蒲賢潔 吳小志 張選梅 李巧梅 郭莉杰 何光宏 韓 忠

(重慶大學物理學院，重慶大學物理實驗國家級教學示范中心，重慶 401331)

近年來，重慶大學物理學院和大學物理實驗國家級教學示范中心就大學物理課程和大學物理實驗課程，開展了一系列的教學改革探索。其中，大學物理課堂演示實驗[1, 2]和結合“中國大學生物理學術競賽”(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)答辯模式的大學物理實驗研究性教學[3, 4]是正在開展并逐步完善的兩項教學研究項目。對于教學改革探索的效果評價，就大學物理課堂演示實驗，我們已通過問卷調查形式，對比研究了學生對有演示實驗和無演示實驗的課次內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驗有利于大學物理教學的結論[1]。在這次問卷調查中，采用的是紙質問卷形式，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)出了耗時費力并且極不靈活的缺陷。

隨著網絡技術和各種終端設備的發(fā)展，問卷調查也從原始的紙質形式，逐漸發(fā)展到智能終端操作的模式，并深入人們的日常學習、工作、娛樂和生活中。在教學方面，“雨課堂”[5]和“問卷星”[6]已進入大、中、小學的課堂內外?！坝暾n堂”的優(yōu)勢在于教學互動，而“問卷星”的初衷在于問卷調查。“問卷星”是廣泛應用的免費問卷調查平臺，可以在線完成問卷設計、回收答卷和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，極大地減輕了問卷調查的工作量，提高了問卷調查的靈活性、時效性以及數(shù)據(jù)分析的有效性。鑒于以上優(yōu)勢，教研組決定在大學物理實驗研究性教學項目的開展中借助“問卷星”網絡平臺設計調查問卷，在研究性實驗開展前和開展后分別進行前測、后測，考察學生通過研究性實驗在知識獲取運用、研究興趣培養(yǎng)、文獻查閱分析、實驗設計操作等方面的學習成效，并對開展項目的學期期末成績進行統(tǒng)計分析加以印證。

1 CUPT模式應用及調查開展

1.1 CUPT模式應用與調查程序

以重慶大學2017～2018第一學期參與大學物理實驗研究性教學的4個教學班的全體學生為研究對象，在普通教學內容中選出的11個基礎和綜合實驗完成后，實施問卷調查前測，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個研究性實驗供學生選題。學生組成4個隊，按照CUPT模式開展，每個隊選擇兩個實驗(A實驗作為正方，B實驗作為反方)，經過查閱資料、討論確定方案、測試數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、撰寫研究報告后進行答辯。研究性實驗項目開展完成后，實施問卷調查后測。應用CUPT模式的教學過程如下：

1) 教學前準備

選擇兩間實驗室專門用于開展研究性實驗項目，負責本次4個研究性實驗項目的技術人員做好設備清單(其中每個實驗項目按照2～3套配置)，負責設備的搬運和放置，并提前研究整個實驗過程，獲得第一手實驗數(shù)據(jù)。按照“設備清單”“實驗任務要求”“實驗背景材料”整理資料，整個研究性實驗教研組學習討論。4個教學班任課教師熟悉實驗，設計出一套研究性實驗教學基本流程，向學生發(fā)放實驗任務和背景資料。

2) 教學流程

基本流程：學生選題→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。詳細內容如下：

最后一次基礎實驗結束后任課教師介紹4個研究性實驗項目，學生自由組合為4個隊，每個隊抽簽選擇兩個實驗，A實驗作為正方，B實驗作為反方。抽簽規(guī)則保證選題時每個實驗項目有兩個隊，以便按照CUPT模式開展答辯。

選題后，學生課下查閱資料，在助教輔導下設計初步實驗方案。在兩次課堂中，教師、學生、助教一起討論并確定A、B實驗的方案、開展實驗、獲取實驗數(shù)據(jù)。課后學生又在助教輔導下分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結論，撰寫A、B兩個實驗的研究報告(包括引言、原理、方案、數(shù)據(jù)及分析、結論、參考文獻等內容)。

研究性實驗第三次課4個教學班分別開展班內答辯，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)點評10分鐘；每個隊的A實驗作為正方，B實驗作為反方，不作為正反方時就是評論方，即場上有4個隊——1正1反2評論；答辯期間，隊長抽簽排出A實驗的正方展示順序；評論方給正反雙方打分，老師給評論方打分，評分細則參照CUPT規(guī)則；班級組隊進行班間答辯(4個班4個隊)，答辯流程和班內答辯流程一致。

3) 考核方案

研究性實驗按所占學時權重與基礎實驗結合形成大學物理實驗平時成績中的實驗報告成績。研究性實驗部分的評分標準如下：

研究報告100分：每組交A實驗和B實驗兩個研究報告。背景和原理40分，要體現(xiàn)查閱文獻資料的情況，原理要體現(xiàn)分析文獻資料的能力；實驗方案20分，體現(xiàn)靈活運用所學知識設計實驗方案的能力；數(shù)據(jù)分析40分，分析數(shù)據(jù)，得出結論。

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。每班上場隊員每人加0.5分。

圖1 “問卷星”生成大學物理實驗課程問卷頁面

1.2 問卷設計

問卷在“問卷星”網絡平臺制作，采用李克特七點量表[7]形式編制，如圖1 所示。其中，選項“7、6、5、4、3、2、1”分別對應“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陳述的認同程度。問卷前測、后測均有相同的12道題，題干分別為：(1)對“研究性實驗”有深刻的理解；(2)對“研究性實驗”有濃厚的興趣；(3)關于“物體切變模量的測定”有深刻的理解；(4)關于“超聲多普勒效應及其應用”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“物質色散曲線的測繪”；(7)關于“非線性電路中的混沌現(xiàn)象”有深刻的理解；(8)關于“弦振動和樂理”有深刻的理解；(9)能熟練且有效地查閱文獻資料；(10)對查閱到的文獻資料，會產生質疑和提出問題；(11)你認為“研究性實驗”能培養(yǎng)靈活運用知識的能力嗎？(12)你認為“研究性實驗”能提高實驗設計的能力嗎？其中，題目(1)、(2)、(9)、(10)、(11)、(12)設計為考察學生通過“研究性實驗”的開展，在知識獲取運用、研究興趣培養(yǎng)、文獻查閱分析、實驗設計操作等方面獲得提升的總體自我評價；題目(3)、(5)、(6)、(8)為學生通過分組研究和答辯，實際參與的實驗項目；題目(4)、(7)實驗項目作為對照項并未開展。

為了衡量學生在具體參與的研究性實驗項目上獲得的實際認知水平，后測比前測多設計一道題目(圖1(b)所示第13題)，要求學生選擇“本次參與的研究項目內容”。為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同時也為了避免“問卷星”可以重復提交答卷的缺陷，在前測、后測問卷中，均要求學生填寫學號，作為受測者的問卷代號。所設計好的問卷可以預覽試測，確定后點擊“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

停止問卷運行后，在每組問卷下點擊“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“默認報告”(包括每道題每個選項所占百分比)、“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查的習慣，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)進行分類排序等。

2 結果統(tǒng)計與分析

圖3 問卷統(tǒng)計結果

在Excel中將下載的答卷數(shù)據(jù)按照學號進行排序，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——“本次參與的研究項目”的選項進行分組，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)導入Matlab中分別計算每道題目的平均分值和標準差，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準差。由圖3結合表1配對t檢驗的p值，可以得到以下5點結果：(1)具體參與到對應研究性實驗的分組，在相應的研究性實驗內容的理解上，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，并未開展的“超聲多普勒”和“電路混沌”兩個研究性實驗，各組對其內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——“本次參與的研究項目”設置為“至少選擇一項”，某些同學將作為CUPT答辯模式中反方的內容也作為了“本次參與的研究項目”(實際上這也是本題設計的目的之一，考察學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模式研究結果的答辯與討論，對所聽實驗內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“研究性實驗”項目，在幫助學生對研究性實驗的理解、查閱文獻、分析文獻方面均有明顯效果，然而在研究性實驗對知識運用和實驗設計方面，本次研究性實驗的開展均沒有表現(xiàn)出明顯的作用。

表1 前測-后測配對t檢驗

續(xù)表

3 統(tǒng)考成績檢驗

為了從客觀角度(他評，問卷為主觀角度——自評)印證CUPT模式研究性實驗教學的成效，我們還分析了全校學生的期末考試成績，對總成績和小題的得分率進行了統(tǒng)計。開展研究性實驗項目的學期全校參與考試的學生總人數(shù)為2253人，其中117人完成了CUPT模式研究性實驗教學項目。期末考試題型為填空題、選擇題、計算題、設計題4個部分。表2為參與研究性實驗教學項目的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，而全校未參與本項目的班級總分得分率為0.59。為進一步排除授課教師的影響因素，對參與本研究性實驗項目的一位教師所教授的4個班級(1個班參與本項目，3個班未參與)的筆試得分率進行統(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模式研究性實驗項目有利于提高大學物理實驗教學的成效。

表2 CUPT模式研究性實驗教學班考試得分率

圖4 同一教師不同班級得分率

4 結論

本文以同一學期中參與大學物理實驗研究性教學的學生為研究對象，在傳統(tǒng)實驗教學基礎上增設研究性實驗，并按CUPT模式開展，在研究性實驗開展前實施問卷前測，開展后實施問卷后測，采用自編李克特七點量表，在“問卷星”網絡平臺發(fā)布并回收問卷。同時也統(tǒng)計了本學期的全校期末筆試成績以作印證分析。由統(tǒng)計結果得出以下幾點主要結論：參與研究性實驗項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模式研究性實驗項目對于學生學習研究興趣的提高從而促進了教學成效；具體實際的研究性實驗的參與(無論作為正方去陳述研究結果，還是作為反方去質疑研究結果)，將對該研究內容的理解有非常大的實質性提升；旁聽式參與CUPT模式研究結果的答辯與討論，對相關實驗內容也能獲得一定程度的理解；本次開展的“研究性實驗”項目，在幫助學生理解研究性實驗、查閱文獻、分析文獻方面有明顯效果，然而在知識運用和實驗設計方面卻沒有表現(xiàn)出明顯的作用，這與我們首次開展研究性實驗的方案設計和實施過程有關，我們將在下一輪研究性實驗中就這兩方面能力的培養(yǎng)作出實施方案的調整。