BOPPPS教学模型在电子技术实验课堂的应用实践探究

汪洋堃，王自珍，张 峰，张士文

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

电子技术实验是高等院校面向大电类专业本科生开设的重要专业基础实验课［1］，培养学生从事工程技术所需的电子电路分析技能和实践应用技能［2-3］，锻炼解决从简到难的电子系统设计、测试、调试等系列复杂工程问题的能力，形成严谨的科学研究实验方法和自主探索创新的实验思维［4］。对大电类专业学生实践类课程学习习惯的养成以及后续的课程学习、创新实践探索、科研工作均有裨益。

实验课堂上授课有两种极端化现象：过多重申理论知识，压缩学生的动手操作时间，课上完不成实验任务；
不做讲解或只讲解操作步骤，学生并不清楚操作步骤背后的原因或为何禁止某些操作，缺乏自主思考过程，实验后很快忘记。

通过实验教学观察发现，现有的电子技术实验教学多数采取课上重述理论课知识，然后布置大量的验证性课堂操作任务，学生自由操作练习，通过课后实验报告评判学生学习效果的方式，这样的教学模式在许多方面存在改进空间：

（1）没有建立理论知识与具体实践间的桥梁，学生课堂上自主消化慢，导致课堂实验效率不高。

（2）学生课上照图接线，课后实际知识留存率低［5］。

（3）通过传统纸质实验报告的方式学生得到实验结果正确与否反馈周期长，且通常只关注实验结果的正确性，缺乏了解电路的实际应用等拓展知识。

（4）课堂遇到非预期实验结果等问题依赖教师解决，学生课堂学习的主观能动性缺少调动［6］，学习效果欠佳。

针对上述问题，提出BOPPPS 教学模型与在线教学平台相结合的线下线上混合式电子技术实验教学探索，结合线上教学平台，包括好大学在线（CNMOOC）、自主开发的虚拟仿真平台、在线测量教学辅助平台，能有效地改善这些现象。

BOPPPS（Bridge-in，Objective／Outcome，Preassessment，Participatory learning，Post-assessment，Summary）教学模型［7］自Douglas Kerr 在1978 年提出以来，在全球各级各类学校教学中广泛采用，包含6 个环节［7-8］：①导入（Bridge-in），②设置教学目标／明确学习效果（Objective／Outcome），③前测（Preassessment），④参与式学习（Participatory learning），⑤后测（Post-assessment），⑥总结（Summary）。

1.1 导入环节

在电子技术实验教学中，导入环节可以介绍与本次实验内容相关的事例／技术发展进程／实际应用场景等［8］，来吸引学生注意、激发学习热情。

在导入环节还应传递相关工程意识和理念：实践类课程并非按照理论接线搭建电路就理所当然的一定得到预期结果，实验中遇到非预期的输出是常见且宝贵的学习机会，正是实践搭建起理论知识到实际工程应用之间的桥梁。分析问题、定位问题、解决问题的过程不仅有助于巩固理论知识、积累工程经验，同时能培养学生耐心钻研、勇于克服困难的品性，锻炼解决实际问题的综合能力。实验课是环环相扣的复杂系列过程，首先需要论证电路原理正确可行，在具体电路搭建和接线时需要确认组成电路的元件、导线等各个组件正常工作；
再者在测量调试时，需要掌握相关仪器的设置和使用方法；
更重要的，在实验中遇到未知问题需要有足够耐心和充分努力去解决问题，这其中任何环节的缺少都难以得到有效的实验结果。

1.2 设置教学目标环节

设置明确的教学目标，让学生清楚知道经过本次课程学习后可达到的学习效果［9］，例如：“能使用555定时器进行参数设计，产生常用频率的稳定方波”，而不是“掌握555 芯片用法”这样模糊的教学目标要求。

同时可以设置多层次的目标［10］，针对不同专业基础背景、不同学习层次的同学（结合前测环节了解学生的背景知识能力），设置分层次的课堂任务，例如：

（1）使用1 片74LS160 芯片，利用超前进位输出端，接成预置式6～9（模4）计数器。

手术完毕后仔细检查甲状旁腺，同时根据具体情况进行以下处理：(1)对可疑的甲状旁腺组织，切取部分送术中冰冻，确认为旁腺后自体移植。(2)如甲状旁腺血供良好，呈淡黄色或棕色，行原位保留。(3)如甲状旁腺变为暗紫色，用注射器针头穿刺或尖刀片切开其包膜，如颜色仍无好转，及时切除后行自体移植。(4)明确为误切的甲状旁腺行自体移植。移植方法为：将甲状旁腺切成约1 mm大小组织块移植于同侧的胸锁乳突肌或带状肌内。

（2）使用2 片74LS160 构成模为15、计数范围为本人学号后两位ab～ab+14 的计数器。

（3）使用1 片74LS160 芯片实现0～7 计数（置数方式不限），结合课程已学的74LS138 芯片，实现8 个LED的流水灯效果（每次有1 个LED灭，7 个LED亮，且灭的这一个向某个方向依次传递，往复循环）。

（4）效果同任务3，但电路的信号源采用555 芯片自主产生1 kHz的方波（不使用外接信号源）。

这样阶梯式的目标明确的课堂任务让不同层次的学生从简单到复杂渐进地掌握相关知识，从局部到整体认识复杂电路的构成，不但掌握某个的芯片具体使用方法，也实践了不同芯片之间的组合应用，实验结果直观且有一定的实用性。即使只完成了部分基础内容，也可以前瞻到后续的可能应用效果。

1.3 前测环节

前测环节教师可借助扫码问卷调查、雨课堂投票、CNMOOC在线客观题测试等［11］，了解学生实验预习情况和先备知识掌握情况［12］。例如，在“运算放大器的应用”实验前测，预习花费时长和预习效果自我评估结果如图1 所示。

图1 实验前测环节反馈示例

在教学实践中发现，工科大平台不同教学班的学生专业基础背景和学习层次存在差异，根据前测环节学生的反馈，可针对学生在原理知识／动手操作薄弱处着重讲解，同时也设置适当的阶梯式课堂任务内容，既让已经熟悉基础内容（知识点原理、硬件操作、仪器使用等）的学生通过相关任务充分锻炼进阶能力，也让初步接触本实验课程的学生能循序渐进的掌握实验基础要领。

1.4 参与式学习环节

课堂上除了独立动手参与实验外，电子技术实验设置了学生之间的互动沟通，例如，在“单管放大电路”实验中设置电路调试训练来强化学生对三极管静态、动态工作状态的理解和掌握。在静态工作点的基础上，断开或短路三极管电路周边的元器件，通过观测、分析电路重要节点的波形变化来定位故障位置和类型。学生两两一组随机给对方设置若干个电路故障，学生尝试分析解决。在该课堂实践中发现，学生饶有兴致的争先尝试，学习主动性被充分调动。而线上互动——课前借助CNMOOC 线上平台发布相关客观题和讨论区开放思考题，学生在实验课堂中自主观察实验现象，引导学生总结归纳。

在课程后期，学生两人一组自由组队各有分工，三周内共同完成一个综合项目，例如：基于FPGA的数字显示温度计、基于RLC谐振的金属直径／距离测量、精密超声波测距等，教师随时答疑、检测验收，其中的优秀作品选送学期末的作品竞展。这样的课堂和课外互动增强了同学的沟通协作技能，充分调动了学生的主观能动性，将平时练习的基础实验电路融合应用在具体的实际项目当中。

为提升学生参与式学习体验，课程组开发了虚拟仿真平台（https：∥vlab.sjtu.edu.cn／ goods／show／6？targetId ＝14＆preview ＝0）和在线测量教学辅助平台（http：∥172.168.14.7／piyue／index.html）。在虚拟仿真平台中，如图2 所示，学生可通过外网登陆访问，随时随地在线搭建电路，运行即可看到仿真结果，可便捷地尝试实物电路中不便实现的故障现象［13］，分析现象和原因。在预习时使用该平台有助于提前熟悉电路结构，辅助分析理论结果，提升课堂实验效率；
在复习阶段，学生不受实验室限制，便捷地回顾实验内容，总结实验规律。

图2 自主开发的虚拟仿真平台-电路搭建界面

在线测量教学辅助平台中，实验室的电脑可控制直流稳压电源、万用表、信号源、示波器等仪器的测量过程，如图3 所示，将仪器的部分设置参数和测量结果（具有学生个人信息标记的图片／数据值等）上传。在学生端，注册登录后，学生进行实验时在电脑上点击按钮即可获取同一时刻所有选中的仪器的测量结果，数据记录准确、全面，可在线查看实验结果、进行实验数据分析、撰写实验报告并提交，也可下载留存个人实验结果。在教师端，教师可随时查看学生已上传的测量过程数据，及时了解学生实验情况，反馈给学生并及时指导。

图3 自主开发的在线测量教学辅助平台

1.5 后测环节

后测环节了解和评估学生的学习效果，是否达到了本节课的学习目标［14］。电子技术实验课程参与式学习环节和后测环节可以融合在一起，教师可直接通过实验结果评价学生实验内容的完成情况。后测环节可通过课后调查问卷了解学生的学习过程情况，例如：实验中遇到了哪些问题；
其他建议等。“运算放大器的应用”实验完成情况和课后问卷实验遇到问题情况如图4 所示。

图4 后测环节-课后反馈示例

后测环节有助于教学相长，一方面通过这些反馈了解学生学习过程情况，教师掌握当前实验任务与学生的学习状态间的平衡程度，可适时调整教学内容和侧重点，有助于教师提升教学质量。另一方面，也帮助学生梳理、反思本次实验的学习内容和学习效果，分析总结实验经验，提升实验综合能力。

1.6 总结环节

在总结环节，教师将归纳的本次实验要点传授给学生［15］，可通过课堂结束时当面讲述，也可以借助线上平台，把本节课的内容要点用3～5 min的短视频发送给学生，便于学生随时随地回顾复习。同时，总结环节也需要学生自己参与其中，结合课堂操作得到的实验数据和图片，将本次实验的要点归纳总结为实验报告／笔记，夯实基础知识，对课程的期末考试复习十分有益。在教学实践中发现，短视频说课的方式很受学生们欢迎，90.9%的同学认为其对自己的学习有帮助：涵盖要点，便捷地利用碎片化时间学习／复习。

以上实验教学步骤设计思路总结如图5 所示，可见，中心橙色区域是BOPPPS 教学模型与在线教学平台相结合实践下的电子技术实验实物操作平台，外围蓝色框图给出了可供选择的6 个教学步骤，最外层黄色区域描述了各个教学步骤的操作细节要点和相应期望实现的教学效果。在实验教学中，可依照具体实验内容，对BOPPPS教学模型中的各个模块进行适当重组、灵活选择相应环节，来提升学生在各次实验的学习体验和学习效果。

图5 BOPPPS教学模型与在线教学平台相结合的线下线上混合式电子技术实验教学思路

综合以上基于BOPPPS教学模型的分析和教学实践应用，总结出针对本文开头提出的电子技术实验教学中存在问题的解决思路：

（1）针对理论知识与实验之间的差距导致的实验课堂效率不高的问题，在实验课堂上教师应更着重讲解理论知识与具体实践之间的对应关系，结合前测了解的学生预习效果和先备知识，有针对性地讲解适合本次课堂学生需要的内容。此外，借助教师总结的3 min短视频说课和参与式学习环节的虚拟仿真平台、CNMOOC线上课件资源，学生课前充分预习、课上积极参与，都有助于提升课堂实验效率。

（2）对于学生机械按图接线、课后知识留存率低的问题，教师可以发挥参与式学习的优势，设计一定的实验互动内容，布置一些有参与感的任务，例如：自己设计适当的元件参数、CNMOOC 线上思考题讨论区互动、电路调试相互设置的电路故障等。这些自主钻研和思考、讨论可以深化对相关知识的掌握。此外，在后测环节和总结环节，学生和教师各自梳理归纳本次实验的内容和要点，教师说课短视频和学生自己整理的报告／笔记对夯实基础知识、提高知识存留十分有益。

（3）针对学生得到实验结果反馈的周期长、局限于实验本身而缺乏拓展这一问题，在参与式学习环节，借助在线测量教学辅助平台，在线提交、实时查看、具体指导，大大缩短了学生“做实验—得知自己实验完成情况—修正／优化”这一过程的周期。从完成的基础实验出发，教师在参与式学习环节带领学生进行学习迁移，在实用电路系统中找到所学基础电路的应用，结合一些拓展，布置有内容拔高、现实生活中有用的课程综合作业，学生组队合作完成。

（4）针对学生做实验畏难、依赖教师帮助，缺乏主观能动性的现象，教师应帮助学生建立主动学习的态度：①在导入环节传递勇于探索、严谨耐心、解决未知困难的工匠精神；
②设置明确的教学目标，具体的、分层次的实验任务可以帮助学生循序渐进地掌握实验操作，逐步建立信心和成就感，通过努力从简到难完成实验任务；
③在参与式学习中，教师答疑、辅导时注重传授解决问题的思路、方法、过程，授人以渔，鼓励学生亲自探索；
④参与式学习中，学生之间的互动、合作完成拓展综合实验项目等可以充分调动学生的主观能动性。

基于BOPPPS教学模型与在线教学平台相结合的线下、线上混合式电子技术实验教学思路，在2021-2022 第一学期的电子技术实验开课中设置2 个试点班（23 人+25 人），取得了较好的教学效果。

（1）课堂参与积极性提高。课堂参与积极性的衡量主要从两个方面：①出勤率；
②课堂讲解时的听课注意力集中程度（具体指注目于教师、课上积极发现问题解决问题）。与该课程另一25 人按照传统教学方式开展教学的班级相比，试点班的出勤率和听课注意力情况如图6、7 所示。其中实验课的听课注意力集中程度只是用于衡量学生对讲解内容的感兴趣程度，听课注意力集中程度低并非一定表示学生实验不认真，也可能是其专心自己实验，教师讲解内容其不感兴趣／其认为听了对实验帮助不大。

图6 上课出勤率对比

可见，采用所提教学思路的班级在出勤率和听课注意力集中程度总体上高于采用传统教学方式的对照班。

图7 上课注意力集中程度对比

（2）实验效率提升。实验效率的评价主要从课堂完成实验的耗时和完成质量，从整个学期所做的11 个基础实验中随机挑选1 个实验完成情况记录，展示3个班级实验效率情况如图8 所示，其中横轴指标从0.5～1 增大表示实验完成质量从次到优，纵轴指标从0～1 增大表示完成实验的耗时从短到长，即右下角区域样本表示完成质量高且耗时短，左上角区域样本表示完成质量欠佳且实验耗时长。

图8 上课实验效率对比

可见，左上角区域（完成质量欠佳且实验耗时长）样本中对照组样本（采用传统教学法，橙色菱形）占比较高；
相对而言，采用所提教学思路的试点班同学总体上完成实验效率更高。

（3）学生主观感受评价提升。在课后调查问卷和学习主观过程评价中，91.7%的学生对授课教师及其授课方式赞许，认为老师的课堂讲授高效、反馈和辅导及时，线上教学平台便捷，有助于预习、复习，81.5%的学生认为该授课方式调动了自己的学习主观能动性，能主动预习，课堂上可自主钻研解决问题，85.4%的学生认同通过本课程的学习，个人综合能力提升。

在电子技术实验教学中，通过适当的导入环节引发学生实验兴趣，结合前测了解学生实验预习情况和先备知识掌握情况，设置明确、递进的教学目标，学生参与实验电路参数设计和学生之间互动出题以及分组综合实验中，借助线上虚拟仿真平台和在线测量教学辅助平台，学生在实验预习、复习和测量过程更加便捷高效，及时收到教师的评阅反馈和具体指导，通过后测和总结环节，学生在梳理、反思本次实验的学习内容和学习效果的同时，教师也掌握学生的学习过程情况，可适时调整教学方式和侧重点。为解决电子技术实验传统教学模式中存在的课后知识留存率低、基础实验缺乏实用拓展、学生的主观能动性缺乏调动等问题提供新的思路。在该教学思路设计下，学生课堂参与积极性和实验效率提高，学生对课程的主观感受评价提升，可为电类实验课程教学设计提供一定的实践参考。