大學生物理實驗競賽行為分析與策略研究

王 琦,李漁迎,倪 晨,方 愷,陸 萍

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是新時代高等教育的重要任務，加強大學生的科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力也是高校物理教學的重點課題。近年來的教學研究表明，學科競賽在創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有突出的優(yōu)勢，競賽活動調動學生主動學習的積極性，有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法及綜合能力[1]。競賽也為學生提供平臺與機會，幫助學生在活動中協(xié)同創(chuàng)新，強化實踐育人環(huán)節(jié)，開展物理實驗學術交流。

基于競賽形式切實培養(yǎng)高素質創(chuàng)新型人才的關鍵在于科學的教學指導[2]。學生在參賽過程中采用科學的研究方法對提高學生學習效果和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力具有重要意義。此外，學術規(guī)范的研究行為模式可以促進學生世界觀與方法論的形成，提升學生學術道德和規(guī)范誠信的科學素養(yǎng)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，初次參賽學生在研究過程中存在盲目性，缺乏系統(tǒng)性和科學性，極大地制約了學術能力的提升。因此，為指導學生在競賽中如何科學系統(tǒng)地開展學術研究，本文嘗試以對“卓越杯”大學生物理實驗競賽中專家評閱和參賽過程學習行為數(shù)據(jù)為依據(jù)，挖掘并分析具有代表性的學生研究學習的行為模式，以期為教師和參賽學生提供參考，提高物理實驗競賽的教學效果。

1 研究現(xiàn)狀

目前，越來越多的研究者開始關注學習過程的行為，嘗試構建學生的行為序列。李綠山等學者利用滯后序列分析法對移動語言輔助學習系統(tǒng)中的學生學習行為數(shù)據(jù)進行分析，探索了學生在移動技術環(huán)境下英語學習行為的特點，為教學設計提供了參考[4]。牟智佳等學者用滯后序列分析法對不同類型初中學習者的課堂學習行為序列轉換進行分析，挖掘了不同類型學習者存在的問題學習行為，在此基礎上設計了基于問題學習行為的教學干預機制[5]。劉智等學者基于SPOC平臺中的學生學習行為記錄，采用滯后序列分析法提取學生顯著的行為模式，進行了差異性分析，并以此為依據(jù)提出了教學設計建議[6]。由此可見，滯后序列分析法是基于過程性數(shù)據(jù)建構、分析學生的行為模式的常用方法。然而，這類研究多集中在遠程學習或常規(guī)課堂學習領域，將研究聚焦于物理實驗競賽這一領域的相對匱乏。

朱保華研究者提出以大學物理實驗競賽為載體，通過分析競賽中學生的表現(xiàn)，反思人才培養(yǎng)方式的有效性和不足之處，實施基于物理實驗競賽的人才培養(yǎng)過程[7]。武翔等人以CD氣墊船為例，從題目分析、實驗裝置制作、理論建模、實驗對比、交流展示這五個競賽階段分別闡釋了教師的指導作用，促進了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[8]。何運健學者認為在競賽中取得好成績的關鍵在于教師的訓練與指導方法，并基于競賽經(jīng)驗提出了五點方法建議[9]。目前關于大學生物理實驗競賽的論文多是基于經(jīng)驗、政策展開的，相對較為宏觀，實證研究較少。因此，針對物理實驗競賽特征，通過系統(tǒng)分析大學生過程性行為，構建科學的備賽行為模式的相關研究亟須進一步深入和細化。

2 研究設計

2.1 “卓越杯”大學生物理實驗競賽簡介

“卓越杯”大學生物理實驗競賽是卓越聯(lián)盟高校大學生開展創(chuàng)新物理實驗設計與教學交流的重要賽事。通過競賽引導學生加深對大學物理基礎理論的理解和運用，強化物理基礎理論與實踐的結合，提高大學生的綜合能力和實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作意識。近年來，隨著國家對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的提升，競賽越來越受到各高校的重視，參與度和影響力日益提高。

競賽采取預先公開競賽內容與要求的形式，選手組隊在本校進行場外準備，比賽期間參賽學生在競賽現(xiàn)場進行實驗、展示和答辯。因此，參賽過程中團隊分工、研究方法、知識儲備等環(huán)節(jié)對于競賽的結果起到了不可忽視的作用，需要教師科學的指導與干預策略。

2.2 研究對象

第三屆“卓越杯”大學生物理實驗競賽在2020年由同濟大學承辦，參賽學生來自南開大學、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學等九所卓越高校聯(lián)盟高校。競賽命題與大學物理和物理實驗課程教學內容緊密結合，以物理前沿應用和創(chuàng)新設計為命題準則，包括命題類和自選題目類兩種類型賽題。命題類賽題側重于引導學生科研能力的培養(yǎng)和提高，綜合掌握研究方法，并在實踐中提高分析問題和解決問題的能力。自選類賽題則為學生提供了更自由的研究創(chuàng)新的空間。

自選類、命題類決賽均借助ZOOM平臺，采用線上直播演示實驗并答辯的形式，共有4個賽場，分別由來自不同高校的專家按照統(tǒng)一的評分規(guī)則獨立評分，取均分作為最終成績。評分分為三個一級維度，分別為研究方法、研究內容、研究成果；三個一級維度下，共分為6個二級維度，分別為科學性、客觀性、先進性、安全性、實效性、創(chuàng)新性。本文選擇第三屆24個決賽項目組成員作為分析對象。因此研究者按照賽題類型與成績排序，將競賽小組分為四類，分別為自選類高分組、自選類低分組、命題類高分組與命題類低分組，其中每類包含了6個參賽隊。

通過對自選類與命題類的高低組分別進行獨立樣本T檢驗得sig=0.02<0.05，可知兩類小組的高低分組之間均存在顯著差異。筆者為了更加直觀查看高低組不同維度得分差異，對三個一級評分維度數(shù)據(jù)進行歸一處理，數(shù)值越接近1則得分越高，畫出柱形圖如圖1所示。自選類高低分組在研究內容維度上差距較大，命題類則是在研究方法和研究成果這兩個維度上差距較大。高分組與低分組在競賽創(chuàng)新性、實效性和安全性這三個二級維度得分都相對較低，說明學生在這三個維度上的能力均有所欠缺，需要特別培養(yǎng)與提升。

表1 競賽評分維度表

表2 四類小組總平均分數(shù)

圖1 四類小組一級維度得分柱形圖

圖2 四類小組二級維度得分雷達圖

2.3 研究方法

本研究主要采用調查法與訪談法。為了收集選手在備賽過程中的相關數(shù)據(jù)，在選手提交競賽作品同時，要求選手回顧反思整個備賽流程并畫出項目完成的流程圖。同時，為了更詳細的了解教師在備賽過程中指導干預行為，對參賽小組組長就備賽過程中遇到的問題和解決方式、教師指導干預行為及角色等方面進行了訪談，收集了訪談數(shù)據(jù)，由兩位研究者共同對各小組的備賽流程和行為進行梳理。

2.4 數(shù)據(jù)收集與分析

本研究采用滯后序列分析法對24組參賽隊伍的備賽行為進行分析。滯后序列分析法(Lag Sequential Analysis,簡稱LSA)由Sackett于1978年提出[10]，主要用于檢驗人們發(fā)生一種行為之后另外一種行為出現(xiàn)的概率及其是否存在統(tǒng)計意義上的顯著性[11]。本研究旨在提取出顯著的行為序列，以此了解參賽選手備賽過程中探究型行為特征，為教師的指導干預提供依據(jù)。

為了對數(shù)據(jù)進行進一步的分析，進行可視化的處理，需要對收集數(shù)據(jù)進行編碼。美國物理教師協(xié)會將物理實驗教學目標分為了建模、設計、技能、數(shù)據(jù)分析、科學交流[12]。本研究中將物理實驗競賽的備賽主路徑行為主要劃分為選題、建模、設計、分析與結論五階段，在五個階段中交替產(chǎn)生的探究型行為，這是協(xié)同知識建構的過程，受到教師進行指導與干預影響較大。在彭紹東提出的“BCL知識建構三循環(huán)模型”中將協(xié)作知識建構行為分為質疑辯論、評價反思、學習設計等種類[13]。結合物理實驗競賽特征，研究者將探究型行為分為教師指導、同伴交流、查找資料、學習儲備、反思迭代五類。最終形成編碼表如表3所示。由兩位研究者對四類共24組數(shù)據(jù)進行編碼，本文利用GSEQ 5.1(General Sequential Querier 5.1)軟件對編碼數(shù)據(jù)進行分析。使用SPSS工具計算其Cronbach’s α系數(shù)為0.823>0.8，說明本研究的編碼部分具有較高一致性信度。

表3 參賽小組備賽序列調查編碼表

續(xù)表

3 結果分析

將四類編碼數(shù)據(jù)導入到GSEQ5.1中，生成行為頻率轉換表，再對表格數(shù)據(jù)進行標準分數(shù)轉換，形成行為殘差表，從中篩選出標準分數(shù)z-score>1.96的行為序列，存在顯著的行為轉換關系，然后，根據(jù)篩選結果分別生成四類競賽隊伍的行為序列圖。

3.1 行為序列分析

自選類高分組行為較為有序(圖3)，形成了兩條單向行為序列，探索型行為主要集中在選題以及做出結論兩個環(huán)節(jié)上，其行為主要是同伴交流(TH)、查找資料(TC)和反思迭代(TF)三類。整體基本按照“建模-設計-分析-結論”的序列進行備賽。

圖3 自選類高分組行為序列圖

自選類低分組形成的序列較為復雜(圖4)，行為節(jié)點較多，由多條行為序列相交而成，說明這類小組在進行備賽時行為相對無序。以測量系統(tǒng)建模(BC)、分析數(shù)據(jù)(AF)、設計儀器(DJ)這三個行為節(jié)點為起點的行為序列均出現(xiàn)多條。此外，包含的探究型行為節(jié)點種類和數(shù)量較多，多集中在明確研究內容(XT)和分析階段。這說明這類小組在備賽過程中，缺乏計劃，沒有形成明顯的序列行為。

圖4 自選類低分組行為序列圖

命題類高分組的行為序列特點較為突出(圖5)，形成了兩條循環(huán)路徑。這表明這類小組在備賽過程中存在螺旋式循環(huán)迭代。此外，這類小組在備賽過程中涉及的探索型行為主要集中在同伴交流(TH)、學習儲備(TX)與反思迭代(TF)這三類。探索型行為集中在設計與分析兩個階段。這類小組的行為基本按照“選題-設計-分析-結論”的順序進行備賽。

圖5 命題類高分組行為序列圖

命題類低分組的行為較為分散(圖6)，共形成了四條行為序列，且顯著性行為均為單向行為。探索型行為雖然種類較多，但是分布相對集中，主要集中在建模和設計階段。這意味著探索型行為主要集中在備賽過程前期，因此推斷這類小組在備賽過程中可能存在后期懈怠的現(xiàn)象。

圖6 命題類低分組行為序列圖

3.2 行為序列對比分析

(1)自選類與命題類行為序列對比分析

為了更加準確地確定不同類型競賽項目備賽序列的特征，研究者將自選類高分組行為序列圖與命題類高分組行為序列圖進行對比分析，試圖找到其序列的差異與共性，以便于為學生參加不同類型的物理實驗競賽提供可靠依據(jù)。自選類參賽項目在建模和設計的前期階段序列較為復雜，而命題類項目則在后期的分析與結論階段序列較為復雜。這反映了兩類競賽的側重點不同。

通過命題類項目備賽序列圖，發(fā)現(xiàn)探究行為主要集中在設計中的實驗驗證與分析兩個環(huán)節(jié)上；然而自選類項目備賽序列中的探究行為主要集中在選題與結論環(huán)節(jié)上，表現(xiàn)出兩類賽題的特征和目標存在差異。自選類項目重難點在于選題與創(chuàng)新，命題類項目重難點則在于理論與分析。因此相較于命題類項目，自選類參賽項目在選題環(huán)節(jié)更需要教師的指導與啟發(fā)，在教師指導下從物理現(xiàn)象分析，明確研究問題的創(chuàng)新點。命題類項目更加注重科學性與嚴謹性，這意味著重點在實驗驗證與數(shù)據(jù)分析，在這兩個環(huán)節(jié)中，教師需要引導學生進行探究型活動設計與結果分析。

從行為序列圖中可以看出，在兩種高分組序列中，學生在選題階段后都會進行不同類型的探究型活動，說明無論是參加哪種類型的物理實驗項目，都有熟悉選題的環(huán)節(jié)。在選題后，學生應該或協(xié)同或獨立進行競賽項目的解構，形成自己的想法和思路，在備賽初始階段掌握主動權，這為后面項目的準備打下堅實基礎。此外，兩種行為序列均顯示學習者都在重難點階段進行了反思迭代活動。因此，對于物理實驗過程中較為復雜的問題和難點，反思迭代是有效的解決手段，學生在備賽過程中遇到阻礙時，對先前所做的工作進行回顧分析。

(2)高分組與低分組行為序列對比分析

為了探究適合的探究型物理實驗的行為類型，本研究將自選類和命題類物理實驗項目的高低分組分別進行比較。通過高低分組的對比，可以更加直觀地看到同類項目下序列的差距和優(yōu)劣，為學生建立研究活動計劃提供參照。

在自選類項目門類下，高低分組的行為序列有較大差異。高分組序列行為相對集中、有序，大多按照“選題-建模-設計-分析-結論”的物理實驗流程進行，探究型行為主要集中在選題和結論階段；低分組行為較為分散，多從一種行為開始進行發(fā)散，較多進行嘗試性活動，行為較為無序，缺乏整體性。這意味著在進行自選類物理實驗項目備賽時按照基本科學流程較為高效，可以獲得高質量的研究成果。此外，在選題階段，高分組多數(shù)是在同伴交流后選擇題目，然后進行了資料的查閱；低分組更多的是請指導教師確定選題，之后學習者在此基礎上對陌生的內容進行學習。這在一定程度上可以推斷，有時指導教師確定的題目對學生的水平要求與學生自身現(xiàn)階段的水平不匹配，即題目難度較高，或者學生對于教師指定的題目領域缺乏必要的基礎或興趣，這也解釋低分組在后面的備賽中行為較為發(fā)散、無序的原因。對于低分組同學來說，主要通過同伴交流和反思迭代兩種方式來解決設計與分析過程中存在的問題，缺乏教師的直接指導并且缺乏制定具體備賽計劃的環(huán)節(jié)，這都導致了項目完成度和備賽效率低下。

在命題類項目中，高低分組的行為序列同樣存在較大差異。高分組的行為相對較為統(tǒng)一，說明在研究過程中，高分組通過調研在對已有的成果進行分析與總結。相反，低分組的行為較為分散，形成四條行為單線序列。高分組在選題之后首先進行了同伴交流和知識儲備的探究型活動，然后在設計與分析的難點階段產(chǎn)生了反思迭代的探究型活動。在“設計-分析-結論”三個重要階段形成閉環(huán)，說明高分組在研究過程中，在反復對實驗步驟進行優(yōu)化。與此同時，低分組探究型行為多集中在初期的建模和設計，對于重難點的分析部分卻缺乏探究，這可能是受到學生自身態(tài)度影響，隨著備賽時間的推移，學生可能會逐漸失去興趣和完善實驗的動力，這會導致“龍頭蛇尾”現(xiàn)象。通過對比發(fā)現(xiàn)，對于命題類項目不斷的反思與改進是非常重要的，在反思過程中對實驗過程進行螺旋上升式循環(huán)，優(yōu)化了實驗過程，保證了實驗的嚴謹性。因此，在這類物理實驗的競賽中，學生需要時常對前面的研究過程進行反思與迭代。

4 模式構建

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在參與競賽項目的過程中，學生的探究型行為決定了研究成果質量的關鍵。研究者通過對上述探究活動的研究類型與階段特征與，總結并歸納了探究型行為過程。構建了適合物理實驗競賽探究行為模式圖，如圖7所示。

圖7 學生參加物理實驗競賽行為模式圖

自選類項目的重難點在于選題與結論兩個階段，在這兩個階段最好能夠與指導教師進行交流。在選題階段，學生不可過分依賴教師，完全按照教師的想法進行選題是不可取的。最好能夠將教師的指導意見與自身的知識能力結合起來。在選題階段要以同伴交流為主，教師指導為輔，保持一定的主導性。在確定研究內容后，學生需要主動聯(lián)系指導教師，與教師共同制定詳細的研究計劃，對物理實驗過程中所需的理論知識和材料進行準備，這為后面?zhèn)滟愲A段的順利進行打下堅實的基礎。在項目后期，即分析與結論階段，學生需要具有迭代的意識，不斷反思先前的實驗環(huán)節(jié)，并優(yōu)化整個物理實驗過程。在最后結論階段，學生需要思考本項目的不足與展望，為實驗應用找到新的價值。

對于命題類項目來說，其重難點在于設計和分析兩個階段。在選題之后，同樣需要教師指導進行前期的準備和計劃，以確保實驗順利進行。但是對于這類項目，在中后期學生們可能會出現(xiàn)興趣流失、動機不足等現(xiàn)象，導致項目“龍頭蛇尾”。因此，學生需要提升自主內驅力，在項目找到自身價值與興趣。尤其在項目后期，可以定期與指導教師進行交流匯報，增加外部監(jiān)督力量，此外，需要不斷對前期工作進行反思迭代，保證整個物理實驗過程的科學性和嚴謹性。

5 結 語

物理實驗競賽是學生的實踐創(chuàng)新、理論聯(lián)系實際、研究探索和團隊協(xié)作等綜合能力培養(yǎng)的有效手段，并有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和科學素養(yǎng)。通過對參賽選手的備賽序列進行分析，可以為學習者建立合理的物理實驗競賽行為指導，幫助學生能夠更加科學、高效地開展學術研究活動，達到更好的競賽效果。該模式也適合將學科競賽與課程教學相結合，為物理實驗課程設計與開發(fā)提供參照。在未來，期望能夠從認知角度對參賽學生進行分析和對比，了解學生認知特征和水平變化，為競賽和課程設計提供依據(jù)，來更好的激發(fā)學習者競爭意識、創(chuàng)新意識，達到“以賽促學”的效果，深化“三全育人”實踐效能，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，實現(xiàn)一流本科課程的教學目標。