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(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心，重慶 401331)

近年來(lái)，重慶大學(xué)物理學(xué)院和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家級(jí)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(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)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(duì)于教學(xué)改革探索的效果評(píng)價(jià)，就大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)，我們已通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查形式，對(duì)比研究了學(xué)生對(duì)有演示實(shí)驗(yàn)和無(wú)演示實(shí)驗(yàn)的課次內(nèi)容的印象和理解程度，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(wèn)卷調(diào)查中，采用的是紙質(zhì)問(wèn)卷形式，這種形式在問(wèn)卷發(fā)放、回收及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，都表現(xiàn)出了耗時(shí)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(wèn)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(lè)和生活中。在教學(xué)方面，“雨課堂”[5]和“問(wèn)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(shì)在于教學(xué)互動(dòng)，而“問(wèn)卷星”的初衷在于問(wèn)卷調(diào)查?！皢?wèn)卷星”是廣泛應(yīng)用的免費(fèi)問(wèn)卷調(diào)查平臺(tái)，可以在線完成問(wèn)卷設(shè)計(jì)、回收答卷和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，極大地減輕了問(wèn)卷調(diào)查的工作量，提高了問(wèn)卷調(diào)查的靈活性、時(shí)效性以及數(shù)據(jù)分析的有效性。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，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(wèn)卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，在研究性實(shí)驗(yàn)開展前和開展后分別進(jìn)行前測(cè)、后測(cè)，考察學(xué)生通過(guò)研究性實(shí)驗(yàn)在知識(shí)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(jì)操作等方面的學(xué)習(xí)成效，并對(duì)開展項(xiàng)目的學(xué)期期末成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(gè)教學(xué)班的全體學(xué)生為研究對(duì)象，在普通教學(xué)內(nèi)容中選出的11個(gè)基礎(chǔ)和綜合實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)施問(wèn)卷調(diào)查前測(cè)，同時(shí)開放“測(cè)鈉光雙線波長(zhǎng)差”“測(cè)色散曲線”“測(cè)金屬絲切變模量”“研究弦振動(dòng)現(xiàn)象”等4個(gè)研究性實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選題。學(xué)生組成4個(gè)隊(duì)，按照CUPT模式開展，每個(gè)隊(duì)選擇兩個(gè)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(guò)查閱資料、討論確定方案、測(cè)試數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、撰寫研究報(bào)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(wèn)卷調(diào)查后測(cè)。應(yīng)用CUPT模式的教學(xué)過(guò)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(gè)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(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)研究性實(shí)驗(yàn)教研組學(xué)習(xí)討論。4個(gè)教學(xué)班任課教師熟悉實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)→分析數(shù)據(jù)→撰寫研究報(bào)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(gè)研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生自由組合為4個(gè)隊(duì)，每個(gè)隊(duì)抽簽選擇兩個(gè)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(shí)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有兩個(gè)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(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)的研究報(bào)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(gè)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(wèn)并展示10分鐘，評(píng)論方(兩個(gè)隊(duì))點(diǎn)評(píng)10分鐘；每個(gè)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(shí)就是評(píng)論方，即場(chǎng)上有4個(gè)隊(duì)——1正1反2評(píng)論；答辯期間，隊(duì)長(zhǎng)抽簽排出A實(shí)驗(yàn)的正方展示順序；評(píng)論方給正反雙方打分，老師給評(píng)論方打分，評(píng)分細(xì)則參照CUPT規(guī)則；班級(jí)組隊(duì)進(jìn)行班間答辯(4個(gè)班4個(gè)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(shí)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(shí)成績(jī)中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。研究性實(shí)驗(yàn)部分的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：

研究報(bào)告100分：每組交A實(shí)驗(yàn)和B實(shí)驗(yàn)兩個(gè)研究報(bào)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(shí)設(shè)計(jì)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(gè)評(píng)論方給正反雙方打分，教師給評(píng)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(wèn)題處減分。班間答辯分出1、2、3、4名，前三名班級(jí)整體依次總分加分1.5、1、0.5，第四名不加分。每班上場(chǎng)隊(duì)員每人加0.5分。

圖1 “問(wèn)卷星”生成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程問(wèn)卷頁(yè)面

1.2 問(wèn)卷設(shè)計(jì)

問(wèn)卷在“問(wèn)卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(duì)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(píng)估受測(cè)者對(duì)該項(xiàng)陳述的認(rèn)同程度。問(wèn)卷前測(cè)、后測(cè)均有相同的12道題，題干分別為：(1)對(duì)“研究性實(shí)驗(yàn)”有深刻的理解；(2)對(duì)“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(cè)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(zhǎng)差的測(cè)量”；(6)非常清楚“物質(zhì)色散曲線的測(cè)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(dòng)和樂(lè)理”有深刻的理解；(9)能熟練且有效地查閱文獻(xiàn)資料；(10)對(duì)查閱到的文獻(xiàn)資料，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)疑和提出問(wèn)題；(11)你認(rèn)為“研究性實(shí)驗(yàn)”能培養(yǎng)靈活運(yùn)用知識(shí)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(jì)的能力嗎？其中，題目(1)、(2)、(9)、(10)、(11)、(12)設(shè)計(jì)為考察學(xué)生通過(guò)“研究性實(shí)驗(yàn)”的開展，在知識(shí)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(jì)操作等方面獲得提升的總體自我評(píng)價(jià)；題目(3)、(5)、(6)、(8)為學(xué)生通過(guò)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(duì)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(cè)比前測(cè)多設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容”。為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也為了避免“問(wèn)卷星”可以重復(fù)提交答卷的缺陷，在前測(cè)、后測(cè)問(wèn)卷中，均要求學(xué)生填寫學(xué)號(hào)，作為受測(cè)者的問(wèn)卷代號(hào)。所設(shè)計(jì)好的問(wèn)卷可以預(yù)覽試測(cè)，確定后點(diǎn)擊“發(fā)布”即可通過(guò)鏈接或二維碼的方式發(fā)送給受測(cè)者。

圖2 “問(wèn)卷星”問(wèn)卷回收

1.3 問(wèn)卷回收

停止問(wèn)卷運(yùn)行后，在每組問(wèn)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(jì)&分析”“查看下載答卷”和“來(lái)源分析”。其中“統(tǒng)計(jì)&分析”提供了基本的“默認(rèn)報(bào)告”(包括每道題每個(gè)選項(xiàng)所占百分比)、“分類統(tǒng)計(jì)”“交叉分析”和“自定義查詢”等欄目。筆者沿用以往做問(wèn)卷調(diào)查的習(xí)慣，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)，在EXCEL里可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類排序等。

2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

圖3 問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在Excel中將下載的答卷數(shù)據(jù)按照學(xué)號(hào)進(jìn)行排序，剔除只參與了前測(cè)或者只參與了后測(cè)的答卷數(shù)據(jù)，只保留同時(shí)參與前測(cè)、后測(cè)的答卷數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行前、后測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。再將前測(cè)、后測(cè)的數(shù)據(jù)分別按照?qǐng)D1(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(dòng)樂(lè)理”組。將前測(cè)、后測(cè)的每組數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中分別計(jì)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(gè)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(duì)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(duì)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(píng)分的均值，后測(cè)均較前測(cè)有大幅的顯著性提升(七點(diǎn)量表評(píng)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(duì)照項(xiàng)，并未開展的“超聲多普勒”和“電路混沌”兩個(gè)研究性實(shí)驗(yàn)，各組對(duì)其內(nèi)容理解的自我評(píng)分均值，均無(wú)提升甚至出現(xiàn)明顯下降( “超聲多普勒”評(píng)分均值4組綜合下降5.83，p=0.006顯著下降；“電路混沌”評(píng)分均值4組綜合無(wú)變化，p=1.000無(wú)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(jì)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(dòng)樂(lè)理”組在對(duì)相互的內(nèi)容理解的評(píng)分上后測(cè)比前測(cè)也有明顯的提升，“鈉光雙線”組和“色散曲線”組在對(duì)相互的內(nèi)容理解的評(píng)分上后測(cè)比前測(cè)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(duì)所聽實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解后測(cè)比前測(cè)有較小的提升(如“切變模量組”的“鈉光雙線”和“色散曲線”評(píng)分，“鈉光雙線”組的“切變模量”和“弦振動(dòng)樂(lè)理”評(píng)分，其他2組亦同)；(5)整個(gè)“研究性實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，在幫助學(xué)生對(duì)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(duì)知識(shí)運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，本次研究性實(shí)驗(yàn)的開展均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的作用。

表1 前測(cè)-后測(cè)配對(duì)t檢驗(yàn)

續(xù)表

3 統(tǒng)考成績(jī)檢驗(yàn)

為了從客觀角度(他評(píng)，問(wèn)卷為主觀角度——自評(píng))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(jī)，對(duì)總成績(jī)和小題的得分率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。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(jì)算題、設(shè)計(jì)題4個(gè)部分。表2為參與研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的4個(gè)班每一題得分率和總得分率。其中4個(gè)班總分得分率為0.70，而全校未參與本項(xiàng)目的班級(jí)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(duì)參與本研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一位教師所教授的4個(gè)班級(jí)(1個(gè)班參與本項(xiàng)目，3個(gè)班未參與)的筆試得分率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。通過(guò)以上期末筆試成績(jī)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(jí)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(duì)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(wèn)卷前測(cè)，開展后實(shí)施問(wèn)卷后測(cè)，采用自編李克特七點(diǎn)量表，在“問(wèn)卷星”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布并回收問(wèn)卷。同時(shí)也統(tǒng)計(jì)了本學(xué)期的全校期末筆試成績(jī)以作印證分析。由統(tǒng)計(jì)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(jí)期末筆試成績(jī)較普通班級(jí)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(duì)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(wú)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(duì)該研究?jī)?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(duì)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(shí)運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面卻沒(méi)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(jì)和實(shí)施過(guò)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。