{km}/\text{s}$ ，火箭达到第一宇宙速度需 $\frac{m^{\prime }}{m_s}\approx 100$ ，考虑地球引力和空气阻力影响，这

个比值需更大，因此采用多级火箭方案发射地球卫星等航天器，即一级的燃料燃烧尽后就脱离火箭，提升火箭速度，目前多采用三级(或四级)技术 [10] 。

3.5. 总结(Summary)

围绕本节课学习目标，引导学生回顾总结“变质量物体的运动”的知识内容，帮助学生形成总体认识，构建知识结构，做到系统化、精炼化。同时，反复强化学生探索问题的科学方法与思想，提升分析和解决实际物理问题的能力。

3.6. 后测(Post-Assessment)

为了考查学生对课程知识掌握情况，评价是否达成既定学习目标，需设计一些针对性较强的测试题来测评。为确保课堂教学效率及教学效果，课后通过线上方式开展。利用超星学习通以选择题、讨论题的方式来检查和判断。选择题以知识点考查为主，讨论题以我国航天发展及航天巨匠的精神和功绩为主，进一步加强信息检索、收集和分析整理能力的培养以及家国情怀的教育。

4. 实施效果分析

4.1. 突显学生学习主体地位

以BOPPPS教学模式为指导，采用线上线下相结合的教学方式，教师由“演员”转变为“导演”，需要精心设计学习方案、引导学生课上均积极参与教学，演变成提出问题、讨论问题的“演员”，角色转变，突显学生学习主体地位；但这就要求教师不仅要熟识课程内容，还要具备很强的课堂掌控能力。对于学生无论是自主学习能力、思辨能力，还是提出、分析和解决问题的能力都有较明显的提高。

4.2. 教学模式实践确有成效

Table 2. Online and offline combined teaching recognition questionnaire under BOPPPS teaching mode

表2. BOPPPS教学模式下线上线下相结合教学认可度调查表

表2是基于BOPPPS教学模式的线上线下相结合的混合式教学认可度调查表。采用不记名形式的网上问卷调查。从表2各项数据看出，BOPPPS教学模式活跃课堂教学气氛，提升学生课堂参与度，提高学生分析、解决问题的能力等，但基于BOPPPS教学模式的线上线下相结合的混合式教学认可度总认可度还只是72%左右，说明还需改进提高。

4.3. 期末考试成绩提升

期末考试是检验课程学习质量的重要手段，表3是2019级和2020级期末考试成绩对比，其中2019级为未采用BOPPPS教学模式年级，2020级为采用BOPPPS教学模式年级。对比结果发现，虽然期末考试平均分增长仅2.67分，但70分以上学生比例增幅明显，由41.6%增至57.6%，这说明基于BOPPPS教学模式的线上线下混合式教学实践明显促进了大部分同学期末考试成绩的提高。

Table 3. Comparison of final exam scores between 2019 and 2020 grades

表3. 2019级和2020级期末考试成绩对比

5. 结论

本文基于BOPPPS教学模式、采用线上与线下相结合的思路设计课堂教学，并以“变质量物体的运动”为例将BOPPPS模式应用在课堂教学中.通过研究和实践，BOPPPS教学模式在实际教学中具有很强的操作性，注重以学生为中心，充分发挥学生主观能动性，强调师生之间的良性互动，强化学生解决问题、勇于创新、协作交流等方面的能力的培养，在潜移默化中强化思政引领。同时，BOPPPS教学模式只是一种构建课堂教学的基本框架，在实际教学中，根据教学现状、教学内容、教学资源、教学对象等因素对该框架做出适时调整和改进。教学质量的提高直接关系人才质量的培养，因此，作为地方师范院校的高校教师，要敢于尝试和创新，做好经验总结，逐渐完善，向着打造适合地方师范院校的《理论力学》“金课”的方向努力。

基金项目

2020~2021年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目(2020GJJG358)；2023年度河北省应用技术大学研究会课题立项(JY2023024)；保定市教学科学研究“十四五”规划课题(232015)；2022~2023年度保定学院教育教学改革研究与实践项目(2022BYJG018)。