基于BOPPPS教学模式的高效课堂教学设计——以“伽利略对自由落体运动的研究”为例

梅宇航 陆建隆

(1. 江苏省镇江第一中学,江苏 镇江 212013；2. 南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210097)

伽利略对自由落体运动的研究不仅揭示了自由落体运动的规律,其蕴含的科学思维方法、展现的科学精神更是不断推动着人类的进步,斜面实验也在2002年被评为“最美丽的十大经典物理实验”.但在传统教学中,受本节实验难度过大,知识点较少的影响,老师往往交给学生自己阅读,简单了事,结果造成学生对科学思想方法缺乏认知与体验.本文基于BOPPPS教学模式进行模块化教学,有机构建“伽利略对自由落体运动的研究”教学框架,通过“还原”历史,追寻大师“足迹”,通过增加教学互动环节,提高学生课堂参与度,通过引领学生思维,培养学生科学思维能力与实验探究能力,使理论与实验,思想与方法有机结合,进而提升学生的学科核心素养,实现高效果、高效率、高效益的多元化教学目标.

1 BOPPPS教学模式

BOPPPS教学模式起源于加拿大青年教师技能培训体系,由于教学效果显著,可操作性强,引入国内后逐步应用在微课教学、翻转课堂等大中小学课堂[1],该教学模式分为六个环节,分别为导入环节(Bridge-in)、目标展示环节(Objective)、前测环节(Pre-assessment)、参与式学习环节(Participatory Learning)、后测环节(Post-assessment)、总结环节(Summary),简称BOPPPS[2],六个环节相互串接,有机构成课堂教学框架.由注意力曲线规律可知,学习者注意力高度集中时间不超过15 min,所以每个环节不宜过长,另由学习金字塔理论可知,学生只有参与到学习中,才能有较大的学习效果,所以本模式注重学生课堂投入度,注重师生、生生交流.BOPPPS教学模式的基本结构与各模块作用、注意事项如表1所示.

表1 BOPPPS教学模式的基本结构与

2 基于BOPPPS教学模式的教学设计——以“伽利略对自由落体运动的研究”为例

2.1 破“重比轻快”

(1) 导入环节.

师生共同回顾自由落体运动知识,得出轻重物体在真空中下落快慢相同的结论,接着教师播放课前准备好的采访视频,视频中的人物有学校保安、街头商贩、公司白领、小学生等,结果发现即使在2400多年后的今天,人们还是普遍认为重的物体比轻的物体下落的快,其中原因引起了学生探究的兴趣.

设计说明:通过轻重快慢问题的讨论,引起学生的思维冲突,为亚里士多德的“平反”做好铺垫,同时也使学生更体会到伽利略的伟大.

(2) 目标展示.

(a) 理性客观的评价亚里士多德及其他的研究方法

(b) 领悟伽利略的“归谬法”

(3) 前测环节.

通过课前布置作业,让学生介绍亚里士多德在学术界的成就

(4) 参与式学习.

作为BOPPPS教学模式的核心环节,为突出学生的主体地位,教师邀请班级两位同学分别扮演亚里士多德和伽利略,通过角色扮演,让两个伟人进行跨时空的对话,使学生领悟“归谬法”的巧妙,感受逻辑的力量.

亚里士多德:世界上物体的运动都有其独特的规律,比如当物体从高空落下时,重的物体比轻的下落的快,这也是我观察很多现象得出来的结论,比如石头与树叶同时释放,石头先落地.这种显而易见的真理不容怀疑.

伽利略:额,可是,伟大先哲亚里士多德先生.

亚里士多德:伽利略,你有什么疑问吗?

伽利略:我很崇敬您,可是根据您的理论,我有个疑问

亚里士多德:说.

伽利略:这是两个轻重不同的物体,一个4磅,一个是8磅,根据您的理论,应该是8磅的物体下落快.

亚里士多德:这是显然的.

伽利略:当我把他们绑在一起,由于轻的物体下落的慢,所以4磅的物体会拖住8磅的物体,整体的运动会减慢.

亚里士多德:没有问题,你是对的.

伽利略:可是,整体是12磅,比8磅重,整体的运动会加快啊,这就和您的理论矛盾了,该怎么解释呢?

亚里士多德:额, 我完全被你搞糊涂了,这只是你的想象罢了,重快轻慢的原理,是经过无数眼睛检验过的.

伽利略:这不是想象,这是逻辑.

亚里士多德:好吧,就用你的理论解释一下,你认为物体是怎么下落的?

伽利略:我认为如果没有介质阻力的情况下,轻的物体将和重的物体下落一样快.

亚里士多德:你的根据是什么?

伽利略:在我的书中《关于两种新科学的对话》有详细的记载,留给同学们回答吧!

(5) 后测环节与总结环节

教师通过问题引导,让学生讨论总结出亚里士多德“观察事实——经验总结”的研究方法,知道其局限性,同时也深刻的体会到“逻辑的力量”.

2.2 立“轻重一样快”

(1) 导入环节.

师:伽利略认为日常生活中“重比轻快”的原因是什么?

生:空气阻力的影响.

师:伽利略在无法创造真空环境的情况下,如何探讨阻力的影响?

设计说明:提前探讨阻力因素对落体运动的影响,符合物理史实,也使本教学设计更有逻辑性.

(2) 目标展示.

(a) 理解伽利略“实验事实+逻辑推理”的科学实验方法

(b) 体会实验中突出主要因素忽略次要因素的重要性

(3) 前测环节与参与式学习.

教师提供《关于两种新科学的对话》中截取内容,供学生交流讨论伽利略如何排除空气阻力的影响.

萨尔维亚蒂:……我们已经看到不同比重的物体速度之差在那些阻力最大的介质中是十分显著的;例如,在水银介质中,黄金不仅比起铅来沉底更快,而且它根本是仅有的下沉的物质;所有其他的金属和岩石都漂浮在表面.另一方面在空气中黄金、铅、铜、岩石以及其他重材料的球之间速度的变化是如此的微小,从100库比特高(1库比特约0.5 m)下落的黄金球一定不会超前黄铜球四指宽.观察到这一点,我得出的结论是:在完全没有阻力的介质中所有的物体以相同的速度下落……

(4) 后测环节与总结环节.

教师用PPT展示伽利略在《关于两种新科学的对话》中对阻力的讨论,见图1,由组长汇报不同的物体在水银和空气两种介质中的下落情况[3],得出结论,如果排除空气阻力的影响,轻重不同的物体下落的一样快,在此过程中,学生再一次感受逻辑的力量,同时也体会到科学研究中,懂得忽略什么,有时与懂得重视什么同等重要.

图1 伽利略对阻力影响的讨论示意图

2.3 对落体运动进一步研究

(1) 导入环节.

师:伽利略并不满足已有的发现,继续研究自由落体的规律是什么,在生活中物体下落的速度有什么特点?

生:讨论回答随下落高度增大而变大或随下落时间的增加而变大.

师: 伽利略相信自然界的规律是简洁明了的,这一定是最简单的变速运动[4],由此得出假设v∝t或者v∝s.那么哪一种更合理呢?伽利略充分运用数学才能,推导后发现如果v∝s,结论将非常复杂,从而转向证明v∝t.他又是怎么利用逻辑的力量得到此结论呢?

(2) 目标展示.

(a) 通过改“速度与时间关系”到探究“位移与时间”关系,体会转换变量在科学研究中的妙用.

(b) 知道伽利略如何解决时间测量的问题.

(c) 体会伽利略斜面实验的巧妙之处,通过小组合作验证“位移与时间”关系.

(3) 前测环节.

要求学生利用匀变速规律,推导v∝t情况下“位移与时间”的关系,得到s∝t2.

(4) 参与式学习.

尝试直接进行落体实验,教师拿一钢球使其无初速度落下,学生用电子秒表测量时间,仍然不易得到准确下落时间,学生形成认知冲突,教师此时展示斜面实验油画,再现伽利略实验方案,学生发现冲淡重力后,时间测量起来方便很多,教师接着介绍自制仪器,示意图见图2,由学生分组实验探究不同倾斜角度下(倾斜角度不宜过大),钢球位移与下落时间的关系,见图3.笔者发现定时测距方案误差较大,建议采用定距测时方案.

图2 斜面实验示意图

图3 学生分组实验

通过实验,学生总结如下:

(a) 小球沿斜面滚下的运动是匀加速直线运动.

(b) 不同质量、不同高度、只要倾角一定,小球的加速度都是相同的.

(c) 小球的加速度随斜面倾角增大而变大.

教师进一步提问如何得出物体下落是加速度相同的匀加速直线运动?让学生自由讨论,大胆、合理的外推,再一次灵活利用“数学逻辑推理方法”得出结论.

(5) 后测环节与总结环节.

师:回顾伽利略对自由落体运动规律的研究,用到什么科学方法?你领悟到什么科学精神?

教师引导学生归纳总结,将研究过程概括如图4,通过梳理各阶段中的科学方法和科学思想,让学生感受伽利略对物理学的贡献,感受到伽利略的人格魅力,将科学方法与科学思想内化于心.

图4 伽利略的研究过程

3 结束语

“伽利略对自由落体运动的研究”一节蕴含着丰富的教学资源,借鉴BOPPPS教学模式进行教学设计,不仅仅使学生身临其境,而且能更深刻领悟大师的科学精神,科学方法,对于培养学生的数理逻辑与科学思维、批判性思维大有益处,这在核心素养背景下培养学生各方面素质具有重要的现实意义.