CUPT模式在大学物理实验教学中的应用及分析

蒲贤洁 吴小志 张选梅 李巧梅 郭莉杰 何光宏 韩 忠

(重庆大学物理学院，重庆大学物理实验国家级教学示范中心，重庆 401331)

近年来，重庆大学物理学院和大学物理实验国家级教学示范中心就大学物理课程和大学物理实验课程，开展了一系列的教学改革探索。其中，大学物理课堂演示实验[1, 2]和结合“中国大学生物理学术竞赛”(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)答辩模式的大学物理实验研究性教学[3, 4]是正在开展并逐步完善的两项教学研究项目。对于教学改革探索的效果评价，就大学物理课堂演示实验，我们已通过问卷调查形式，对比研究了学生对有演示实验和无演示实验的课次内容的印象和理解程度，并通过统计分析得出了课堂演示实验有利于大学物理教学的结论[1]。在这次问卷调查中，采用的是纸质问卷形式，这种形式在问卷发放、回收及数据统计方面，都表现出了耗时费力并且极不灵活的缺陷。

随着网络技术和各种终端设备的发展，问卷调查也从原始的纸质形式，逐渐发展到智能终端操作的模式，并深入人们的日常学习、工作、娱乐和生活中。在教学方面，“雨课堂”[5]和“问卷星”[6]已进入大、中、小学的课堂内外。“雨课堂”的优势在于教学互动，而“问卷星”的初衷在于问卷调查。“问卷星”是广泛应用的免费问卷调查平台，可以在线完成问卷设计、回收答卷和数据统计分析，极大地减轻了问卷调查的工作量，提高了问卷调查的灵活性、时效性以及数据分析的有效性。鉴于以上优势，教研组决定在大学物理实验研究性教学项目的开展中借助“问卷星”网络平台设计调查问卷，在研究性实验开展前和开展后分别进行前测、后测，考察学生通过研究性实验在知识获取运用、研究兴趣培养、文献查阅分析、实验设计操作等方面的学习成效，并对开展项目的学期期末成绩进行统计分析加以印证。

1 CUPT模式应用及调查开展

1.1 CUPT模式应用与调查程序

以重庆大学2017～2018第一学期参与大学物理实验研究性教学的4个教学班的全体学生为研究对象，在普通教学内容中选出的11个基础和综合实验完成后，实施问卷调查前测，同时开放“测钠光双线波长差”“测色散曲线”“测金属丝切变模量”“研究弦振动现象”等4个研究性实验供学生选题。学生组成4个队，按照CUPT模式开展，每个队选择两个实验(A实验作为正方，B实验作为反方)，经过查阅资料、讨论确定方案、测试数据、分析数据、撰写研究报告后进行答辩。研究性实验项目开展完成后，实施问卷调查后测。应用CUPT模式的教学过程如下：

1) 教学前准备

选择两间实验室专门用于开展研究性实验项目，负责本次4个研究性实验项目的技术人员做好设备清单(其中每个实验项目按照2～3套配置)，负责设备的搬运和放置，并提前研究整个实验过程，获得第一手实验数据。按照“设备清单”“实验任务要求”“实验背景材料”整理资料，整个研究性实验教研组学习讨论。4个教学班任课教师熟悉实验，设计出一套研究性实验教学基本流程，向学生发放实验任务和背景资料。

2) 教学流程

基本流程：学生选题→查阅资料→讨论确定方案→测试数据→分析数据→撰写研究报告→按照CUPT模式答辩。详细内容如下：

最后一次基础实验结束后任课教师介绍4个研究性实验项目，学生自由组合为4个队，每个队抽签选择两个实验，A实验作为正方，B实验作为反方。抽签规则保证选题时每个实验项目有两个队，以便按照CUPT模式开展答辩。

选题后，学生课下查阅资料，在助教辅导下设计初步实验方案。在两次课堂中，教师、学生、助教一起讨论并确定A、B实验的方案、开展实验、获取实验数据。课后学生又在助教辅导下分析实验数据，得出实验结论，撰写A、B两个实验的研究报告(包括引言、原理、方案、数据及分析、结论、参考文献等内容)。

研究性实验第三次课4个教学班分别开展班内答辩，第四次课开展班间答辩。答辩参照CUPT模式开展：正方PPT展示10分钟，反方提问并展示10分钟，评论方(两个队)点评10分钟；每个队的A实验作为正方，B实验作为反方，不作为正反方时就是评论方，即场上有4个队——1正1反2评论；答辩期间，队长抽签排出A实验的正方展示顺序；评论方给正反双方打分，老师给评论方打分，评分细则参照CUPT规则；班级组队进行班间答辩(4个班4个队)，答辩流程和班内答辩流程一致。

3) 考核方案

研究性实验按所占学时权重与基础实验结合形成大学物理实验平时成绩中的实验报告成绩。研究性实验部分的评分标准如下：

研究报告100分：每组交A实验和B实验两个研究报告。背景和原理40分，要体现查阅文献资料的情况，原理要体现分析文献资料的能力；实验方案20分，体现灵活运用所学知识设计实验方案的能力；数据分析40分，分析数据，得出结论。

答辩60分：两个评论方给正反双方打分，教师给评论方打分。打分基础分45分(满分60分)，优秀之处加分，有问题处减分。班间答辩分出1、2、3、4名，前三名班级整体依次总分加分1.5、1、0.5，第四名不加分。每班上场队员每人加0.5分。

图1 “问卷星”生成大学物理实验课程问卷页面

1.2 问卷设计

问卷在“问卷星”网络平台制作，采用李克特七点量表[7]形式编制，如图1 所示。其中，选项“7、6、5、4、3、2、1”分别对应“非常同意、同意、比较同意、一般、比较不同意、不同意、非常不同意”，用以评估受测者对该项陈述的认同程度。问卷前测、后测均有相同的12道题，题干分别为：(1)对“研究性实验”有深刻的理解；(2)对“研究性实验”有浓厚的兴趣；(3)关于“物体切变模量的测定”有深刻的理解；(4)关于“超声多普勒效应及其应用”有深刻的理解；(5)非常清楚“钠光双线波长差的测量”；(6)非常清楚“物质色散曲线的测绘”；(7)关于“非线性电路中的混沌现象”有深刻的理解；(8)关于“弦振动和乐理”有深刻的理解；(9)能熟练且有效地查阅文献资料；(10)对查阅到的文献资料，会产生质疑和提出问题；(11)你认为“研究性实验”能培养灵活运用知识的能力吗？(12)你认为“研究性实验”能提高实验设计的能力吗？其中，题目(1)、(2)、(9)、(10)、(11)、(12)设计为考察学生通过“研究性实验”的开展，在知识获取运用、研究兴趣培养、文献查阅分析、实验设计操作等方面获得提升的总体自我评价；题目(3)、(5)、(6)、(8)为学生通过分组研究和答辩，实际参与的实验项目；题目(4)、(7)实验项目作为对照项并未开展。

为了衡量学生在具体参与的研究性实验项目上获得的实际认知水平，后测比前测多设计一道题目(图1(b)所示第13题)，要求学生选择“本次参与的研究项目内容”。为了便于数据统计，同时也为了避免“问卷星”可以重复提交答卷的缺陷，在前测、后测问卷中，均要求学生填写学号，作为受测者的问卷代号。所设计好的问卷可以预览试测，确定后点击“发布”即可通过链接或二维码的方式发送给受测者。

图2 “问卷星”问卷回收

1.3 问卷回收

停止问卷运行后，在每组问卷下点击“分析&下载”菜单(如图2(a)所示)，可以看到子菜单“统计&分析”“查看下载答卷”和“来源分析”。其中“统计&分析”提供了基本的“默认报告”(包括每道题每个选项所占百分比)、“分类统计”“交叉分析”和“自定义查询”等栏目。笔者沿用以往做问卷调查的习惯，在数据统计分析上，仍然采用Matlab和SPSS[8]，所以选择子菜单“查看下载答卷”，如图2(b)所示，可以将完整答卷以EXCEL格式或SPSS文件格式下载，以EXCEL格式下载的数据如图2(c)所示，为了方便分析统计，在EXCEL里可以对数据进行分类排序等。

2 结果统计与分析

图3 问卷统计结果

在Excel中将下载的答卷数据按照学号进行排序，剔除只参与了前测或者只参与了后测的答卷数据，只保留同时参与前测、后测的答卷数据，以便进行前、后测数据的对比分析。再将前测、后测的数据分别按照图1(b)所示第13题——“本次参与的研究项目”的选项进行分组，分为“切变模量”组，“钠光双线”组，“色散曲线”组，“弦振动乐理”组。将前测、后测的每组数据导入Matlab中分别计算每道题目的平均分值和标准差，如图3(a)～(d)所示。图3(e)为4个研究分组综合的每道题目的平均分值和标准差。由图3结合表1配对t检验的p值，可以得到以下5点结果：(1)具体参与到对应研究性实验的分组，在相应的研究性实验内容的理解上，其自我评分的均值，后测均较前测有大幅的显著性提升(七点量表评分均值4组综合上升1.41，p值均<0.01，具极显著差异)；(2)作为对照项，并未开展的“超声多普勒”和“电路混沌”两个研究性实验，各组对其内容理解的自我评分均值，均无提升甚至出现明显下降( “超声多普勒”评分均值4组综合下降5.83，p=0.006显著下降；“电路混沌”评分均值4组综合无变化，p=1.000无显著性差异)；(3)由于图1(b)所示第13题——“本次参与的研究项目”设置为“至少选择一项”，某些同学将作为CUPT答辩模式中反方的内容也作为了“本次参与的研究项目”(实际上这也是本题设计的目的之一，考察学生作为反方的收益成效)，因此“切变模量”组和“弦振动乐理”组在对相互的内容理解的评分上后测比前测也有明显的提升，“钠光双线”组和“色散曲线”组在对相互的内容理解的评分上后测比前测也有明显的提升(p值均<0.01，具极显著差异)；(4)旁听式的参与CUPT模式研究结果的答辩与讨论，对所听实验内容的理解后测比前测有较小的提升(如“切变模量组”的“钠光双线”和“色散曲线”评分，“钠光双线”组的“切变模量”和“弦振动乐理”评分，其他2组亦同)；(5)整个“研究性实验”项目，在帮助学生对研究性实验的理解、查阅文献、分析文献方面均有明显效果，然而在研究性实验对知识运用和实验设计方面，本次研究性实验的开展均没有表现出明显的作用。

表1 前测-后测配对t检验

续表

3 统考成绩检验

为了从客观角度(他评，问卷为主观角度——自评)印证CUPT模式研究性实验教学的成效，我们还分析了全校学生的期末考试成绩，对总成绩和小题的得分率进行了统计。开展研究性实验项目的学期全校参与考试的学生总人数为2253人，其中117人完成了CUPT模式研究性实验教学项目。期末考试题型为填空题、选择题、计算题、设计题4个部分。表2为参与研究性实验教学项目的4个班每一题得分率和总得分率。其中4个班总分得分率为0.70，而全校未参与本项目的班级总分得分率为0.59。为进一步排除授课教师的影响因素，对参与本研究性实验项目的一位教师所教授的4个班级(1个班参与本项目，3个班未参与)的笔试得分率进行统计，如图4所示。通过以上期末笔试成绩分析，从一定程度肯定了CUPT模式研究性实验项目有利于提高大学物理实验教学的成效。

表2 CUPT模式研究性实验教学班考试得分率

图4 同一教师不同班级得分率

4 结论

本文以同一学期中参与大学物理实验研究性教学的学生为研究对象，在传统实验教学基础上增设研究性实验，并按CUPT模式开展，在研究性实验开展前实施问卷前测，开展后实施问卷后测，采用自编李克特七点量表，在“问卷星”网络平台发布并回收问卷。同时也统计了本学期的全校期末笔试成绩以作印证分析。由统计结果得出以下几点主要结论：参与研究性实验项目的班级期末笔试成绩较普通班级高出11%，从一定程度肯定了CUPT模式研究性实验项目对于学生学习研究兴趣的提高从而促进了教学成效；具体实际的研究性实验的参与(无论作为正方去陈述研究结果，还是作为反方去质疑研究结果)，将对该研究内容的理解有非常大的实质性提升；旁听式参与CUPT模式研究结果的答辩与讨论，对相关实验内容也能获得一定程度的理解；本次开展的“研究性实验”项目，在帮助学生理解研究性实验、查阅文献、分析文献方面有明显效果，然而在知识运用和实验设计方面却没有表现出明显的作用，这与我们首次开展研究性实验的方案设计和实施过程有关，我们将在下一轮研究性实验中就这两方面能力的培养作出实施方案的调整。