CUPT模式在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及分析

蒲賢潔 吳小志 張選梅 李巧梅 郭莉杰 何光宏 韓 忠

(重慶大學(xué)物理學(xué)院，重慶大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國家級教學(xué)示范中心，重慶 401331)

近年來，重慶大學(xué)物理學(xué)院和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國家級教學(xué)示范中心就大學(xué)物理課程和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，開展了一系列的教學(xué)改革探索。其中，大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)[1, 2]和結(jié)合“中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽”(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)答辯模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)[3, 4]是正在開展并逐步完善的兩項(xiàng)教學(xué)研究項(xiàng)目。對于教學(xué)改革探索的效果評價，就大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)，我們已通過問卷調(diào)查形式，對比研究了學(xué)生對有演示實(shí)驗(yàn)和無演示實(shí)驗(yàn)的課次內(nèi)容的印象和理解程度，并通過統(tǒng)計分析得出了課堂演示實(shí)驗(yàn)有利于大學(xué)物理教學(xué)的結(jié)論[1]。在這次問卷調(diào)查中，采用的是紙質(zhì)問卷形式，這種形式在問卷發(fā)放、回收及數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，都表現(xiàn)出了耗時費(fèi)力并且極不靈活的缺陷。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和各種終端設(shè)備的發(fā)展，問卷調(diào)查也從原始的紙質(zhì)形式，逐漸發(fā)展到智能終端操作的模式，并深入人們的日常學(xué)習(xí)、工作、娛樂和生活中。在教學(xué)方面，“雨課堂”[5]和“問卷星”[6]已進(jìn)入大、中、小學(xué)的課堂內(nèi)外。“雨課堂”的優(yōu)勢在于教學(xué)互動，而“問卷星”的初衷在于問卷調(diào)查。“問卷星”是廣泛應(yīng)用的免費(fèi)問卷調(diào)查平臺，可以在線完成問卷設(shè)計、回收答卷和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，極大地減輕了問卷調(diào)查的工作量，提高了問卷調(diào)查的靈活性、時效性以及數(shù)據(jù)分析的有效性。鑒于以上優(yōu)勢，教研組決定在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)項(xiàng)目的開展中借助“問卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計調(diào)查問卷，在研究性實(shí)驗(yàn)開展前和開展后分別進(jìn)行前測、后測，考察學(xué)生通過研究性實(shí)驗(yàn)在知識獲取運(yùn)用、研究興趣培養(yǎng)、文獻(xiàn)查閱分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計操作等方面的學(xué)習(xí)成效，并對開展項(xiàng)目的學(xué)期期末成績進(jìn)行統(tǒng)計分析加以印證。

1 CUPT模式應(yīng)用及調(diào)查開展

1.1 CUPT模式應(yīng)用與調(diào)查程序

以重慶大學(xué)2017～2018第一學(xué)期參與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)的4個教學(xué)班的全體學(xué)生為研究對象，在普通教學(xué)內(nèi)容中選出的11個基礎(chǔ)和綜合實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)施問卷調(diào)查前測，同時開放“測鈉光雙線波長差”“測色散曲線”“測金屬絲切變模量”“研究弦振動現(xiàn)象”等4個研究性實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選題。學(xué)生組成4個隊(duì)，按照CUPT模式開展，每個隊(duì)選擇兩個實(shí)驗(yàn)(A實(shí)驗(yàn)作為正方，B實(shí)驗(yàn)作為反方)，經(jīng)過查閱資料、討論確定方案、測試數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、撰寫研究報告后進(jìn)行答辯。研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展完成后，實(shí)施問卷調(diào)查后測。應(yīng)用CUPT模式的教學(xué)過程如下：

1) 教學(xué)前準(zhǔn)備

選擇兩間實(shí)驗(yàn)室專門用于開展研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)本次4個研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)人員做好設(shè)備清單(其中每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照2～3套配置)，負(fù)責(zé)設(shè)備的搬運(yùn)和放置，并提前研究整個實(shí)驗(yàn)過程，獲得第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照“設(shè)備清單”“實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求”“實(shí)驗(yàn)背景材料”整理資料，整個研究性實(shí)驗(yàn)教研組學(xué)習(xí)討論。4個教學(xué)班任課教師熟悉實(shí)驗(yàn)，設(shè)計出一套研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本流程，向?qū)W生發(fā)放實(shí)驗(yàn)任務(wù)和背景資料。

2) 教學(xué)流程

基本流程：學(xué)生選題→查閱資料→討論確定方案→測試數(shù)據(jù)→分析數(shù)據(jù)→撰寫研究報告→按照CUPT模式答辯。詳細(xì)內(nèi)容如下：

最后一次基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后任課教師介紹4個研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生自由組合為4個隊(duì)，每個隊(duì)抽簽選擇兩個實(shí)驗(yàn)，A實(shí)驗(yàn)作為正方，B實(shí)驗(yàn)作為反方。抽簽規(guī)則保證選題時每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有兩個隊(duì)，以便按照CUPT模式開展答辯。

選題后，學(xué)生課下查閱資料，在助教輔導(dǎo)下設(shè)計初步實(shí)驗(yàn)方案。在兩次課堂中，教師、學(xué)生、助教一起討論并確定A、B實(shí)驗(yàn)的方案、開展實(shí)驗(yàn)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。課后學(xué)生又在助教輔導(dǎo)下分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，撰寫A、B兩個實(shí)驗(yàn)的研究報告(包括引言、原理、方案、數(shù)據(jù)及分析、結(jié)論、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容)。

研究性實(shí)驗(yàn)第三次課4個教學(xué)班分別開展班內(nèi)答辯，第四次課開展班間答辯。答辯參照CUPT模式開展：正方PPT展示10分鐘，反方提問并展示10分鐘，評論方(兩個隊(duì))點(diǎn)評10分鐘；每個隊(duì)的A實(shí)驗(yàn)作為正方，B實(shí)驗(yàn)作為反方，不作為正反方時就是評論方，即場上有4個隊(duì)——1正1反2評論；答辯期間，隊(duì)長抽簽排出A實(shí)驗(yàn)的正方展示順序；評論方給正反雙方打分，老師給評論方打分，評分細(xì)則參照CUPT規(guī)則；班級組隊(duì)進(jìn)行班間答辯(4個班4個隊(duì))，答辯流程和班內(nèi)答辯流程一致。

3) 考核方案

研究性實(shí)驗(yàn)按所占學(xué)時權(quán)重與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)合形成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平時成績中的實(shí)驗(yàn)報告成績。研究性實(shí)驗(yàn)部分的評分標(biāo)準(zhǔn)如下：

研究報告100分：每組交A實(shí)驗(yàn)和B實(shí)驗(yàn)兩個研究報告。背景和原理40分，要體現(xiàn)查閱文獻(xiàn)資料的情況，原理要體現(xiàn)分析文獻(xiàn)資料的能力；實(shí)驗(yàn)方案20分，體現(xiàn)靈活運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案的能力；數(shù)據(jù)分析40分，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

答辯60分：兩個評論方給正反雙方打分，教師給評論方打分。打分基礎(chǔ)分45分(滿分60分)，優(yōu)秀之處加分，有問題處減分。班間答辯分出1、2、3、4名，前三名班級整體依次總分加分1.5、1、0.5，第四名不加分。每班上場隊(duì)員每人加0.5分。

圖1 “問卷星”生成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程問卷頁面

1.2 問卷設(shè)計

問卷在“問卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺制作，采用李克特七點(diǎn)量表[7]形式編制，如圖1 所示。其中，選項(xiàng)“7、6、5、4、3、2、1”分別對應(yīng)“非常同意、同意、比較同意、一般、比較不同意、不同意、非常不同意”，用以評估受測者對該項(xiàng)陳述的認(rèn)同程度。問卷前測、后測均有相同的12道題，題干分別為：(1)對“研究性實(shí)驗(yàn)”有深刻的理解；(2)對“研究性實(shí)驗(yàn)”有濃厚的興趣；(3)關(guān)于“物體切變模量的測定”有深刻的理解；(4)關(guān)于“超聲多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用”有深刻的理解；(5)非常清楚“鈉光雙線波長差的測量”；(6)非常清楚“物質(zhì)色散曲線的測繪”；(7)關(guān)于“非線性電路中的混沌現(xiàn)象”有深刻的理解；(8)關(guān)于“弦振動和樂理”有深刻的理解；(9)能熟練且有效地查閱文獻(xiàn)資料；(10)對查閱到的文獻(xiàn)資料，會產(chǎn)生質(zhì)疑和提出問題；(11)你認(rèn)為“研究性實(shí)驗(yàn)”能培養(yǎng)靈活運(yùn)用知識的能力嗎？(12)你認(rèn)為“研究性實(shí)驗(yàn)”能提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計的能力嗎？其中，題目(1)、(2)、(9)、(10)、(11)、(12)設(shè)計為考察學(xué)生通過“研究性實(shí)驗(yàn)”的開展，在知識獲取運(yùn)用、研究興趣培養(yǎng)、文獻(xiàn)查閱分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計操作等方面獲得提升的總體自我評價；題目(3)、(5)、(6)、(8)為學(xué)生通過分組研究和答辯，實(shí)際參與的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；題目(4)、(7)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為對照項(xiàng)并未開展。

為了衡量學(xué)生在具體參與的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上獲得的實(shí)際認(rèn)知水平，后測比前測多設(shè)計一道題目(圖1(b)所示第13題)，要求學(xué)生選擇“本次參與的研究項(xiàng)目內(nèi)容”。為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同時也為了避免“問卷星”可以重復(fù)提交答卷的缺陷，在前測、后測問卷中，均要求學(xué)生填寫學(xué)號，作為受測者的問卷代號。所設(shè)計好的問卷可以預(yù)覽試測，確定后點(diǎn)擊“發(fā)布”即可通過鏈接或二維碼的方式發(fā)送給受測者。

圖2 “問卷星”問卷回收

1.3 問卷回收

停止問卷運(yùn)行后，在每組問卷下點(diǎn)擊“分析&下載”菜單(如圖2(a)所示)，可以看到子菜單“統(tǒng)計&分析”“查看下載答卷”和“來源分析”。其中“統(tǒng)計&分析”提供了基本的“默認(rèn)報告”(包括每道題每個選項(xiàng)所占百分比)、“分類統(tǒng)計”“交叉分析”和“自定義查詢”等欄目。筆者沿用以往做問卷調(diào)查的習(xí)慣，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析上，仍然采用Matlab和SPSS[8]，所以選擇子菜單“查看下載答卷”，如圖2(b)所示，可以將完整答卷以EXCEL格式或SPSS文件格式下載，以EXCEL格式下載的數(shù)據(jù)如圖2(c)所示，為了方便分析統(tǒng)計，在EXCEL里可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類排序等。

2 結(jié)果統(tǒng)計與分析

圖3 問卷統(tǒng)計結(jié)果

在Excel中將下載的答卷數(shù)據(jù)按照學(xué)號進(jìn)行排序，剔除只參與了前測或者只參與了后測的答卷數(shù)據(jù)，只保留同時參與前測、后測的答卷數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行前、后測數(shù)據(jù)的對比分析。再將前測、后測的數(shù)據(jù)分別按照圖1(b)所示第13題——“本次參與的研究項(xiàng)目”的選項(xiàng)進(jìn)行分組，分為“切變模量”組，“鈉光雙線”組，“色散曲線”組，“弦振動樂理”組。將前測、后測的每組數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中分別計算每道題目的平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖3(a)～(d)所示。圖3(e)為4個研究分組綜合的每道題目的平均分值和標(biāo)準(zhǔn)差。由圖3結(jié)合表1配對t檢驗(yàn)的p值，可以得到以下5點(diǎn)結(jié)果：(1)具體參與到對應(yīng)研究性實(shí)驗(yàn)的分組，在相應(yīng)的研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解上，其自我評分的均值，后測均較前測有大幅的顯著性提升(七點(diǎn)量表評分均值4組綜合上升1.41，p值均<0.01，具極顯著差異)；(2)作為對照項(xiàng)，并未開展的“超聲多普勒”和“電路混沌”兩個研究性實(shí)驗(yàn)，各組對其內(nèi)容理解的自我評分均值，均無提升甚至出現(xiàn)明顯下降( “超聲多普勒”評分均值4組綜合下降5.83，p=0.006顯著下降；“電路混沌”評分均值4組綜合無變化，p=1.000無顯著性差異)；(3)由于圖1(b)所示第13題——“本次參與的研究項(xiàng)目”設(shè)置為“至少選擇一項(xiàng)”，某些同學(xué)將作為CUPT答辯模式中反方的內(nèi)容也作為了“本次參與的研究項(xiàng)目”(實(shí)際上這也是本題設(shè)計的目的之一，考察學(xué)生作為反方的收益成效)，因此“切變模量”組和“弦振動樂理”組在對相互的內(nèi)容理解的評分上后測比前測也有明顯的提升，“鈉光雙線”組和“色散曲線”組在對相互的內(nèi)容理解的評分上后測比前測也有明顯的提升(p值均<0.01，具極顯著差異)；(4)旁聽式的參與CUPT模式研究結(jié)果的答辯與討論，對所聽實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解后測比前測有較小的提升(如“切變模量組”的“鈉光雙線”和“色散曲線”評分，“鈉光雙線”組的“切變模量”和“弦振動樂理”評分，其他2組亦同)；(5)整個“研究性實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，在幫助學(xué)生對研究性實(shí)驗(yàn)的理解、查閱文獻(xiàn)、分析文獻(xiàn)方面均有明顯效果，然而在研究性實(shí)驗(yàn)對知識運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計方面，本次研究性實(shí)驗(yàn)的開展均沒有表現(xiàn)出明顯的作用。

表1 前測-后測配對t檢驗(yàn)

續(xù)表

3 統(tǒng)考成績檢驗(yàn)

為了從客觀角度(他評，問卷為主觀角度——自評)印證CUPT模式研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效，我們還分析了全校學(xué)生的期末考試成績，對總成績和小題的得分率進(jìn)行了統(tǒng)計。開展研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)期全校參與考試的學(xué)生總?cè)藬?shù)為2253人，其中117人完成了CUPT模式研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。期末考試題型為填空題、選擇題、計算題、設(shè)計題4個部分。表2為參與研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的4個班每一題得分率和總得分率。其中4個班總分得分率為0.70，而全校未參與本項(xiàng)目的班級總分得分率為0.59。為進(jìn)一步排除授課教師的影響因素，對參與本研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一位教師所教授的4個班級(1個班參與本項(xiàng)目，3個班未參與)的筆試得分率進(jìn)行統(tǒng)計，如圖4所示。通過以上期末筆試成績分析，從一定程度肯定了CUPT模式研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有利于提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效。

表2 CUPT模式研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)班考試得分率

圖4 同一教師不同班級得分率

4 結(jié)論

本文以同一學(xué)期中參與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)的學(xué)生為研究對象，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上增設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)，并按CUPT模式開展，在研究性實(shí)驗(yàn)開展前實(shí)施問卷前測，開展后實(shí)施問卷后測，采用自編李克特七點(diǎn)量表，在“問卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布并回收問卷。同時也統(tǒng)計了本學(xué)期的全校期末筆試成績以作印證分析。由統(tǒng)計結(jié)果得出以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：參與研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的班級期末筆試成績較普通班級高出11%，從一定程度肯定了CUPT模式研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對于學(xué)生學(xué)習(xí)研究興趣的提高從而促進(jìn)了教學(xué)成效；具體實(shí)際的研究性實(shí)驗(yàn)的參與(無論作為正方去陳述研究結(jié)果，還是作為反方去質(zhì)疑研究結(jié)果)，將對該研究內(nèi)容的理解有非常大的實(shí)質(zhì)性提升；旁聽式參與CUPT模式研究結(jié)果的答辯與討論，對相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也能獲得一定程度的理解；本次開展的“研究性實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，在幫助學(xué)生理解研究性實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)、分析文獻(xiàn)方面有明顯效果，然而在知識運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計方面卻沒有表現(xiàn)出明顯的作用，這與我們首次開展研究性實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計和實(shí)施過程有關(guān)，我們將在下一輪研究性實(shí)驗(yàn)中就這兩方面能力的培養(yǎng)作出實(shí)施方案的調(diào)整。