大学生物理实验竞赛行为分析与策略研究

王 琦,李渔迎,倪 晨,方 恺,陆 萍

(同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092)

创新人才的培养是新时代高等教育的重要任务，加强大学生的科技创新意识和创新能力也是高校物理教学的重点课题。近年来的教学研究表明，学科竞赛在创新能力培养具有突出的优势，竞赛活动调动学生主动学习的积极性，有效培养学生的创新意识、创新思维和创新方法及综合能力[1]。竞赛也为学生提供平台与机会，帮助学生在活动中协同创新，强化实践育人环节，开展物理实验学术交流。

基于竞赛形式切实培养高素质创新型人才的关键在于科学的教学指导[2]。学生在参赛过程中采用科学的研究方法对提高学生学习效果和发现问题、分析问题和解决问题的能力具有重要意义。此外，学术规范的研究行为模式可以促进学生世界观与方法论的形成，提升学生学术道德和规范诚信的科学素养[3]。研究发现，初次参赛学生在研究过程中存在盲目性，缺乏系统性和科学性，极大地制约了学术能力的提升。因此，为指导学生在竞赛中如何科学系统地开展学术研究，本文尝试以对“卓越杯”大学生物理实验竞赛中专家评阅和参赛过程学习行为数据为依据，挖掘并分析具有代表性的学生研究学习的行为模式，以期为教师和参赛学生提供参考，提高物理实验竞赛的教学效果。

1 研究现状

目前，越来越多的研究者开始关注学习过程的行为，尝试构建学生的行为序列。李绿山等学者利用滞后序列分析法对移动语言辅助学习系统中的学生学习行为数据进行分析，探索了学生在移动技术环境下英语学习行为的特点，为教学设计提供了参考[4]。牟智佳等学者用滞后序列分析法对不同类型初中学习者的课堂学习行为序列转换进行分析，挖掘了不同类型学习者存在的问题学习行为，在此基础上设计了基于问题学习行为的教学干预机制[5]。刘智等学者基于SPOC平台中的学生学习行为记录，采用滞后序列分析法提取学生显著的行为模式，进行了差异性分析，并以此为依据提出了教学设计建议[6]。由此可见，滞后序列分析法是基于过程性数据建构、分析学生的行为模式的常用方法。然而，这类研究多集中在远程学习或常规课堂学习领域，将研究聚焦于物理实验竞赛这一领域的相对匮乏。

朱保华研究者提出以大学物理实验竞赛为载体，通过分析竞赛中学生的表现，反思人才培养方式的有效性和不足之处，实施基于物理实验竞赛的人才培养过程[7]。武翔等人以CD气垫船为例，从题目分析、实验装置制作、理论建模、实验对比、交流展示这五个竞赛阶段分别阐释了教师的指导作用，促进了创新人才的培养[8]。何运健学者认为在竞赛中取得好成绩的关键在于教师的训练与指导方法，并基于竞赛经验提出了五点方法建议[9]。目前关于大学生物理实验竞赛的论文多是基于经验、政策展开的，相对较为宏观，实证研究较少。因此，针对物理实验竞赛特征，通过系统分析大学生过程性行为，构建科学的备赛行为模式的相关研究亟须进一步深入和细化。

2 研究设计

2.1 “卓越杯”大学生物理实验竞赛简介

“卓越杯”大学生物理实验竞赛是卓越联盟高校大学生开展创新物理实验设计与教学交流的重要赛事。通过竞赛引导学生加深对大学物理基础理论的理解和运用，强化物理基础理论与实践的结合，提高大学生的综合能力和实践能力，培养学生的创新精神和团队协作意识。近年来，随着国家对于创新人才培养要求的提升，竞赛越来越受到各高校的重视，参与度和影响力日益提高。

竞赛采取预先公开竞赛内容与要求的形式，选手组队在本校进行场外准备，比赛期间参赛学生在竞赛现场进行实验、展示和答辩。因此，参赛过程中团队分工、研究方法、知识储备等环节对于竞赛的结果起到了不可忽视的作用，需要教师科学的指导与干预策略。

2.2 研究对象

第三届“卓越杯”大学生物理实验竞赛在2020年由同济大学承办，参赛学生来自南开大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学等九所卓越高校联盟高校。竞赛命题与大学物理和物理实验课程教学内容紧密结合，以物理前沿应用和创新设计为命题准则，包括命题类和自选题目类两种类型赛题。命题类赛题侧重于引导学生科研能力的培养和提高，综合掌握研究方法，并在实践中提高分析问题和解决问题的能力。自选类赛题则为学生提供了更自由的研究创新的空间。

自选类、命题类决赛均借助ZOOM平台，采用线上直播演示实验并答辩的形式，共有4个赛场，分别由来自不同高校的专家按照统一的评分规则独立评分，取均分作为最终成绩。评分分为三个一级维度，分别为研究方法、研究内容、研究成果；三个一级维度下，共分为6个二级维度，分别为科学性、客观性、先进性、安全性、实效性、创新性。本文选择第三届24个决赛项目组成员作为分析对象。因此研究者按照赛题类型与成绩排序，将竞赛小组分为四类，分别为自选类高分组、自选类低分组、命题类高分组与命题类低分组，其中每类包含了6个参赛队。

通过对自选类与命题类的高低组分别进行独立样本T检验得sig=0.02<0.05，可知两类小组的高低分组之间均存在显著差异。笔者为了更加直观查看高低组不同维度得分差异，对三个一级评分维度数据进行归一处理，数值越接近1则得分越高，画出柱形图如图1所示。自选类高低分组在研究内容维度上差距较大，命题类则是在研究方法和研究成果这两个维度上差距较大。高分组与低分组在竞赛创新性、实效性和安全性这三个二级维度得分都相对较低，说明学生在这三个维度上的能力均有所欠缺，需要特别培养与提升。

表1 竞赛评分维度表

表2 四类小组总平均分数

图1 四类小组一级维度得分柱形图

图2 四类小组二级维度得分雷达图

2.3 研究方法

本研究主要采用调查法与访谈法。为了收集选手在备赛过程中的相关数据，在选手提交竞赛作品同时，要求选手回顾反思整个备赛流程并画出项目完成的流程图。同时，为了更详细的了解教师在备赛过程中指导干预行为，对参赛小组组长就备赛过程中遇到的问题和解决方式、教师指导干预行为及角色等方面进行了访谈，收集了访谈数据，由两位研究者共同对各小组的备赛流程和行为进行梳理。

2.4 数据收集与分析

本研究采用滞后序列分析法对24组参赛队伍的备赛行为进行分析。滞后序列分析法(Lag Sequential Analysis,简称LSA)由Sackett于1978年提出[10]，主要用于检验人们发生一种行为之后另外一种行为出现的概率及其是否存在统计意义上的显著性[11]。本研究旨在提取出显著的行为序列，以此了解参赛选手备赛过程中探究型行为特征，为教师的指导干预提供依据。

为了对数据进行进一步的分析，进行可视化的处理，需要对收集数据进行编码。美国物理教师协会将物理实验教学目标分为了建模、设计、技能、数据分析、科学交流[12]。本研究中将物理实验竞赛的备赛主路径行为主要划分为选题、建模、设计、分析与结论五阶段，在五个阶段中交替产生的探究型行为，这是协同知识建构的过程，受到教师进行指导与干预影响较大。在彭绍东提出的“BCL知识建构三循环模型”中将协作知识建构行为分为质疑辩论、评价反思、学习设计等种类[13]。结合物理实验竞赛特征，研究者将探究型行为分为教师指导、同伴交流、查找资料、学习储备、反思迭代五类。最终形成编码表如表3所示。由两位研究者对四类共24组数据进行编码，本文利用GSEQ 5.1(General Sequential Querier 5.1)软件对编码数据进行分析。使用SPSS工具计算其Cronbach’s α系数为0.823>0.8，说明本研究的编码部分具有较高一致性信度。

表3 参赛小组备赛序列调查编码表

续表

3 结果分析

将四类编码数据导入到GSEQ5.1中，生成行为频率转换表，再对表格数据进行标准分数转换，形成行为残差表，从中筛选出标准分数z-score>1.96的行为序列，存在显著的行为转换关系，然后，根据筛选结果分别生成四类竞赛队伍的行为序列图。

3.1 行为序列分析

自选类高分组行为较为有序(图3)，形成了两条单向行为序列，探索型行为主要集中在选题以及做出结论两个环节上，其行为主要是同伴交流(TH)、查找资料(TC)和反思迭代(TF)三类。整体基本按照“建模-设计-分析-结论”的序列进行备赛。

图3 自选类高分组行为序列图

自选类低分组形成的序列较为复杂(图4)，行为节点较多，由多条行为序列相交而成，说明这类小组在进行备赛时行为相对无序。以测量系统建模(BC)、分析数据(AF)、设计仪器(DJ)这三个行为节点为起点的行为序列均出现多条。此外，包含的探究型行为节点种类和数量较多，多集中在明确研究内容(XT)和分析阶段。这说明这类小组在备赛过程中，缺乏计划，没有形成明显的序列行为。

图4 自选类低分组行为序列图

命题类高分组的行为序列特点较为突出(图5)，形成了两条循环路径。这表明这类小组在备赛过程中存在螺旋式循环迭代。此外，这类小组在备赛过程中涉及的探索型行为主要集中在同伴交流(TH)、学习储备(TX)与反思迭代(TF)这三类。探索型行为集中在设计与分析两个阶段。这类小组的行为基本按照“选题-设计-分析-结论”的顺序进行备赛。

图5 命题类高分组行为序列图

命题类低分组的行为较为分散(图6)，共形成了四条行为序列，且显著性行为均为单向行为。探索型行为虽然种类较多，但是分布相对集中，主要集中在建模和设计阶段。这意味着探索型行为主要集中在备赛过程前期，因此推断这类小组在备赛过程中可能存在后期懈怠的现象。

图6 命题类低分组行为序列图

3.2 行为序列对比分析

(1)自选类与命题类行为序列对比分析

为了更加准确地确定不同类型竞赛项目备赛序列的特征，研究者将自选类高分组行为序列图与命题类高分组行为序列图进行对比分析，试图找到其序列的差异与共性，以便于为学生参加不同类型的物理实验竞赛提供可靠依据。自选类参赛项目在建模和设计的前期阶段序列较为复杂，而命题类项目则在后期的分析与结论阶段序列较为复杂。这反映了两类竞赛的侧重点不同。

通过命题类项目备赛序列图，发现探究行为主要集中在设计中的实验验证与分析两个环节上；然而自选类项目备赛序列中的探究行为主要集中在选题与结论环节上，表现出两类赛题的特征和目标存在差异。自选类项目重难点在于选题与创新，命题类项目重难点则在于理论与分析。因此相较于命题类项目，自选类参赛项目在选题环节更需要教师的指导与启发，在教师指导下从物理现象分析，明确研究问题的创新点。命题类项目更加注重科学性与严谨性，这意味着重点在实验验证与数据分析，在这两个环节中，教师需要引导学生进行探究型活动设计与结果分析。

从行为序列图中可以看出，在两种高分组序列中，学生在选题阶段后都会进行不同类型的探究型活动，说明无论是参加哪种类型的物理实验项目，都有熟悉选题的环节。在选题后，学生应该或协同或独立进行竞赛项目的解构，形成自己的想法和思路，在备赛初始阶段掌握主动权，这为后面项目的准备打下坚实基础。此外，两种行为序列均显示学习者都在重难点阶段进行了反思迭代活动。因此，对于物理实验过程中较为复杂的问题和难点，反思迭代是有效的解决手段，学生在备赛过程中遇到阻碍时，对先前所做的工作进行回顾分析。

(2)高分组与低分组行为序列对比分析

为了探究适合的探究型物理实验的行为类型，本研究将自选类和命题类物理实验项目的高低分组分别进行比较。通过高低分组的对比，可以更加直观地看到同类项目下序列的差距和优劣，为学生建立研究活动计划提供参照。

在自选类项目门类下，高低分组的行为序列有较大差异。高分组序列行为相对集中、有序，大多按照“选题-建模-设计-分析-结论”的物理实验流程进行，探究型行为主要集中在选题和结论阶段；低分组行为较为分散，多从一种行为开始进行发散，较多进行尝试性活动，行为较为无序，缺乏整体性。这意味着在进行自选类物理实验项目备赛时按照基本科学流程较为高效，可以获得高质量的研究成果。此外，在选题阶段，高分组多数是在同伴交流后选择题目，然后进行了资料的查阅；低分组更多的是请指导教师确定选题，之后学习者在此基础上对陌生的内容进行学习。这在一定程度上可以推断，有时指导教师确定的题目对学生的水平要求与学生自身现阶段的水平不匹配，即题目难度较高，或者学生对于教师指定的题目领域缺乏必要的基础或兴趣，这也解释低分组在后面的备赛中行为较为发散、无序的原因。对于低分组同学来说，主要通过同伴交流和反思迭代两种方式来解决设计与分析过程中存在的问题，缺乏教师的直接指导并且缺乏制定具体备赛计划的环节，这都导致了项目完成度和备赛效率低下。

在命题类项目中，高低分组的行为序列同样存在较大差异。高分组的行为相对较为统一，说明在研究过程中，高分组通过调研在对已有的成果进行分析与总结。相反，低分组的行为较为分散，形成四条行为单线序列。高分组在选题之后首先进行了同伴交流和知识储备的探究型活动，然后在设计与分析的难点阶段产生了反思迭代的探究型活动。在“设计-分析-结论”三个重要阶段形成闭环，说明高分组在研究过程中，在反复对实验步骤进行优化。与此同时，低分组探究型行为多集中在初期的建模和设计，对于重难点的分析部分却缺乏探究，这可能是受到学生自身态度影响，随着备赛时间的推移，学生可能会逐渐失去兴趣和完善实验的动力，这会导致“龙头蛇尾”现象。通过对比发现，对于命题类项目不断的反思与改进是非常重要的，在反思过程中对实验过程进行螺旋上升式循环，优化了实验过程，保证了实验的严谨性。因此，在这类物理实验的竞赛中，学生需要时常对前面的研究过程进行反思与迭代。

4 模式构建

由上述分析可以发现，在参与竞赛项目的过程中，学生的探究型行为决定了研究成果质量的关键。研究者通过对上述探究活动的研究类型与阶段特征与，总结并归纳了探究型行为过程。构建了适合物理实验竞赛探究行为模式图，如图7所示。

图7 学生参加物理实验竞赛行为模式图

自选类项目的重难点在于选题与结论两个阶段，在这两个阶段最好能够与指导教师进行交流。在选题阶段，学生不可过分依赖教师，完全按照教师的想法进行选题是不可取的。最好能够将教师的指导意见与自身的知识能力结合起来。在选题阶段要以同伴交流为主，教师指导为辅，保持一定的主导性。在确定研究内容后，学生需要主动联系指导教师，与教师共同制定详细的研究计划，对物理实验过程中所需的理论知识和材料进行准备，这为后面备赛阶段的顺利进行打下坚实的基础。在项目后期，即分析与结论阶段，学生需要具有迭代的意识，不断反思先前的实验环节，并优化整个物理实验过程。在最后结论阶段，学生需要思考本项目的不足与展望，为实验应用找到新的价值。

对于命题类项目来说，其重难点在于设计和分析两个阶段。在选题之后，同样需要教师指导进行前期的准备和计划，以确保实验顺利进行。但是对于这类项目，在中后期学生们可能会出现兴趣流失、动机不足等现象，导致项目“龙头蛇尾”。因此，学生需要提升自主内驱力，在项目找到自身价值与兴趣。尤其在项目后期，可以定期与指导教师进行交流汇报，增加外部监督力量，此外，需要不断对前期工作进行反思迭代，保证整个物理实验过程的科学性和严谨性。

5 结 语

物理实验竞赛是学生的实践创新、理论联系实际、研究探索和团队协作等综合能力培养的有效手段，并有助于培养学生创新精神和科学素养。通过对参赛选手的备赛序列进行分析，可以为学习者建立合理的物理实验竞赛行为指导，帮助学生能够更加科学、高效地开展学术研究活动，达到更好的竞赛效果。该模式也适合将学科竞赛与课程教学相结合，为物理实验课程设计与开发提供参照。在未来，期望能够从认知角度对参赛学生进行分析和对比，了解学生认知特征和水平变化，为竞赛和课程设计提供依据，来更好的激发学习者竞争意识、创新意识，达到“以赛促学”的效果，深化“三全育人”实践效能，培养拔尖创新人才，实现一流本科课程的教学目标。