学科竞赛视角下项目式实验教学的研究——以第三届“卓越杯”大学生物理实验竞赛为例

倪 晨， 李渔迎， 方 恺， 王 琦， 于婷婷， 顾 牡

（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

0 引 言

卓越创新人才是国家实施创新驱动发展战略的领军力量，是增强科技自主创新能力的核心要素，也是高水平的人才培养体系的重要目标。2018年10月教育部等六部门发布《关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》中明确提出创新学习方式，以研究型教学提升一流人才培养与创新能力［1］。实验教学的课程结构与教学内容也由基础型实验向综合型、设计型、研究型实验转化［2］。近年来的教学研究表明，学科竞赛在创新意识、研究设计等综合能力的培养中具有突出的优势。在竞赛指导中普遍采用项目式教学，以具体的学习项目为导向，充分利用有效的学习资源，在实践体验、内化吸收、探索创新中获得完整知识、提升专业技能、培养高阶思维［3］，是高等教育中卓越人才培养的有效载体［4-6］。项目式教学模式的构建往往通过建立能力指标与项目式教学要素的映射关系，从而进行教学活动的设计，譬如丁世强等［7］构建的面向计算思维能力发展的项目式教学模式；申静洁等［8］基于学科类别的价值目标，构建的项目式核心素养培养路径等。但是，目前该领域的研究以质性研究为主，缺少证明教学模式科学性以及有效性的数据和实证支持。本研究通过对“第三届卓越杯”大学生物理实验竞赛中学生开展创新实验项目的过程开展调研分析，利用滞后序列分析法归纳了各高校项目式学习路径的显著特征及所存在的问题。最后，基于竞赛结果的模型分析结果，验证了该教学模式对学生创新能力培养的正向作用。

1 “卓越杯”物理实验竞赛

“卓越大学联盟”是由北京理工大学、重庆大学、同济大学等国内9所具有理工特色的综合性大学组成的“卓越人才培养合作高校”的简称。多年来以卓越拔尖人才培养为核心，共同探索人才培养规律与模式。为有效培养学生的创新精神和团队协作意识，提高大学生的综合能力和实践能力，提高大学物理实验教学质量，卓越联盟高校于2017年启动“卓越杯”大学生物理实验竞赛（以下简称卓越杯物理实验竞赛）。竞赛秉持协同创新理念，以创新物理实验设计为命题内容，激励学生努力运用物理知识解决科学问题，培养学生创新思想。随着各高校关注度与参与度的不断提升，卓越杯物理实验竞赛已逐渐成为联盟高校物理实验中心开展教学交流合作，拔尖创新人才培养的教学交流平台。

第三届卓越杯物理实验竞赛由我校承办，除了各联盟高校参赛队伍外，还邀请了南开大学共同参赛。竞赛采取预先公开竞赛内容与要求的形式，包括命题类课题与自选类课题两种。其中命题类创新课题共2项，题目1为无线电能传输，要求设计一种通过磁近场以无线方式传输电能的实验方法和实验装置（自组装置），尽可能提高传输效率，增加传输距离，体现节能环保特点，实现接收端小型化的优化设计，并具有实际应用前景；题目2为超声声镊，要求利用超声装置对空气或液体中的轻小物体实现束缚及移动。自选课题类为创新物理实验装置的设计，要求设计并制作物理思想清晰、能使用计算机或移动设备进行数据采集与分析、在物理实验教学中易于使用的创新物理实验装置或仪器。参赛学生在教师指导下，从选题调研开始，进行资料搜集、实验方案设计、理论计算与模拟、仪器设计与制作、调试测量、实验验证、数据处理与误差分析以及迭代修改，最终完成报告撰写与汇报演示。决赛结果统计分析如图1所示。从整体上来看，本次竞赛决赛项目在研究方法的科学性和客观性、研究内容的先进性和安全性以及研究成果的实效性和创新性上都具有较高水平。由此可见，竞赛中所有参赛项目均为典型的基于项目的实验教学案例，研究过程完整且蕴含各高校的教学特色，具有研究价值。

本研究以该竞赛中进入决赛的24支参赛队作为分析对象。通过收集参赛学生在实验研究项目开展过程中的路径与细节，探究面向卓越人才培养的项目式物理实验教学活动设计。并通过专家和同伴对其不同维度的评价结果构建结构方程模型，验证该教学模式对学生创新能力培养的积极影响。

2 竞赛活动中项目式实验教学路径研究

项目式实验教学较一般实验教学中以教师为主导、先演示后实验的教学方式有很大不同，强调以学生为主体，是适合培养分析能力、解决问题能力等高阶思维能力的实验教学模式。目前，很多高校采用项目式教学模式指导学生开展学术竞赛活动，并取得良好的效果［11-12］。同时在竞赛背景下，各项目内容更具前沿性，项目指导方式更具多样性，学生综合水平更具竞争力。因此，采用学科竞赛结果作为项目式实验教学路径的研究样本，可以准确地反映学生在开展项目研究过程中的主要问题，有助于明确教师在学习过程中的指导作用，调动学生的积极性和创造性。本研究基于滞后序列分析法对学生项目研究路径流程进行分析，挖掘各校决赛项目统一的开展路径。

2.1 滞后序列分析方法

滞后序列分析法基于统计理论研究行为之间的顺序关系，探索和总结在复杂的交互行为序列中发生的交叉依赖关系，并将行为序列中重复发生的行为建立为关系链［11］。在教育研究中，该方法被广泛应用于学习行为分析研究，用以挖掘学习者潜在的行为模式、行为规律以及行为习惯，分析其行为背后的学习需求，寻找学习行为与学习绩效的关系，从而达到改进教学的目的［12-13］。

为了解学生在竞赛项目研究过程中学习行为，分析并构建适合项目式实验教学路径，本研究收集了参赛学生的项目研究路径流程图与访谈实录31份，并根据竞赛结果将其分为两组。其中高分组15份数据中包含11个参赛队，项目平均得分为90.97。低分组16份学生数据中包含13个参赛队，项目平均得分为81.38。经过独立样本T检验可得高低分组sig＝0.00＜0.05，说明两组得分之间存在显著差异。通过归纳高低分组学生的行为路径，提取项目开展的关键环节，再进一步对比两组学生的行为路径，发现学生在项目开展过程中存在问题和难点。具体流程为：①结合项目开展要素以及物理实验教学培养目标，对学生行为活动进行定义，拟定编码表。②参照定义，过滤掉流程图以及访谈结果中的不相关信息，按照时间先后顺序对行为数据进行编码。③使用GSEQ5.1软件进行序列分析，得到转换频次表以及调整后的残差表。④根据调整后的残差表筛选具有显著意义的行为序列，并绘制行为转换图。

2.2 编码表设计与数据编码

项目式教学基本流程一般包含确定主题、制定方案、组织实施、汇报成果4部分内容［14-16］。构建知识即为确定学习主题，与项目中的选题环节不谋而合。建模与设计是物理实验项目开展方案的重要内容，操作技能、数据分析属于项目实施范畴，科学交流是成果汇报时所需的基本素养。编码表的一级维度以物理实验教学目标为依据，通过综合分析项目开展基本流程以及实验教学目标，将行为活动具体化，建立教学目标与项目实施环节映射关系，将物理实验中的项目式教学可以细分为选题、建模、设计、实施、分析、结论6个主要阶段［17］。除此之外，为了解学生具体的问题解决行为，便于教师及时干预，本研究加入了探索环节。最终以上7个环节被定义为如表1所示的一级维度。结合每个阶段的成果，设立明确的评价指标，最终共拟定14个二级维度。

表1 学生项目开展流程行为编码表

数据编码以每位学生所提交的项目开展路径流程图为主，提取编码表中所对应的行为要素及其先后关系。如在流程图解析中遇到描述模糊的节点，辅以所收集的各环节具体访谈数据进行分析，确保流程图中各环节编码的准确性。

2.3 高低分组的显著路径

经过编码数据采用序列分析软件GSEQ进行比较测序，较Enterprise与Miner而言，简化了行为分析流程，提高了数据处理效率，受到了各领域研究者的青睐［18］。将高低分组所有学生编码后数据表格导入GSEQ5.1软件，最终生成转换频次表和调整后的残差表（见表2）。转换频次表说明了每种行为向其他行为转化的频率。调整后的残差表呈现了根据转换频次表生成的残差参数。其中列表示起始行为，行表示起始行为结束后随即发生的行为。根据滞后序列分析理论，如果残差参数大于1.96，则表明该行为后出现下一个行为的概率具有显著性［19］。其中高分组的显著序列中包含12个二级编码维度，低分组包含所有的二级编码维度，验证了编码表的合理性。

表2 高分组与低分组残差表（部分）

为了更直观地呈现行为序列，通过将所得残差表中所有显著序列相连，即可得到如图2所示的高分组与低分组项目开展行为转化图。

2.4 教学路径分析

竞赛活动作为项目式实验项目综合评价的载体，可以准确地反映项目式教学开展的完整过程。高分组与低分组的路径所呈现的结果表明，各参赛项目的主干研究路径具有高度一致性，包括：定题（XT）—查找资料（TC）—物理系统建模（BW）—设计仪器（DJ）—实验验证（IS）—数据分析（AF）—作出结论（CZ）。仅低分组的个别环节存在偏离，对竞赛成果也造成一定的影响。综合来看，在卓越联盟高校中开展项目式实验教学过程可以划分为研究方法确定及研究结果产出两个主要阶段，如图3所示。其中，研究方法的准确性决定研究内容产出的质量，研究结果的产出辅助研究方法的改进，最终的研究成果在两个阶段的不断迭代作用下越发科学与精准。因此在教学环节中，教师尤其需要注重反思迭代的正确方法引导，帮助学生建立严谨的科学研究精神。除此之外，通过学生学习行为的分析也反映了一些实验教学过程中需要注意的细节。

（1）建立反思支架，促进问题解决。在实验开展过程中，逻辑推演是提高研究质量的重要手段，却往往也是教学中的遗漏点。对比高、低分组的显著路径图可以发现，在数据分析（AF）结束后，两组学生皆进行了反思迭代（TF）。高分组同学首先校对数据分析方法的正误（AQ），然后查找资料（TC），反思最初的建模（BW）环节是否存在问题。从中可以看出高分组同学的反思路径科学而有序。反观低分组同学的反思路径，当发现数据有误时，低分组同学仅从实验验证环节（IS）寻找原因，反思不够深入仍浮于表面。除此之外，高低分组都存在实验验证（IS）到作出结论（CZ）这一显著路径，说明仍有大量同学在研究开展过程中缺少对结果的反思。在项目式教学过程中，教师可基于“发现问题—分析问题—评价判断—建立假设—验证假设”这一循环的反思过程［20］，帮助学生构建科学的教学反思支架，强调反思的重要性，传授反思的技巧性，教导学生应用缜密科学的逻辑寻找问题而非试误式发现问题，从而提高问题解决效率。

（2）关注重点环节，加强整体把控。在整个项目开展流程中，各环节紧密相连，应完整而循序渐进。但是在低分组路径图中发现，设计仪器（DJ）和测量系统建模（BC）这两个环节缺少前期环节，说明学生在实验理论以及真实测量系统方面缺乏关联思考。因此，教师在指导过程中应着重于测量系统建模、仪器设计、可行性分析等关键环节的引导，使学生重视研究方法在物理实验研究过程中的作用，降低学生的认知负荷，提升项目式实验教学质量。

（3）补充可行性分析，提高项目绩效。可行性分析的缺失与滞后，可能带来较大的研究成本的浪费，所以可行性分析是提高项目各步骤实施质量的有力手段，也是各步骤执行方案的决策依据。由学生项目开展路径图可知，无论是高分组还是低分组，可行性分析（TK）均没有纳入主干研究路径中，说明该环节是学生们的意识薄弱处。除此之外，高分组同学在设计仪器（DJ）后才进行可行性分析，与一般研究步骤不符。由此可见，在项目式实验教学过程中，教师应引导学生从实验环境、实验条件、资金支持、技术支持、知识储备、人员分配等多角度考虑实验方案的可行性，寻找最优方案，避免造成时间、成本等资源浪费，或是某些条件的缺失造成项目不能按时完成，或项目质量不理想。

3 竞赛活动中项目式实验教学成效分析

教学效果评价是项目式教学的突出特征，评价内容涵盖教学路径各环节，通过形成性评价与结果评价综合反映学生在知识、能力、团队合作等方面成效，尤其应当突出创新性科学思维为核心素养的评价。基于竞赛的结果，利用结构方程模型对项目式实验教学对创新能力的影响做进一步的分析与验证。

3.1 结构方程模型分析方法

结构方程模型利用一定的统计分析技术，根据理论模式与实际数据关系的一致性程度，对复杂现象的理论模式做出评价，以对实际问题进行定量研究［21］。一个完整的结构方程模型是由测量模型和结构方程模型两部分组成［22］。其中测量模型用于描述测量指标与结构模型之间的关系，结构模型用于描述结构变量之间的关系。该方法是一种验证性分析技术，适合验证本研究所提出的“项目式实验教学能否助力创新能力培养”问题。

3.2 模型构建思路与基本假设

基于图3所示的项目式物理实验教学过程，本研究构建了假设模型。模型中包含研究方法、研究内容产出以及创新能力3个潜变量。模型中包含两个假设：①研究方法对研究内容产出有显著影响；②研究型实验锻炼对学生创新能力培养有显著影响。其中研究方法是隐性的运用智慧进行科学思维的技巧，是在已有研究基础上或者自身从事科学研究过程中不断总结、提炼出来的。在物理实验教学中主要包含建模、设计两个关键环节。“建模”指的是现实问题系统的抽象表示能力，包括能够提供理论和实际联系的物理模型与系统定性和定量理解的测量模型［23］。“设计”指的是提出科学问题，设计具有可行性的实验方案来回答所提问题并进行模型测试和优化。研究结果是研究方法显性的成果产出，在物理实验教学情境下主要从所设计的实验装置、答辩时的实验现象以及实验操作3方面进行考察。创新能力则从实验技术、实验装置以及实验设计3方面进行综合考量。

最终各潜变量的具体观测变量见表3，其中所有问项都采用李克特5级量表，数值“1”表示非常不同意，“2”表示不同意，“3”表示中立，“4”表示同意，“5”表示非常同意。

表3 卓越杯参赛项目情况的变量赋值

3.3 模型检验

本研究共收集了132份专家与同伴评分，利用SPSS（统计产品与服务解决方案）软件与AMOS（矩阵结构分析）软件分别对研究型物理实验测量模型的信效度以及结构模型的拟合度进行检验。

（1）测量模型信效度检验。使用SPSS 22.0统计软件分析初始测量模型所得Cronbach’s α系数＝0.727＞0.7，说明整体量表的可靠性较好。在Bartlett球形检验中，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin，检验统计量）系数＝0.728＞0.7且P＝0.000＜0.05，符合球形检验标准。结合KMO值和Bartlett球形检验值两项指标可知，本量表信效度良好，适合进行因子分析。

（2）结构模型拟合度检验。利用AMOS软件对假设模型和各个因子之间的关系进行检验，并依据检验结果对假设模型进行修订。运行结果如表4所示，绝对适配指数、增值适配指数以及简约适配指数均在标准范围之内，表明结构模型的拟合度良好，可以进行结果解释。

表4 结构模型拟合指数

（3）效应分析。最终模型得到系数估计结果如表5所示，各个路径之间的P值均显著，即各个潜变量之间、潜变量和观察变量之间均通过了检验，可以在此基础上考虑不同因素之间的效应关系。

表5 变量间的路径系数与分析结果

图4所示是完整的结构方程模型，其中A1～A5、R1～R5、C1～C3各观测变量在表3中已作定义，潜变量包括研究结果、研究方法、创新能力。各变量之间用单箭头直线连接，标准化路径系数上方的*则代表该路径的显著性，路径系数的数值越大则说明变量之间的影响效果越大。e（e1～e15）为干扰变量，它与观测变量之间的数字代表测量误差。通过图中呈现的各个变量之间的路径系数以及显著性可见，①研究方法对研究内容产出有显著影响。②研究项目的锻炼过程对创新培养有显著影响。该结果符合原始假设，说明了在项目式物理实验教学中，科学的研究方法对高质量研究内容产出的重要性以及基于项目式物理实验教学能够锻炼和激发学生的创新能力。该结果验证了上述教学模式对卓越创新人才培养的有效性。

4 结 语

学科竞赛是推动创新人才培养工作的重要载体。分析竞赛活动中兼具前沿技术和创新设计的项目实施过程，对于物理实验教学策略的指导价值重大、作用显著。因此在竞赛教学指导活动中所建构的面向卓越人才培养的项目式实验教学模式，也可为线下的研究型实验课程、线上的学生自主探究式学习以及混合式的教学提供教学活动的设计指导，具有一定的普适性和应用性。从上述分析结果可知，学生在项目开展过程中的难点主要在于一些复杂环节的把握、反思支架的建立以及可行性分析的缺失，教师应尤其重视这3方面的监督和引导。目前，项目式教学已成为大学教育改革与发展的一个重要趋势以及提升教学质量的重要突破口，可拓展知识内容深度与广度，激发学生探究热情与创新意识，锻炼学生的分析能力以及问题解决能力，助力全面培养卓越人才。