機械類專業“試驗設計與數據處理”課程教學模式探討

王媛媛，王建波

(1.華中農業大學工學院，武漢 430070;

2.湖北省水利水電職業技術學院機電工程系，武漢 430070)

《試驗設計與數據處理》是一門理論和實踐結合緊密，實用性很強的工具課、方法課。該課在華中農業大學食品科技學院、工學院中開設，其中在工學院被列為專業選修課，32學時。該學科現已廣泛應用于化工、醫藥、食品、環境、材料等諸多領域。

化工、環境、食品、材料等領域有一個共同特點，即需要通過試驗尋找研究對象的變化規律。而我們知道，影響試驗指標的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素與因素之間還存在交互作用。因此，合理設計實驗，對實驗所測數據進行分析和處理，獲得研究對象的變化規律，達到研究目的，是每個實驗人員需要解決的問題［1］。該課程教學的主要目的是使學生掌握食品科學及工程設計中常用的試驗設計方法，并具備對試驗研究所獲得的數據資料進行初步統計分析的能力。

一、課程設計思路

該課程以工學院中機械電子工程、農業機械化及其自動化、機械設計制造及其自動化、自動化等四個專業的學生為授課對象，以試驗設計、數據統計及分析的能力需求為導向，以試驗設計、軟件應用、數據分析為載體，將課程內容分解，在教學過程中以學生為主體，實現教、學、做一體化，主要理念為:

(一)注重課程在整個教學系統中的連續性

《試驗設計與數據處理》中涉及到很多數據統計的學習內容，隸屬于統計學。學生在大學一年級下學期學習過《概率論與數理統計》，已經具備了一定的理論基礎，因此本課對統計分析部分不再強調，僅在《概率論》學習的基礎上，對涉及到的知識點做簡單回顧及系統總結，使之形成符合本課程教學要求的數據分析理論基礎內容。

(二)注重教學內容設計的合理性

用不同的試驗設計方法解決實際工作中所遇到的不同問題。應用最廣泛和最具典型性的試驗設計方法有區組設計、正交設計、參數設計、回歸設計、均勻設計等［2］。另外，科學試驗設計可分為3個階段:試驗設計階段、試驗實施階段、試驗分析階段。通常可以遵循7個步驟進行:明確試驗目的、確定評價指標、選擇因素與水平、制定試驗計劃、實施試驗、分析試驗結果、作出結論。因此，在本課程的教授過程中，每一種試驗設計方法都按這3個階段、7個步驟來進行，結合案例分析及Excel的應用，形成一個個完整的學習單元。

二、課程教學實施

(一)教學課時安排

本課程第3、4、6章分別為方差分析、回歸分析和正交試驗設計，為重點學習內容，一般用全部課時的一半來講授。第1、2章涉及到數據分析的基本概念，主要引導學生掌握概念、理解試驗設計和數據分析的內涵、意義，用總課時的四分之一來講授。第7、8章分別為均勻設計、回歸正交組合設計，為常用的試驗設計方法，結合均勻設計軟件、Design Expert軟件主要進行實際應用性方面的講授，用總課時的五分之一來講授。另外有2～4課時的上機實驗課，指導學生使用Excel進行數據分析。

(二)教學方法設計

1.專業型教學

案例分析一定要突出專業特色。對于工科專業的學生，學習本課程時要考慮到專業背景及課程的實際應用性。課程內容主要包括3個部分:一是試驗設計部分，主要講授試驗設計常用的幾種方法;二是數據分析部分，包括針對試驗數據的誤差分析、針對研究對象不同影響因素的直觀分析和方差分析、針對所建模型規律性的回歸分析;三是介紹一些數據處理軟件。

在實際講授的時候，第一和第二部分內容要結合起來講解。另外，在課本原來案例的基礎上，加入與本專業密切相關的案例，如在講解正交試驗設計時加入高速鋼工藝優化案例，要求通過實驗確定最佳熱處理工藝，了解等溫溫度、淬火溫度和等溫時間對沖擊韌性抗彎強度和硬度的影響。講解直觀分析法的時候加入某無機材料對彈性模量的影響試驗，使學生在學習本課程的同時，加深對《金屬工藝學》《材料學》課程內容的印象。通過這些具有專業特色的實例，學生能夠將所學的專業知識加以擴充，在掌握專業知識和本課程相結合的途徑方法后，能夠將理論應用到實踐，并懂得利用試驗設計進行科學研究的重要性和必要性［3］。

2.先進型教學

對數據分析軟件的多樣化進行介紹。在講解數據處理軟件部分的時候，即講解Excel在數據處理過程中的應用時，輔助介紹一下SPSS、Origin等軟件的使用。另外，在某些章節，聯系到目前運用比較成功、具有專門功能的試驗設計與數據處理軟件，如專門針對均勻設計的“均勻設計”軟件、聯系到回歸正交組合設計的Design-Expert軟件，都給學生講到，并專門以Box-BehnkenDesign(BBD)為例說明Design-Expert的使用，使學生對其有大概了解，方便日后使用。

3.案例型教學

本課程的特點是公式多、計算多且過程復雜。雖然學生是在修完《概率論與數理統計》的基礎上進行本課程的學習，但大多數同學仍然感到數理統計很抽象，難以理解。在對聽課學生調查時，學生普遍認為本課程難學，部分同學認為課程很沒意思。因此，學生易產生厭學情緒，體現在課堂上就是課堂紀律較差，部分學生注意力不集中，或者直接看課外書、玩手機，作業完成情況較差。

對此，可采用如下方法:(1)在講解基本概念和基本原理的基礎上，對公式和定理的分析、推導一帶而過;降低理論深度，著重實際應用;對計算過程僅作簡要講解，注重計算結果的分析和解釋，降低課程難度。(2)可以引入啟發式教學，加強師生互動，強調學生的主體性，調動學生參與學習的積極性。例如，可多講解一些經典案例，比如在正交試驗設計講解時，告訴學生正交試驗設計在日本被譽為“國寶”。之所以如此，是因為在1949年，日本電訊研究所研制了“線性彈簧繼電器”，采用正交試驗設計方法，對數十個試驗指標、2 000多個變量進行研究，制造出先進、廉價的產品，帶來幾十億美元的效益。(3)引起學生對該課程的認同感。可以在案例講解時，注意多講一些所選取案例的背景知識，比如講解往屆畢業生做畢業設計時采用的試驗設計方法是什么，遇到什么問題，如何解決，結果如何等等。因為本課程是為大三學生開設的，他們也馬上要面臨畢業設計，此類案例的引入使學生有認同感，也會調動學生的學習積極性。

4.應用型教學

本課程有2～4課時的上機實驗課，主要練習Excel在數據分析中的應用，是學生將理論知識轉化為實際應用的關鍵步驟。相對理論教學來講，學生普遍感到實驗課輕松，興趣很濃厚。在此基礎上，可以引導有興趣的學生自行下載其他的試驗設計及數據分析軟件來嘗試，比較不同軟件在不同的數據分析類型中的優劣性，從而引起學生課外學習及實踐應用的興趣。

另外，目前很多學生都傾向于本科畢業后繼續讀研，可以在課堂上展示與本專業有關的、采用科學的試驗設計及數據分析方法發表的科研論文，一方面使其對專業研究方向、最新發展現狀有所了解，另一方面使學生對本課程的應用有具體認識，對課程與自身以后的研究方向之間的聯系有初步認識。

(三)課程考核

對于一門課的課程考核，一般有開卷、閉卷、課程論文等幾種形式。程江峰通過實踐證明采用開卷考試效果并不理想，學生不用記憶統計計算公式，在思想上不夠重視，復習時間明顯不足［4］。閉卷考試需要學生對公式進行記憶并進行計算，是目前常用的考核方式，但是閉卷考試無法檢驗學生對應用性軟件的掌握程度。因此，可以考慮將上機考試和閉卷考試相結合，上機考試主要考核學生對Excel在數據分析中的利用，閉卷考試主要考核學生對基本概念的理解及試驗設計方面的掌握程度，可按平時成績20%、上機考試20%、閉卷考試60%的比例計算結業成績。

另外，提交課程論文是培養創新意識和提高研究能力的有效途徑［5］，可以避免學生死讀書的情況，使課程的考核與實際應用結合的更為緊密。對于本課程，建議與其他有實習課程的老師加強聯系，比如金工實習、電工實習等，在安排實習方案時就進行合理的試驗設計，并對試驗結果做進一步統計分析。這樣，學生既完成了專業課的實習，又獲得寫課程論文的材料，提高了課程之間的橫向聯系。

［1］ 蔣長興.試驗設計與數據處理課程改革探索［J］.2012(3):146－147.

［2］ 葉其培.試驗設計與數據處理在農林生產中的應用［J］.現代農業科技，2010(10):41 －42.

［3］ 陳紅，黃海東.試驗設計與數據處理課程教學改革的探討［J］.農機化研究，2004(2):266－267.

［4］ 程江峰.“試驗設計與數據處理”課程教學新思路［J］.教書育人，2007(6):49.

［5］ 林秀玲，滕艷華.試驗設計和數據處理課程的教學探索［J］.考試周刊，2011(48):157－158.

(責任編輯 周江川)