學科競賽視角下項目式實驗教學的研究
——以第三屆“卓越杯”大學生物理實驗競賽為例

倪 晨， 李漁迎， 方 愷， 王 琦， 于婷婷， 顧 牡

（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

0 引 言

卓越創新人才是國家實施創新驅動發展戰略的領軍力量，是增強科技自主創新能力的核心要素，也是高水平的人才培養體系的重要目標。2018年10月教育部等六部門發布《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》中明確提出創新學習方式，以研究型教學提升一流人才培養與創新能力［1］。實驗教學的課程結構與教學內容也由基礎型實驗向綜合型、設計型、研究型實驗轉化［2］。近年來的教學研究表明，學科競賽在創新意識、研究設計等綜合能力的培養中具有突出的優勢。在競賽指導中普遍采用項目式教學，以具體的學習項目為導向，充分利用有效的學習資源，在實踐體驗、內化吸收、探索創新中獲得完整知識、提升專業技能、培養高階思維［3］，是高等教育中卓越人才培養的有效載體［4-6］。項目式教學模式的構建往往通過建立能力指標與項目式教學要素的映射關系，從而進行教學活動的設計，譬如丁世強等［7］構建的面向計算思維能力發展的項目式教學模式；申靜潔等［8］基于學科類別的價值目標，構建的項目式核心素養培養路徑等。但是，目前該領域的研究以質性研究為主，缺少證明教學模式科學性以及有效性的數據和實證支持。本研究通過對“第三屆卓越杯”大學生物理實驗競賽中學生開展創新實驗項目的過程開展調研分析，利用滯后序列分析法歸納了各高校項目式學習路徑的顯著特征及所存在的問題。最后，基于競賽結果的模型分析結果，驗證了該教學模式對學生創新能力培養的正向作用。

1 “卓越杯”物理實驗競賽

“卓越大學聯盟”是由北京理工大學、重慶大學、同濟大學等國內9所具有理工特色的綜合性大學組成的“卓越人才培養合作高?！钡暮喎Q。多年來以卓越拔尖人才培養為核心，共同探索人才培養規律與模式。為有效培養學生的創新精神和團隊協作意識，提高大學生的綜合能力和實踐能力，提高大學物理實驗教學質量，卓越聯盟高校于2017年啟動“卓越杯”大學生物理實驗競賽（以下簡稱卓越杯物理實驗競賽）。競賽秉持協同創新理念，以創新物理實驗設計為命題內容，激勵學生努力運用物理知識解決科學問題，培養學生創新思想。隨著各高校關注度與參與度的不斷提升，卓越杯物理實驗競賽已逐漸成為聯盟高校物理實驗中心開展教學交流合作，拔尖創新人才培養的教學交流平臺。

第三屆卓越杯物理實驗競賽由我校承辦，除了各聯盟高校參賽隊伍外，還邀請了南開大學共同參賽。競賽采取預先公開競賽內容與要求的形式，包括命題類課題與自選類課題兩種。其中命題類創新課題共2項，題目1為無線電能傳輸，要求設計一種通過磁近場以無線方式傳輸電能的實驗方法和實驗裝置（自組裝置），盡可能提高傳輸效率，增加傳輸距離，體現節能環保特點，實現接收端小型化的優化設計，并具有實際應用前景；題目2為超聲聲鑷，要求利用超聲裝置對空氣或液體中的輕小物體實現束縛及移動。自選課題類為創新物理實驗裝置的設計，要求設計并制作物理思想清晰、能使用計算機或移動設備進行數據采集與分析、在物理實驗教學中易于使用的創新物理實驗裝置或儀器。參賽學生在教師指導下，從選題調研開始，進行資料搜集、實驗方案設計、理論計算與模擬、儀器設計與制作、調試測量、實驗驗證、數據處理與誤差分析以及迭代修改，最終完成報告撰寫與匯報演示。決賽結果統計分析如圖1所示。從整體上來看，本次競賽決賽項目在研究方法的科學性和客觀性、研究內容的先進性和安全性以及研究成果的實效性和創新性上都具有較高水平。由此可見，競賽中所有參賽項目均為典型的基于項目的實驗教學案例，研究過程完整且蘊含各高校的教學特色，具有研究價值。

本研究以該競賽中進入決賽的24支參賽隊作為分析對象。通過收集參賽學生在實驗研究項目開展過程中的路徑與細節，探究面向卓越人才培養的項目式物理實驗教學活動設計。并通過專家和同伴對其不同維度的評價結果構建結構方程模型，驗證該教學模式對學生創新能力培養的積極影響。

2 競賽活動中項目式實驗教學路徑研究

項目式實驗教學較一般實驗教學中以教師為主導、先演示后實驗的教學方式有很大不同，強調以學生為主體，是適合培養分析能力、解決問題能力等高階思維能力的實驗教學模式。目前，很多高校采用項目式教學模式指導學生開展學術競賽活動，并取得良好的效果［11-12］。同時在競賽背景下，各項目內容更具前沿性，項目指導方式更具多樣性，學生綜合水平更具競爭力。因此，采用學科競賽結果作為項目式實驗教學路徑的研究樣本，可以準確地反映學生在開展項目研究過程中的主要問題，有助于明確教師在學習過程中的指導作用，調動學生的積極性和創造性。本研究基于滯后序列分析法對學生項目研究路徑流程進行分析，挖掘各校決賽項目統一的開展路徑。

2.1 滯后序列分析方法

滯后序列分析法基于統計理論研究行為之間的順序關系，探索和總結在復雜的交互行為序列中發生的交叉依賴關系，并將行為序列中重復發生的行為建立為關系鏈［11］。在教育研究中，該方法被廣泛應用于學習行為分析研究，用以挖掘學習者潛在的行為模式、行為規律以及行為習慣，分析其行為背后的學習需求，尋找學習行為與學習績效的關系，從而達到改進教學的目的［12-13］。

為了解學生在競賽項目研究過程中學習行為，分析并構建適合項目式實驗教學路徑，本研究收集了參賽學生的項目研究路徑流程圖與訪談實錄31份，并根據競賽結果將其分為兩組。其中高分組15份數據中包含11個參賽隊，項目平均得分為90.97。低分組16份學生數據中包含13個參賽隊，項目平均得分為81.38。經過獨立樣本T檢驗可得高低分組sig＝0.00＜0.05，說明兩組得分之間存在顯著差異。通過歸納高低分組學生的行為路徑，提取項目開展的關鍵環節，再進一步對比兩組學生的行為路徑，發現學生在項目開展過程中存在問題和難點。具體流程為：①結合項目開展要素以及物理實驗教學培養目標，對學生行為活動進行定義，擬定編碼表。②參照定義，過濾掉流程圖以及訪談結果中的不相關信息，按照時間先后順序對行為數據進行編碼。③使用GSEQ5.1軟件進行序列分析，得到轉換頻次表以及調整后的殘差表。④根據調整后的殘差表篩選具有顯著意義的行為序列，并繪制行為轉換圖。

2.2 編碼表設計與數據編碼

項目式教學基本流程一般包含確定主題、制定方案、組織實施、匯報成果4部分內容［14-16］。構建知識即為確定學習主題，與項目中的選題環節不謀而合。建模與設計是物理實驗項目開展方案的重要內容，操作技能、數據分析屬于項目實施范疇，科學交流是成果匯報時所需的基本素養。編碼表的一級維度以物理實驗教學目標為依據，通過綜合分析項目開展基本流程以及實驗教學目標，將行為活動具體化，建立教學目標與項目實施環節映射關系，將物理實驗中的項目式教學可以細分為選題、建模、設計、實施、分析、結論6個主要階段［17］。除此之外，為了解學生具體的問題解決行為，便于教師及時干預，本研究加入了探索環節。最終以上7個環節被定義為如表1所示的一級維度。結合每個階段的成果，設立明確的評價指標，最終共擬定14個二級維度。

表1 學生項目開展流程行為編碼表

數據編碼以每位學生所提交的項目開展路徑流程圖為主，提取編碼表中所對應的行為要素及其先后關系。如在流程圖解析中遇到描述模糊的節點，輔以所收集的各環節具體訪談數據進行分析，確保流程圖中各環節編碼的準確性。

2.3 高低分組的顯著路徑

經過編碼數據采用序列分析軟件GSEQ進行比較測序，較Enterprise與Miner而言，簡化了行為分析流程，提高了數據處理效率，受到了各領域研究者的青睞［18］。將高低分組所有學生編碼后數據表格導入GSEQ5.1軟件，最終生成轉換頻次表和調整后的殘差表（見表2）。轉換頻次表說明了每種行為向其他行為轉化的頻率。調整后的殘差表呈現了根據轉換頻次表生成的殘差參數。其中列表示起始行為，行表示起始行為結束后隨即發生的行為。根據滯后序列分析理論，如果殘差參數大于1.96，則表明該行為后出現下一個行為的概率具有顯著性［19］。其中高分組的顯著序列中包含12個二級編碼維度，低分組包含所有的二級編碼維度，驗證了編碼表的合理性。

表2 高分組與低分組殘差表（部分）

為了更直觀地呈現行為序列，通過將所得殘差表中所有顯著序列相連，即可得到如圖2所示的高分組與低分組項目開展行為轉化圖。

2.4 教學路徑分析

競賽活動作為項目式實驗項目綜合評價的載體，可以準確地反映項目式教學開展的完整過程。高分組與低分組的路徑所呈現的結果表明，各參賽項目的主干研究路徑具有高度一致性，包括：定題（XT）—查找資料（TC）—物理系統建模（BW）—設計儀器（DJ）—實驗驗證（IS）—數據分析（AF）—作出結論（CZ）。僅低分組的個別環節存在偏離，對競賽成果也造成一定的影響。綜合來看，在卓越聯盟高校中開展項目式實驗教學過程可以劃分為研究方法確定及研究結果產出兩個主要階段，如圖3所示。其中，研究方法的準確性決定研究內容產出的質量，研究結果的產出輔助研究方法的改進，最終的研究成果在兩個階段的不斷迭代作用下越發科學與精準。因此在教學環節中，教師尤其需要注重反思迭代的正確方法引導，幫助學生建立嚴謹的科學研究精神。除此之外，通過學生學習行為的分析也反映了一些實驗教學過程中需要注意的細節。

（1）建立反思支架，促進問題解決。在實驗開展過程中，邏輯推演是提高研究質量的重要手段，卻往往也是教學中的遺漏點。對比高、低分組的顯著路徑圖可以發現，在數據分析（AF）結束后，兩組學生皆進行了反思迭代（TF）。高分組同學首先校對數據分析方法的正誤（AQ），然后查找資料（TC），反思最初的建模（BW）環節是否存在問題。從中可以看出高分組同學的反思路徑科學而有序。反觀低分組同學的反思路徑，當發現數據有誤時，低分組同學僅從實驗驗證環節（IS）尋找原因，反思不夠深入仍浮于表面。除此之外，高低分組都存在實驗驗證（IS）到作出結論（CZ）這一顯著路徑，說明仍有大量同學在研究開展過程中缺少對結果的反思。在項目式教學過程中，教師可基于“發現問題—分析問題—評價判斷—建立假設—驗證假設”這一循環的反思過程［20］，幫助學生構建科學的教學反思支架，強調反思的重要性，傳授反思的技巧性，教導學生應用縝密科學的邏輯尋找問題而非試誤式發現問題，從而提高問題解決效率。

（2）關注重點環節，加強整體把控。在整個項目開展流程中，各環節緊密相連，應完整而循序漸進。但是在低分組路徑圖中發現，設計儀器（DJ）和測量系統建模（BC）這兩個環節缺少前期環節，說明學生在實驗理論以及真實測量系統方面缺乏關聯思考。因此，教師在指導過程中應著重于測量系統建模、儀器設計、可行性分析等關鍵環節的引導，使學生重視研究方法在物理實驗研究過程中的作用，降低學生的認知負荷，提升項目式實驗教學質量。

（3）補充可行性分析，提高項目績效。可行性分析的缺失與滯后，可能帶來較大的研究成本的浪費，所以可行性分析是提高項目各步驟實施質量的有力手段，也是各步驟執行方案的決策依據。由學生項目開展路徑圖可知，無論是高分組還是低分組，可行性分析（TK）均沒有納入主干研究路徑中，說明該環節是學生們的意識薄弱處。除此之外，高分組同學在設計儀器（DJ）后才進行可行性分析，與一般研究步驟不符。由此可見，在項目式實驗教學過程中，教師應引導學生從實驗環境、實驗條件、資金支持、技術支持、知識儲備、人員分配等多角度考慮實驗方案的可行性，尋找最優方案，避免造成時間、成本等資源浪費，或是某些條件的缺失造成項目不能按時完成，或項目質量不理想。

3 競賽活動中項目式實驗教學成效分析

教學效果評價是項目式教學的突出特征，評價內容涵蓋教學路徑各環節，通過形成性評價與結果評價綜合反映學生在知識、能力、團隊合作等方面成效，尤其應當突出創新性科學思維為核心素養的評價?；诟傎惖慕Y果，利用結構方程模型對項目式實驗教學對創新能力的影響做進一步的分析與驗證。

3.1 結構方程模型分析方法

結構方程模型利用一定的統計分析技術，根據理論模式與實際數據關系的一致性程度，對復雜現象的理論模式做出評價，以對實際問題進行定量研究［21］。一個完整的結構方程模型是由測量模型和結構方程模型兩部分組成［22］。其中測量模型用于描述測量指標與結構模型之間的關系，結構模型用于描述結構變量之間的關系。該方法是一種驗證性分析技術，適合驗證本研究所提出的“項目式實驗教學能否助力創新能力培養”問題。

3.2 模型構建思路與基本假設

基于圖3所示的項目式物理實驗教學過程，本研究構建了假設模型。模型中包含研究方法、研究內容產出以及創新能力3個潛變量。模型中包含兩個假設：①研究方法對研究內容產出有顯著影響；②研究型實驗鍛煉對學生創新能力培養有顯著影響。其中研究方法是隱性的運用智慧進行科學思維的技巧，是在已有研究基礎上或者自身從事科學研究過程中不斷總結、提煉出來的。在物理實驗教學中主要包含建模、設計兩個關鍵環節?！敖！敝傅氖乾F實問題系統的抽象表示能力，包括能夠提供理論和實際聯系的物理模型與系統定性和定量理解的測量模型［23］?！霸O計”指的是提出科學問題，設計具有可行性的實驗方案來回答所提問題并進行模型測試和優化。研究結果是研究方法顯性的成果產出，在物理實驗教學情境下主要從所設計的實驗裝置、答辯時的實驗現象以及實驗操作3方面進行考察。創新能力則從實驗技術、實驗裝置以及實驗設計3方面進行綜合考量。

最終各潛變量的具體觀測變量見表3，其中所有問項都采用李克特5級量表，數值“1”表示非常不同意，“2”表示不同意，“3”表示中立，“4”表示同意，“5”表示非常同意。

表3 卓越杯參賽項目情況的變量賦值

3.3 模型檢驗

本研究共收集了132份專家與同伴評分，利用SPSS（統計產品與服務解決方案）軟件與AMOS（矩陣結構分析）軟件分別對研究型物理實驗測量模型的信效度以及結構模型的擬合度進行檢驗。

（1）測量模型信效度檢驗。使用SPSS 22.0統計軟件分析初始測量模型所得Cronbach’s α系數＝0.727＞0.7，說明整體量表的可靠性較好。在Bartlett球形檢驗中，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin，檢驗統計量）系數＝0.728＞0.7且P＝0.000＜0.05，符合球形檢驗標準。結合KMO值和Bartlett球形檢驗值兩項指標可知，本量表信效度良好，適合進行因子分析。

（2）結構模型擬合度檢驗。利用AMOS軟件對假設模型和各個因子之間的關系進行檢驗，并依據檢驗結果對假設模型進行修訂。運行結果如表4所示，絕對適配指數、增值適配指數以及簡約適配指數均在標準范圍之內，表明結構模型的擬合度良好，可以進行結果解釋。

表4 結構模型擬合指數

（3）效應分析。最終模型得到系數估計結果如表5所示，各個路徑之間的P值均顯著，即各個潛變量之間、潛變量和觀察變量之間均通過了檢驗，可以在此基礎上考慮不同因素之間的效應關系。

表5 變量間的路徑系數與分析結果

圖4所示是完整的結構方程模型，其中A1～A5、R1～R5、C1～C3各觀測變量在表3中已作定義，潛變量包括研究結果、研究方法、創新能力。各變量之間用單箭頭直線連接，標準化路徑系數上方的*則代表該路徑的顯著性，路徑系數的數值越大則說明變量之間的影響效果越大。e（e1～e15）為干擾變量，它與觀測變量之間的數字代表測量誤差。通過圖中呈現的各個變量之間的路徑系數以及顯著性可見，①研究方法對研究內容產出有顯著影響。②研究項目的鍛煉過程對創新培養有顯著影響。該結果符合原始假設，說明了在項目式物理實驗教學中，科學的研究方法對高質量研究內容產出的重要性以及基于項目式物理實驗教學能夠鍛煉和激發學生的創新能力。該結果驗證了上述教學模式對卓越創新人才培養的有效性。

4 結 語

學科競賽是推動創新人才培養工作的重要載體。分析競賽活動中兼具前沿技術和創新設計的項目實施過程，對于物理實驗教學策略的指導價值重大、作用顯著。因此在競賽教學指導活動中所建構的面向卓越人才培養的項目式實驗教學模式，也可為線下的研究型實驗課程、線上的學生自主探究式學習以及混合式的教學提供教學活動的設計指導，具有一定的普適性和應用性。從上述分析結果可知，學生在項目開展過程中的難點主要在于一些復雜環節的把握、反思支架的建立以及可行性分析的缺失，教師應尤其重視這3方面的監督和引導。目前，項目式教學已成為大學教育改革與發展的一個重要趨勢以及提升教學質量的重要突破口，可拓展知識內容深度與廣度，激發學生探究熱情與創新意識，鍛煉學生的分析能力以及問題解決能力，助力全面培養卓越人才。