基于BOPPPS的新工科課堂教學設計

張琴 周福娜 向陽

摘要 堅持立德樹人根本任務，以新工科建設為引領，聚焦課堂教學創新，文章提出基于BOPPPS的新工科課堂教學設計。首先分析了學生在課堂中的注意力曲線，采用增強學生互動的書架式BOPPPS策略；然后詳細闡述了BOPPPS六個環節的含義和設計準則，并重點分析了教學目標的參與式學習安排；最后以“負反閉環饋控制系統”課堂為例，具體說明了BOPPPS課堂教學設計的具體方法。結果表明，BOPPPS能使學生深入參與課堂學習，有效改進了注意力分散的情況，高階能力有所提升。

關鍵詞 新工科；BOPPPS；教學目標；參與式學習；課堂設計

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.7.020

《中國教育現代化2035》強調堅持立德樹人根本任務，落實“以本為本、四個回歸”的要求，以“新工科、新農科、新醫科、新文科”建設理念引領，聚焦教學創新，引導教師潛心教書育人，形成卓越教學的價值追求和自覺行動。

1國內外的課堂教學創新模式

Liu等（2016年）比較了無干預和非混合學習的效果，得到混合學習對衛生專業學習者是有效的，并且測試前后的研究設計、練習和客觀結果評估可以改善醫療保健學習者的知識獲取[1]。Adi等（2020年）調查發現，混合學習與基于項目的學習活動相結合可提供各種學習資源來促進學習[2]。Wang等（2021年）選擇上海交通大學口腔醫學院的28名學生作為研究對象，發現基于問題的學習（Problem Based Learning，PBL）顯著提高了學生在理論課上的自主學習能力[3]。Ma等（2021年）研究了混合學習中結合導入、學習目標、前測、參與式學習、后測、總結的BOPPPS模式（Bridge-in、Objective、Pre-assessment、Participatory Learning、Post-assessment、Summary）的教學方法可以激發學生的積極性和興趣，提高學生的學習技能和學習動機，提高自主學習能力、學業成績和教學質量[4]。

楊嬌（2019年）按照BOPPPS模型基本結構中的6個階段設計“大學計算機基礎”課程的教學內容，以學生為中心，化被動學習為主動學習，有效培養學生自主學習的能力[5]。陶丹丹等（2020年）采用BOPPPS模型設計“多速率數字信號處理”課堂教學，提高教學設計質量、激發學生的學習能動性[6]。謝微等（2021年）通過整合“BOPPPS”與“PBL”兩種教學模式，推進教學從“課堂內”向“課堂內外結合”，強化學生學習的主動性，達到將專業教育與應用型人才培養有機結合的目的，實現教學效果最大化[7]。鄭燕林和馬蕓（2021年）驗證了BOPPPS在線教學情境下能促進學生真正參與課堂教學，是較好提升教學質量的參與式教學實踐策略[8]。

2課堂教學創新模式分析

秉承習近平總書記在全國教育大會上的重要講話：“堅持改革創新，以凝聚人心、完善人格、開發人力、培育人才、造福人民為工作目標，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”。學校確立以學生發展為中心的教學理念，引入新工科和產學研結合的教學內容，開展分層型和導向性的教學過程，采用過程性和同伴評的考核方式，以及多樣化和信息化的教學資源，解決教與學的痛點問題，實現對學生的知識引領、能力塑造、素質培養的教學目標。其中研究激發學生的學習能動性，促進學生深入參與教學全過程的課堂教學創新模式是重中之重。

但在傳統課堂學習時間里，學生注意力有2/3的時間處于低專注力階段，導致學生無法及時有效地掌握課堂知識。所以要想提高學生對課堂的注意力，需要采用書架式策略[9]。通過教師講授與學生主動學習策略交叉進行，增強了與學生的互動，促進學生積極參與課堂活動，其中一項有效的書架式策略就是BOPPPS。

BOPPPS模型由加拿大英屬哥倫比亞大學（University of British Columbia，UBC）的Douglas Kerr于1978年所提出。其理念是以學習者為中心，強調學習者的積極參與，不斷調動學習者的學習熱情，使其真正成為自主學習的主人。BOPPPS教學模式對不同的學科都有很強的適應性和可操作性，在此以電氣系的專業必修課“自動化儀表與過程控制”為例進行BOPPPS教學設計。

3“自動化儀表與過程控制”的BOPPPS設計

BOPPPS是Bridge-in導入、Objective學習目標、Preassessment前測、Participatory Learning參與式學習、Postassessment后測、Summary總結等六個環節的英文單詞首字母，這六個環節構成一個完整而有效的課堂教學過程，每個環節都為教學目標的實現而服務。

3.1 Bridge-in導入

導入的目的是在教學活動中提高學生的注意力，以及凸顯課程內容與學生之間的關聯，讓課堂內容成為應用的技能。導入的形式可以是：與課程主題相關的音頻視頻，或者是拋出與事實和生活相關的問題，或者和已經學過的內容或未來將要學的內容進行知識銜接。

以“負反饋閉環控制系統”這節課為例，導入蛟龍號的視頻，通過介紹蛟龍號是我國自行設計、自主集成研制的載人潛水器，可在海山和熱液噴口等復雜海底進行正確就位，為深海探礦、生物考察等提供可靠保證。可見潛水器的位置控制相當重要。

3.2 Objective學習目標

學習目標就是要明確課堂結束后學生能獲得什么，且這種獲得是可測量的或能夠被觀測到的。以學習目標為核心的效能檢測是BOPPPS課堂教學的最終落腳點，整個課堂主要由課堂問題導入誘發，核心是師生之間圍繞問題解決的參與式互動[10]。要建立吳巖司長提出的“兩性一度”標準的金課，就需要多設置分析、評價、創造式的高階性目標。在此采用SMART原則撰寫，S代表的是具體的不能是模糊的，即教師和學生都要清楚地知道學習目標是什么；M是可測量的，學習目標是可以被教師觀察檢驗的；A即通過學生的努力可以達到的目標；R即相關的，應該讓學生能夠明白其中的理論意義和應用價值；T即要確保學生能夠及時和按時完成。

具體如“負反饋閉環控制系統”中有三個教學目標：①通過本節課學習，每個人能清晰復述閉環控制系統的定義；②在課堂上，每個同學能設計出實現精準控制的閉環位置控制系統；③課后通過考察偏差變化，小組能完整分析負反饋閉環系統的控制過程，并應用于潛水器的定高與定深位置控制。

3.3 Pre-assessment前測

在“自動化儀表與過程控制”混合式課程中，單人或小組做是非、選擇、問答、思維導圖等題前測線上課內容和PBL小組作業，完成線上到線下課的過渡，通過前測教師會得到很多信息，比如：學生已經知道哪些知識，教師是否需要調整學習的深度和速度，學生感興趣的內容有哪些。而對于學生來說，前測將喚起以前的知識，可以通過復習以前的知識獲得自信，并且評估自己可以獲得改善的地方，以便澄清概念、集中注意力。

“負反饋閉環控制系統”中的前測是線上課小組查找壓阻式壓力傳感器的應用領域并繪制思維導圖。同學們回顧了壓阻式壓力傳感器的結構和測壓原理，完成線上線下的過渡銜接。從中教師能了解學生對線上知識的掌握程度，學生對差壓液位計是否感興趣，進一步拋出問題“蛟龍號利用壓力傳感器檢測海底高度時，如何在深海進行位置控制呢？”來引導學習。

3.4 Participatory Learning參與式學習

參與式學習是在課堂上用時最多的環節。對老師來說，詳細計劃可實行的參與式學習活動，可使學生的學習效果最大化，而對于學生來說，也會為了達成學習目標而積極參與學習。重視主動學習的參與式教學包括師生互動和生生互動，主要方法有演示、簡短的應用練習、拋出問題、分析問題、解決問題、案例分析、角色扮演、實驗仿真。

“負反饋閉環控制系統”中的參與式學習包括：講授學習、小組討論、深度學習、小組討論角色扮演、深度學習。首先由傳感器和控制器芯片入手講授蛟龍號的位置控制系統設計思路；當位置開環系統的抗干擾能力較差，無法實現位置的精準控制時，思考如何改進控制系統呢，進而深度學習閉環控制系統和負反饋概念，引導學生思考如何進行偏差運算來構成負反饋控制系統。通過小組設計潛水器的位置閉環控制系統，采用角色扮演閉環控制四要素并分析控制過程，充分的互動讓學生深入參與到教學中來；最后通過Simulink仿真驗證控制效果，并和開環系統比較，達到實踐是檢驗真理的唯一標準的目的。

3.5 Post-assessment后測

后測的內容包括2部分，一是基礎知識與理解，可通過選擇、判斷、配對、填空、簡答等來進行，采用學習通進行統計；二是熟練的應用或者分析案例等。通過后測教師會得到學生學會了什么、預期目標是否達到等信息，同時學生會有三部分收獲：①學習到了什么？②哪些知識重要？③存在哪些問題？

在“負反饋閉環控制系統”課堂中，學生學習了設計和分析蛟龍號的定深控制后，后測學生設計蛟龍號定高控制系統的思路和過程，查驗學生對閉環控制系統的原理和分析是否掌握并能熟練應用。

3.6 Summary總結

教師和學生一起總結本節課的重難點，再次反思學習目標是否達到。對本次課的內容進行快速復習總結的作用是承前啟后，既對本節課的內容進行梳理，又對后續內容進行引述。總結的內容和形式可以是師生一起總結概括、小組總結一分鐘反饋，相關思政教育延伸，并預告下節課的內容。

“負反饋閉環控制系統”學習了三部分內容：①設計開環系統能實現位置控制，但無法精準控制；②復述閉環控制系統的概念，設計閉環位置控制系統；③分析負反饋閉環系統的控制過程，根據偏差控制可消除偏差達到期望值。從蛟龍號到奮斗者號成功坐底馬里亞納海溝深度10909米，達到國際最大下潛深度，代表我國的深海裝備系統自主創新的進一步提升。

4教學效果

在“自動化儀表與過程控制”的每節線下課采用BOPPPS來組織教學設計。1分鐘導入工程應用、學科熱點、社會需求等，可以是深海潛水器的位置控制系統設計，助老機器人控制系統設計等。0.5分鐘明確學習目標：學習理論方法和應用實例、掌握控制理論的推導過程和儀器儀表的結構原理、提高設計控制方案解決問題的能力。4.5分鐘前測：了解學生的線上學習情況，銜接前一節課小組PBL作業。33分鐘參與式學習：拋出問題引發學生思考和小組討論，通過案例分析問題，進一步提出問題幫助學生深度遷移學習，經由角色扮演、編程仿真、翻轉課堂分享分析問題的過程。2分鐘后測：通過是非、選擇、簡答、反思日志等評估學生的學習結果，是否達到學習目標。4分鐘總結：內容總結、延伸學習，科學的研究方法和質疑精神，生產裝備的國產化，科技興國的使命擔當。

2017年至2021年在電氣系高年級的“自動化儀表與過程控制”課程中實行BOPPPS課堂教學設計，四個學期考核成績的比較如圖1所示。從2017年開始，考核不及格的學生比例顯著下降，及格、中等和良好學生的占比有所上升，特別是2021年的優秀率達到了21%，可見采用BOPPPS課堂教學設計實現了教學目標，能有效提高學生對知識的理解、掌握和應用能力。表1（p67）則進一步說明了BOPPPS課堂策略的良好效果，92.31%的學生贊同課堂以學生為中心，84.62%的學生反映課堂中的學生互動形式多樣，教師能較好地分配時間進行理論講解和實踐分析。也有一半學生希望教師能更好地突出重點化解難點，全面提升學生的創新能力，可見學生對問題的思考和對自己能力的提高都有了高階的認識，對老師也提出了高要求。

5結語

本文以激發學生學習主動性的新工科建設為創新目標，對“自動化儀表與過程控制”課程進行BOPPPS課堂創新設計，以“負反饋閉環控制系統”課堂教學為例，詳細闡述了BOPPPS的設計方法。特別突出了教學目標和參與式學習兩部分的設計，可讓學生明確在時間等條件限制下具體的學習目標及完成度；而在30分鐘左右的參與式學習中，教師充分調動學生課堂參與度的積極性，不斷提高學生的注意力，促進學生不斷思考，進而推動問題的解決，最終實現以學生的知識引領、能力塑造、素質培養為中心的教學目標。

基金項目：2021年上海市教育科學研究一般項目“科教融合的未來港口物流智慧孿生仿真平臺及其應用”（C2021072）；2022年上海高校市級重點課程“現代控制理論基礎”線下課程建設（2022192）。

參考文獻

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