BOPPPS模式下的高中物理規律課堂教學設計*
——以“牛頓第三定律”為例

謝婉君 江 瑤 汪鴻飛 姚關心

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

1 引言

BOPPPS教學模式源起于加拿大，由于其可操作性強、教學效果顯著，逐步應用于國內大中小學課堂[1].該教學模式把課堂分為導言(Bridge-in)、目標(Objectives)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory-learning)、后測(Post-assessment)、總結(Summary)6個環節(簡稱“BOPPPS”)，每個環節的任務可視化，教師根據學生的反饋進行調整，將實際教學的不可控因素控制在一定可調的范圍內.近來，研究表明BOPPPS教學模式有利于培養學生的最近發展區、激發學習動機、提高學習效率，是一套創新和高效率的課堂教學模式[2～4].

根據新一輪物理課程改革的要求，教師應關注先進的教育思想和理念，以促進學生高效學習、發展學科核心素養為目的，探索實現物理規律有效教學的路徑.基于BOPPPS教學模式優越性，本文以“牛頓第三定律”一節為例，將BOPPPS教學模式與物理規律教學融合進行教學設計，希望探索出物理規律教學的有效途徑.

2 BOPPPS模式與物理規律教學的融合

BOPPPS教學模式與物理規律教學有效融合進行教學設計是物理規律教學的新嘗試,下面以我們設計的圖1加以闡述.

物理規律的教學過程一般包括猜想、探究、討論、運用等4個過程[5].如圖1所示，我們對BOPPPS教學模式的目標環節順序作了相對的調整，并拓展了物理規律學習進程，使整個物理規律教學框架更加流暢和完整，借助BOPPPS模式的6個環節有效地幫助學生完成物理規律的建構.

圖1 教學框架圖

導言環節通過創設情境打開學生思維，引導學生提出與教學內容相關的物理猜想；前測環節通過提問了解學生的學習基礎，為后續的核心環節參與式學習奠定基礎；參與式學習要求教師注重以學生為主體，強調學生主動參與到教師設計的探究活動中；前測與參與式學習環節共同助力學生完成對物理規律的探究與討論；學習物理規律的目的是要運用規律解決問題，后測環節對學生在本節物理規律課的學習效果進行檢驗，教師可以設計貼近生活實際的典型易錯題目幫助學生運用規律以加深對規律的理解；總結環節幫助學生形成系統、清晰的知識結構，完成對規律的建構，教師可借助思維導圖的形式幫助學生總結規律；將目標環節放到最后是考慮到物理規律教學多以探究為主，若學生提前知曉物理規律內容，容易限制思維，失去探究興趣，不利于規律的建構.同時，在課堂教學結束時向學生展示教學目標也有利于學生的自我評價，給教師教學提供了反饋意見，幫助教師有針對性地進行下節課的教學設計.

3 教學設計案例

下面以人民教育出版社高中物理必修第一冊(2019年版)第三章第3節“牛頓第三定律”教學設計為例，說明BOPPPS教學模式在實際教學中的應用.

3.1 教學設計說明

“牛頓第三定律”是建構“運動與相互作用”物理觀念的重要內容，在整個高中階段，作用力與反作用力的規律是學生解決力學問題的基礎.第三章中，“牛頓第三定律”為后續“力的合成與分解”“共點力的平衡”奠定知識基礎，起到承上啟下的作用.學生在初中階段已經定性認識到力的作用是相互的，但對相互作用力的關系沒有形成科學的解釋.因此,在本節課中，教師要幫助學生形成作用力與反作用力的科學觀念，主要采用科學探究的形式，用問題情境帶領學生掌握牛頓第三定律，完成《普通高中物理學科課程標準(2017年版2020年修訂)》對本節內容提出的學習要求.

3.2 BOPPPS規律課堂教學實施

(1)導言(Bridge-in)

物理知識具有抽象性、復雜性、情境性等特點，學生對事物的認知過程需要由感性上升到理性再回歸感性.根據物理知識特點和學生的認知發展規律，教師在進行物理規律教學時要設置恰當的物理情境幫助學生喚醒或積累感性認識.導言環節采用簡單的演示實驗設置問題情境，讓學生在觀察的基礎上對相互作用力進行思考，提出科學猜想.

情境1：如圖2所示，有一粗糙斜面軌道，小球M從斜面頂端由靜止沿著軌道滾落，記錄靜止位置；將另一小球N放在斜面底端保持靜止，再使小球M以相同條件滾落，兩個小球發生碰撞，記錄兩小球的靜止位置.請同學們思考為什么小球的運動狀態發生了變化.

圖2 小球碰撞實驗示意圖

學生：比較兩次實驗條件,M受到N給它的力，運動狀態才發生改變的，N受到M給它的力，由靜止開始運動，運動狀態也發生了改變，小球M和N發生碰撞的瞬間產生了力的相互作用.

教師：當物體A對另一個物體B施加了力，同時物體B對物體A也施加了力，物體間這一對力，通常稱為作用力(acting-force)和反作用力(reacting-force).當時我們只是定性地認識到物體間力的作用是相互的，卻沒有定量研究作用力與反作用力的關系.同學們能從力的三要素出發結合實驗現象，對作用力和反作用力之間的大小及方向關系提出猜想嗎？(教師提示還可以從力是否在一條直線上、力是否具有同時性提出猜想，擴展學生思維)

將學生猜想繪制成表格如表1所示.

表1 對作用力與反作用力的猜想

(2)前測(Pre-assessment)

前測環節可以幫助教師了解學生的前概念和學習基礎，以便對后續探究環節內容進行適當的調整.教師提出的問題幫助學生養成思考的習慣，有利于規律教學的推進.

問題1：相互作用力在物體間是否普遍存在？若不是，請舉反例.

學生甲：固體間相互擠壓一定有力的相互作用；固體和液體間有浮力和壓力；磁鐵之間沒有相互接觸也能感到力的相互作用；直升機盤旋在空中與空氣相互作用獲得升力，似乎生活中任意兩個物體間都能產生力的相互作用.

學生乙：我們無時無刻不受到地球施加的重力作用，然而我們對地球卻沒有作用.這是一個反例.

教師：我們對地球同樣有力的作用，只是地球質量遠遠大于人的質量，我們對地球的作用力產生的效果無法被感知.實際上，相互作用力在物體間普遍存在.

問題2：物體間的作用力和反作用力是否是同一性質的力？

學生丙：固體間相互擠壓產生的力都屬于彈力，磁鐵之間的相互作用力都是電磁力……我能想到的例子，作用力與反作用力性質相同.

教師總結：我們可以基于大量的物理實例進行概括抽象得到結論，力的相互性是普遍規律，作用力與反作用力是同種性質的力.

(3)參與式學習(Participatory-learning)

參與式學習環節是整個教學設計的中心環節，也是學生學習物理規律的關鍵階段.該環節強調師生之間的深度互動，充分體現了“學生為主體，教師為主導”的教學理念.本環節教學形式可以多樣，便于有效調動學生積極性，使其全身心地投入到教師組織的課堂內容中.針對規律教學的特點，參與式學習主要以實驗探究為主、問題情境為引.從學生的猜想出發，探究作用力與反作用力的規律.學生經歷參與式學習環節，完成對規律的探究和討論，概括出物理規律的文字表述和數學表述，理解物理規律的適用條件和范圍.

任務1：探究作用力與反作用力的關系.

活動1：教師展示圖3所示的實驗裝置，兩輛完全相同的小車，小車4個輪子上涂上紅墨水，將條形磁鐵綁在小車上，在下面兩種操作情況下，觀察兩次小車的運動軌跡.

1)兩小車同名磁極相對放置，在粗糙的水平面上互相靠近后由靜止釋放；

2)異名磁極相對放置，相隔一定距離后由靜止釋放.

小車相對位置不變，改變小車擺放方向再次實驗，比較實驗現象.

圖3 小車實驗示意圖

教師：為什么要改變小車擺放方向再次進行實驗？

學生?。罕苊鈱嶒炁既恍?，得出的結論更有說服力.

學生戊：改變小車擺放方向再進行實驗，可以讓小車的軌跡近似在一條直線上，這一現象更具有普遍性.

教師：綜合前面兩次實驗，兩輛小車的運動軌跡有什么共同點？

學生：方向相反，近似在一條直線上，軌跡長度幾乎相等.

教師：經過上述實驗，我們得到作用力與反作用力之間滿足什么規律？初步驗證了你的哪些猜想？

學生己：作用力與反作用力大小相等、方向相反，作用在一條直線上.

學生庚：上面的實驗我們只得到了作用力與反作用力大小近似相等，可以讓上述結論更具有說服力嗎？

活動2：教師向學生介紹DIS(Digital Infor-mation System，簡稱“DIS”)力傳感器，請兩位同學在講臺前為大家進行演示實驗，如圖4所示，兩位學生利用掛鉤將兩個傳感器對拉，進行以下實驗.

圖4 DIS力傳感器實驗示意圖

1)甲同學保持傳感器不動，乙同學用力拉傳感器；

2)兩同學以任意速度拉動傳感器.

觀察兩次實驗現象，你能得到什么結論？

學生：作用力與反作用力大小相等，同時產生和消失，且上述結論在任意運動狀態下都成立.

教師：經過上述實驗，我們得到作用力與反作用力之間的一些定量關系，結合第一個演示實驗你能驗證哪些猜想？

學生：經過定性和定量的實驗探究，我可以確證,作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用在一條直線上且具有同時性.

任務2：理解“牛頓第三定律”——討論規律.

活動1：教師以一系列遞進的物理問題幫助學生梳理知識脈絡，整理作用力與反作用力的關系，得到牛頓第三定律，理解其物理意義及適用范圍和條件.

問題1：同學們經過實驗探究以及生活觀察可以得到作用力與反作用力的作用點有什么特點？

學生：力的作用點在相互作用的兩個物體上(異物性).

問題2：我們今天探究的作用力與反作用力的關系就是著名的牛頓第三定律，你能用文字概括定律內容嗎？

學生：兩個物體之間的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.具有異物性、同時性、同性質特點.

教師：很好，大家請看書上牛頓第三定律的定義,兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.異物性、同時性、同性質屬于力的特性.

問題3：如果定義作用力為F，反作用力為F′，規定力F的方向為正方向，你能用數學符號表示二者的關系嗎？

學生：作用力與反作用力大小相等，方向相反，因此F=-F′.

問題4：F+F′=0可以表示作用力和反作用力產生的效果相互抵消嗎？

學生：作用力和反作用力分別作用在兩個不同的物體上，各自產生的作用效果不同.所以二者的作用效果不能相互抵消.該式子在矢量運算上成立，物理意義不能這么理解.

問題5：你認為牛頓第三定律有適用范圍嗎，為什么“總是”成立？請課下查閱相關資料.

問題6：你能舉出生活中常見的運用“牛頓第三定律”的例子嗎？

學生：船槳向后劃水，水向前推槳；噴氣式飛機向后噴出高溫高壓的氣體，空氣向前推動飛機……

問題7：作用力與反作用力和初中學習的一對平衡力很相似，它們之間有什么異同？

學生：相同點是力大小相等、方向相反，作用在一條直線上.不同點是作用力與反作用力具有異物性，一對平衡力作用在一個物體上；作用力與反作用力屬于同種性質的力，具有同時性，一對平衡力可以是不同性質的力.

(4)后測(Post-assessment)

學習知識是為了應用知識，后測環節主要是檢驗學生對知識的掌握程度，便于教師了解教學效果，便于學生掃除錯誤認知.對于物理規律教學，教師應選擇貼近生活的物理問題檢驗學生對規律的運用，題目設置要抓住物理規律本質，不應過于復雜.

【題目1】如圖5所示，某同學在操場上踢足球，結合牛頓第三定律，判斷下列哪一種說法是正確的( )

圖5 學生踢足球示意圖

A.腳對球的作用力大于球對腳的作用力

B.先有腳對球的作用力，后有球對腳的作用力

C.腳對球的作用力與球對腳的作用力是一對平衡力

D.腳對球的作用力與球對腳的作用力是一對作用力和反作用力

【題目2】馬拉車前進，馬對車的拉力大于車對馬的拉力嗎？大人跟小孩掰手腕，很容易就把小孩的手壓在桌面上，大人對小孩施加的力大于小孩對大人施加的力嗎？

【題目3】如圖6所示，兩個粗糙物塊A和B放在粗糙水平面上在力F的作用下保持靜止，對物體B做受力分析.

圖6 物塊放置示意圖

(5)總結(Summary)

BOPPPS模式中的總結部分用簡短的時間將課堂上碎片化的知識整合為系統的、有結構的知識，幫助學生完成物理規律建構.該環節教師可通過繪制思維導圖的形式幫助學生梳理知識進行學習歸納.

教師根據本節課的內容帶領學生共同繪制思維導圖，思維導圖如圖7所示.

圖7 “牛頓第三定律”思維導圖

(6)目標(Objectives)展示

教師在教學前要明確教學目標，把握教學方向.教學目標的確定要以學科核心素養為中心，在新課標的規定下結合教學實際制定教學目標.教學目標放到最后環節向學生展示是出于物理規律學習特點的考慮，此環節幫助學生自我評價，幫助教師獲得反饋，使教和學的過程形成閉合反饋回路.其教學目標如下.

目標1：理解作用力與反作用力的概念，知道“力的相互性”具有普遍性.

目標2：通過實驗探究總結作用力與反作用力的規律.

目標3：理解“牛頓第三定律”的規律內容.

目標4：能區分“作用力和反作用力”和“一對平衡力”.

目標5：能借助牛頓第三定律對物體進行簡單的受力分析.

4 總結

物理規律一直是中學物理學習難點和教學重點，將BOPPPS教學模式與物理規律教學課堂有機結合，學生借助密集短時的教學環節使注意力相比傳統教學更加集中，學習效率提高，降低了物理規律學習的難度.教師借助系統完整的教學流程使課堂的物理規律教學符合學生認知發展規律，以科學探究為主要手段，幫助學生真正掌握物理規律.同時，教師在融入BOPPPS模式進行教學設計時要進行自我審視，靈活調整各個環節，使課堂結構更加趨于合理化.

在BOPPPS模式下的“牛頓第三定律”教學設計中，以物理情景作為規律教學的起點，科學探究活動為中心，以問題貫穿教學活動引領思維發展，幫助學生掌握牛頓第三定律的物理意義、使用條件及其背后的物理觀念，幫助學生學以致用，在實際問題中進一步加深對規律的理解，幫助學生在反思中提升學科核心素養.