工程統(tǒng)計學(xué)在工程教育中的意義

摘 要： 工程統(tǒng)計學(xué)主要介紹統(tǒng)計方法在工程中的應(yīng)用，作為一門課程適合在工程類專業(yè)中開設(shè)?！肮こ探y(tǒng)計學(xué)”課程取代傳統(tǒng)“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程有助于促進(jìn)工程教育中學(xué)生的能力發(fā)展。“工程統(tǒng)計學(xué)”適合采用CDIO教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞： 工程統(tǒng)計學(xué) 試驗設(shè)計 可靠性 回歸分析

美國的工程技術(shù)評審委員會（ABET）把技術(shù)科學(xué)分為工程（engineering）、工程技術(shù)（engineering technology）和應(yīng)用科學(xué)（applied science）三大類。工程類處于最高層次，在這一層次中要求工程師能推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式，并且能解決實際問題。就是說要不僅知其然，還知其所以然。工程教育中的“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課，仍然偏重數(shù)學(xué)而缺少工程應(yīng)用。工程統(tǒng)計學(xué)是數(shù)理統(tǒng)計的一個重要分支，它不僅提供如何正確地設(shè)計科學(xué)試驗和收集數(shù)據(jù)的方法，而且提供如何正確地整理、分析數(shù)據(jù)，得出客觀、科學(xué)的結(jié)論的方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)微積分、線性代數(shù)等課程的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)工程統(tǒng)計學(xué)，學(xué)會認(rèn)識隨機(jī)現(xiàn)象、掌握概率理論與方法、認(rèn)識基本工程問題、掌握工程各種數(shù)據(jù)處理的基本方法，對所考慮的統(tǒng)計問題給出合理的推斷，直接提高工程設(shè)計能力、產(chǎn)品開發(fā)能力和生產(chǎn)過程控制能力。

一、工程教育中“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程的缺陷

通常，大學(xué)本科學(xué)生學(xué)習(xí)的“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課。學(xué)生將數(shù)學(xué)概念運用于工程中還有很大差距，例如，對于工程背景比較多的“假設(shè)檢驗”部分，學(xué)生理解起來很困難，更談不上工程應(yīng)用。學(xué)生理解概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)是在排列組合方法基礎(chǔ)上的古典概型，而不是來自于現(xiàn)實的頻率和工程數(shù)據(jù)。在“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”的學(xué)習(xí)中應(yīng)該更注重的是概念的理解，而這正是廣大學(xué)生所疏忽的，學(xué)生對“什么是隨機(jī)變量”、“為什么要引進(jìn)隨機(jī)變量”說不清楚，他們更關(guān)心的是數(shù)學(xué)計算。學(xué)生對用“不確定性”的思維方法很不習(xí)慣，經(jīng)常套用確定性的思維方法而呆板的結(jié)論，不能對結(jié)論作出合理解釋。實際上，只會數(shù)學(xué)推導(dǎo)的學(xué)生并不是對統(tǒng)計學(xué)做到了“知其所以然”，這是因為他們還不知道現(xiàn)實世界中的“所以然”。

出現(xiàn)這種缺陷的根本原因如下：（1）數(shù)學(xué)概念的引出往往缺少工程背景；（2）低年級學(xué)生缺少對工程問題的基本認(rèn)識；（3）教學(xué)以數(shù)學(xué)計算為導(dǎo)向，缺少解決實際問題的思維訓(xùn)練。

二、工程教育需要的統(tǒng)計學(xué)

工程師需要有效地運用科學(xué)原理和技術(shù)方法解決實際問題。工程學(xué)中所運用的工程方法基本按如下步驟進(jìn)行：（1）清晰和準(zhǔn)確地描述問題；（2）識別影響問題的重要因素；（3）對問題建立模型，明確模型的約束條件和假設(shè)；（4）通過觀察和實驗獲得數(shù)據(jù)，并運用數(shù)據(jù)檢驗（2）、（3）步中的模型或結(jié)論；（5）根據(jù)觀察到的數(shù)據(jù)修正模型；（6）用模型解決問題；（7）設(shè)計一項適當(dāng)?shù)膶嶒炞C明問題的解是有效的；（8）根據(jù)問題的解作出總結(jié)，提出建議；（9）工程實施。在工程學(xué)中數(shù)據(jù)和模型是基本方法，統(tǒng)計學(xué)為工程學(xué)提供了這類數(shù)據(jù)和模型方法。

在解決工程問題的過程中，常在以下環(huán)節(jié)中運用相應(yīng)的統(tǒng)計方法。在設(shè)計開發(fā)方面，運用實驗設(shè)計和可靠性等方法；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，運用質(zhì)量控制、假設(shè)檢驗等方法；在銷售環(huán)節(jié)中，運用相關(guān)分析、回歸分析和實驗設(shè)計等方法；在服務(wù)環(huán)節(jié)中，運用可靠性分析中的維修策略等。

工程學(xué)對統(tǒng)計方法的依賴源于工程中的大量數(shù)據(jù)都具有變異性。變異性是指連續(xù)觀察一個系統(tǒng)時并不能得到完全相同的結(jié)果。統(tǒng)計學(xué)給出了描述這種變異性的工具和利用這種工具作出合理決策的理論框架。在工程學(xué)中，運用統(tǒng)計學(xué)不僅需要計算技術(shù)，而且需要統(tǒng)計學(xué)的思維方式。

三、“工程統(tǒng)計學(xué)”與傳統(tǒng)“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程的區(qū)別

“工程統(tǒng)計學(xué)”以工程問題為導(dǎo)向，首先使學(xué)生認(rèn)識數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)的變異性，再認(rèn)識隨機(jī)事件和隨機(jī)變量，進(jìn)一步運用隨機(jī)變量解決工程中的參數(shù)估計、假設(shè)檢驗、回歸分析和實驗設(shè)計等問題。傳統(tǒng)“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程基本以數(shù)學(xué)概念為導(dǎo)向，通常首先講授樣本空間，再進(jìn)入與中學(xué)知識銜接密切的古典概型，引入隨機(jī)變量?！肮こ探y(tǒng)計學(xué)”與傳統(tǒng)“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程的根本區(qū)別在于“工程統(tǒng)計學(xué)”引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識工程領(lǐng)域的統(tǒng)計方法，而不是單純將統(tǒng)計看成是高中數(shù)學(xué)的延續(xù)。由于這些區(qū)別，“工程統(tǒng)計學(xué)”的內(nèi)容彌補(bǔ)了“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”的部分缺陷。

“工程統(tǒng)計學(xué)”課程還將在以下幾個方面促進(jìn)工程教育，而“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程的作用不夠充分。

1.使學(xué)生盡早理解工程問題。由于數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課集中于一二年級，學(xué)生基本不了解工程問題，更不懂得工程學(xué)的思考方法，在“工程統(tǒng)計學(xué)”課程中可以讓學(xué)生漸漸接受工程學(xué)方法。例如，經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕⒈举|(zhì)上是工程學(xué)的方法，學(xué)生往往習(xí)慣于數(shù)學(xué)中經(jīng)常通過演繹推導(dǎo)公式，而不習(xí)慣于通過數(shù)據(jù)建模。

2.通過實際問題認(rèn)識統(tǒng)計方法。在數(shù)理統(tǒng)計中，假設(shè)檢驗通常是學(xué)生難以理解的問題，在工程學(xué)中有很多實際檢驗問題，例如產(chǎn)品驗收，這些實際問題有助于學(xué)生理解統(tǒng)計方法。

3.為繼續(xù)學(xué)習(xí)工程類課程提供更有力的支持。通常的數(shù)學(xué)課程缺少與后續(xù)工程類課程的聯(lián)系，“工程統(tǒng)計學(xué)”中統(tǒng)計方法與后續(xù)工程類課程的聯(lián)系更緊密，學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

四、“工程統(tǒng)計學(xué)”的CDIO教學(xué)模式

“工程統(tǒng)計學(xué)”適合采用CDIO教學(xué)模式。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、貫徹（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的方式學(xué)習(xí)工程，容易將理論與實踐有機(jī)聯(lián)系起來。

CDIO教學(xué)模式具體實施可以以項目為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)。項目導(dǎo)向的統(tǒng)計學(xué)教學(xué)具有以下特點：

（1）強(qiáng)調(diào)學(xué)生本位。教學(xué)始終貫穿以學(xué)生為中心的理念及其主體的需求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生需求主體的主動參與，強(qiáng)調(diào)主動實踐學(xué)習(xí)與項目帶動學(xué)習(xí)。

（2）強(qiáng)調(diào)能力本位。改注重套公式演算為“做統(tǒng)計分析”，“做”與“聽”結(jié)合，重在能力培養(yǎng)。這種通過完成項目進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式，有利于激發(fā)學(xué)生的探索欲望、學(xué)習(xí)興趣，由此獲得的自學(xué)能力、分析能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生終生受益。

（3）強(qiáng)調(diào)職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)。教學(xué)以項目為載體，讓學(xué)生體驗學(xué)習(xí)統(tǒng)計分析對工程問題的作用，使學(xué)生能以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)個人能力、團(tuán)隊能力和系統(tǒng)調(diào)控能力。

（4）將職業(yè)發(fā)展、職業(yè)道德與科學(xué)方法相融合，強(qiáng)調(diào)職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)，有利于道德、誠信、團(tuán)隊意識、責(zé)任感等職業(yè)素養(yǎng)的教育與養(yǎng)成。

“工程統(tǒng)計學(xué)”采用項目導(dǎo)向方式進(jìn)行教學(xué)，重點讓學(xué)生在課外“做統(tǒng)計分析”，操作時注意遵循以下原則：

（1）項目準(zhǔn)備時，教師對學(xué)生是否具備了從事項目活動所必需的統(tǒng)計技術(shù)的情況應(yīng)當(dāng)充分了解，確保項目活動成為學(xué)生應(yīng)用或鞏固知識與技能的途徑。要善于為學(xué)生提供幾個能引起他們興趣或與專業(yè)相關(guān)的項目主題。

（2）項目實施時，教師要鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自己選擇項目主題，最好是本專業(yè)的問題，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，尋找材料。學(xué)生可能對問題的理解比統(tǒng)計學(xué)的教師更好，這樣講更有利于師生互動。教師可以幫助學(xué)生確定要解決的項目。

（3）項目進(jìn)行時，教師要告誡學(xué)生善于向?qū)I(yè)教師請教或者進(jìn)一步學(xué)習(xí)解決陌生的問題。

（4）項目評價時，教師和學(xué)生共同對解決問題的過程進(jìn)行評價。學(xué)生對整個過程進(jìn)行反思與評論，并就相應(yīng)的評價結(jié)果進(jìn)行討論后，教師再予以評價。這一過程對提高學(xué)生修正解決問題過程的能力很重要。

CDIO教學(xué)模式可以彌補(bǔ)工程教育中統(tǒng)計學(xué)教學(xué)方法的缺陷。

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