實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程的教學改革探討

盧素紅 范崢 黃風林 唐璇 牛夢龍

[摘 要]本文針對實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程的現(xiàn)狀與存在問題進行了分析，從教學實施過程中的教學內容、教學思想、教學方法、實踐性環(huán)節(jié)及考核方式等方面進行了教學探討。

[關鍵詞]實驗設計與數(shù)據(jù)處理；教學方法；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）07-0042-03

實驗設計與數(shù)據(jù)處理是關于實驗設計以及實驗數(shù)據(jù)處理的課程。本課程旨在培養(yǎng)學生合理設計實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行科學分析和處理的技能，最終達到提高學生分析問題和解決問題的能力（如確定最優(yōu)工藝條件或配方，對產品性能進行優(yōu)化，對產品質量、環(huán)境質量做出評價等）的目的。本課程具有理論性強、涉及面廣、實踐性要求高等特點，它以概率理論、數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術知識和實踐經驗為基礎，不僅要求培養(yǎng)學生的理論思維方式，更注重培養(yǎng)學生認識與解決工業(yè)實際問題的能力，是一門理論性與應用性并重的課程[1][2][3]。教師如何講好實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程，使學生更好地掌握理論知識，并應用到實踐中，是本課程需要關注的問題。

本校的化學工程與工藝、能源化學工程、環(huán)境工程等專業(yè)都開設了實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程，學生們利用本課程所學的知識點很好的解決了專業(yè)實驗和畢業(yè)論文中遇到的問題，取得了良好的教學效果。筆者結合本校實際教學情況，在教學過程中不斷對教學大綱和教學方法進行改進和完善，轉變教學觀念，改革教學方法，以“學生”為核心，引導學生掌握本課程理論知識，培養(yǎng)學生自主學習能力，使學生最終能夠靈活運用所學理論知識解決實際問題。通過教學方法和教學手段的改革，做好本校實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程的教學工作，以培養(yǎng)能解決實際問題的應用型人才。

一、合理組織教學內容，優(yōu)化內容體系

實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程只有24學時。本課程涉及的計算公式較多，課程比較抽象，需要用微積分、統(tǒng)計學等數(shù)學知識來計算，計算過程比較復雜，在如此有限的時間內，要教好這門課程非常困難。為了降低學習難度，突出學習內容的實用性，需要對教學內容進行精心設置。

本課程的教學內容主要分為兩大部分，一是實驗設計，二是數(shù)據(jù)處理。其中實驗設計方法主要包括優(yōu)選法、正交實驗設計、均勻設計、配方設計等；數(shù)據(jù)處理方法主要包括誤差分析、表圖表示方法、方差分析、回歸分析等。在課程的結構層次上，使學生全面把握本課程的知識體系，區(qū)分各種實驗設計方法和數(shù)據(jù)處理方法之間的區(qū)別和聯(lián)系，理解本課程的基本理論知識，能夠靈活應用基本理論解決實際問題，在應用中加深對理論知識的理解，做到理論知識與應用相互貫通，使學生在學習公式時不覺得枯燥，在應用時又有理論指導。如：正交實驗設計和均勻設計是非常相似的實驗設計，都需要借助經驗表來安排實驗，不同之處是均勻設計不考慮試驗點的“整齊可比”，只考慮“均勻分散”，并需要引出相關的例子進行講解。

我?；瘜W工程與工藝、能源化學工程和環(huán)境工程專業(yè)使用的教材是化學工業(yè)出版社李云雁主編的《試驗設計與數(shù)據(jù)處理》[4]，該書涵蓋了我們要選擇的內容，難度適宜，實用性強，每一章內容都用一定的篇幅介紹常用的數(shù)據(jù)處理工具Excel的應用。教材滿足了各知識點的介紹，并且引入了計算機最新數(shù)據(jù)處理軟件，在數(shù)據(jù)分析時提高了工作效率，有利于培養(yǎng)學生快速解決實際問題的能力。如對單因素試驗進行方差分析時，需要計算出平均值、離差平方和、自由度、均方、F值，然后查F分布表，進行比較，得出結論，如果采用計算器計算，由于傳遞性誤差導致結果準確度較低，并且計算量大。而采用Excel中分析工具庫的“方差分析：單因素分析”，只需輸入數(shù)據(jù)，選擇所需要的選項，即可立刻得到方差分析表，誤差小并且計算速度快。在學習實驗設計方法中，掌握各個方法的使用范圍，更能快速的采用合適方法來安排實驗方案，確定最優(yōu)方案。如，優(yōu)選法適用于實驗指標與因素間無法用數(shù)學形式表達或者表達式很復雜；正交實驗設計適用于多因素的實驗，因素的水平數(shù)較少時；均勻設計適用于實驗因素變化范圍較大，需要取較多水平時；配方實驗設計適用于因素是配比（百分比、百分率等）時，因素一般是不獨立的。

在數(shù)據(jù)處理過程中，涉及大量的數(shù)學理論公式和原理推導等，學生很難在有限的課時中深刻掌握其全部內容，更難以應用本課程的理論知識來解決實際問題。因此，每個知識點沒必要都做到詳細講解，而是重點講解數(shù)據(jù)處理和實驗設計方法，并結合本專業(yè)相近的典型例子進行講解，強調數(shù)據(jù)處理方法在實際生產中的應用，激發(fā)學生的學習興趣，加深他們對數(shù)學處理方法的理解。如：利用正交實驗設計原理對超濾處理高濁度原水系統(tǒng)運行的四個操作參數(shù)（濃縮口壓力、進水口壓力、運行時間、原水濁度）進行實驗研究，找到較優(yōu)的操作條件。

二、調整教學思想，改變教學手段

教學的目的是學以致用，如果脫離了在實踐中的應用，也就背離了教學的最終目的。實踐教學發(fā)現(xiàn)，學生認為原理公式太多，用處不大，課本上的習題雖然能夠解答，但是應用原理知識靈活解決實際問題方面仍不知所措，主要原因是教材的理論知識與實際應用脫節(jié)。為了將學科的前沿知識和最新的科研成果融入課堂教學中，教師應該在圖書館或網(wǎng)上廣泛搜集相關資料，以文獻的形式穿插到教學體系。實例可選自各類教材、網(wǎng)絡資源、期刊論文、學生實驗及論文等。以經典的方差分析、回歸分析、正交實驗設計、均勻設計為基礎，逐漸增加一些相關科研論文的講解。例如，2017年第4期《安陽工學院學報》刊出的“方差分析在汽車主觀評價中的應用”、2016年第9期《廣西植物》刊出的“油棕鮮果穗產量構成因素的相關性和回歸分析”、2017年第5期《中國現(xiàn)代中藥》刊出的“正交試驗設計篩選黃連總生物堿的提取純化工藝研究”、2017年第17期《食品研究與開發(fā)》刊出的“均勻設計法優(yōu)化超臨界CO2萃取丁香精油工藝研究”。

在講授基本概念時，可采用啟發(fā)式教學。先提出解決問題的客觀需要，再進行講解概念的準確定義，并引入相關實例或例題加以講解。通過老師的有效引導，促進師生互動討論，激發(fā)學生主動思考和探索方法的興趣，進而積極參與學習。通過教師一步一步的暗示和提示，學生慢慢領悟其中的原理。每次講完一個知識點，教師通過提出探索性的問題引導學生積極思考，尋求解決問題的方法。啟發(fā)式教學方法，可以有效的提高學生的學習興趣，通過例子可以使學生更加深刻的理解和掌握理論知識。比如，在學習回歸正交實驗設計時，向學生提出“如果要在某因素的實驗范圍內選擇適當?shù)膶嶒烖c，該如何確定最優(yōu)方案”這樣的問題，引出回歸正交實驗設計。前面學習的正交設計的最優(yōu)方案不是一定實驗范圍內的最優(yōu)方案，只是限制在已定的水平上，具有局限性?；貧w正交實驗設計可以在因素的實驗范圍內選擇適當?shù)膶嶒烖c，用較少的實驗點建立回歸方程，更好的解決實驗優(yōu)化問題。

《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中明確指出：教育現(xiàn)代化，具體包括教育觀念現(xiàn)代化、教育內容現(xiàn)代化、教育裝備現(xiàn)代化、師資隊伍現(xiàn)代化等。因此，在授課過程中，改變教學方法非常重要。制作的課件一定要易于理解，并注意知識點的輸出與學生掌握能力的匹配，切忌內容太多，放映速度過快，導致學生應接不暇，思路難以跟上。公式推導應以板書為主，結合多媒體教學的優(yōu)勢，注重學生學習知識的慣性，追求深入淺出。整個教學過程中應始終以學生為本，時刻要考慮學生的接受能力。板書和多媒體要靈活運用，相互促進，最終達到學生對知識的深刻理解和掌握[5]。

三、改進教學方法，培養(yǎng)學生學習主動性

學生是學習的主體，如果在整個教學過程中，老師只注重教，不注意調動學生學習的積極主動性，學生將會覺得整個課程枯燥無味，進而失去了學習的快樂感，很難取得理想的教學效果。因此，應該時刻記住在整個教學過程中從學生的角度出發(fā)來改進教學方法，以學生為中心，設計和安排教學方法。

為達到更好的教學效果，應每節(jié)課利用十幾分鐘現(xiàn)堂布置一道練習題，并將結果計入考核成績，在下次課時對上次布置的練習題做講解。課堂練習的布置要具有針對性，能夠反映本次課所學的重點內容。另外，習題的布置要能更好的幫助學生對課后習題進行解答，通過習題的練習更有利于學生對所學知識的掌握。同時，習題課可讓學生自由上臺發(fā)表意見，總結概括習題所反映的知識點，以發(fā)揮學生的積極性，調動學習主動性，活躍課堂氣氛。學生之間充分討論后，可由教師進行總結歸納，指出所用到的知識點，強調可能出錯的地方及原因，講解解題的關鍵，以此使學生對理論知識深入理解和熟悉掌握。例如，在學習“實驗數(shù)據(jù)誤差的統(tǒng)計檢驗”這一節(jié)內容時，隨機誤差和系統(tǒng)誤差的檢驗方法容易混淆，可提醒學生只要掌握引起隨機誤差和系統(tǒng)誤差的原因以及各個方法適用的條件就可以牢固掌握其檢驗方法。

將課程的網(wǎng)絡化教學應用到本課程教學中，將其建成在線開放課程資源，并結合國內外相關優(yōu)質課程資源實施翻轉課堂、線上學習與線下課堂相結合的混合式教學模式，實現(xiàn)以學為主、課堂教學與課外教學相結合、結果評價與過程評價相結合。由于網(wǎng)絡教學不受時間和空間的限制，有利于培養(yǎng)學生自我學習能力。同時，學生可以根據(jù)自己的學習進度提出問題，教師對學生提出的問題進行即時指導。

另外，可以嘗試在教學過程中實施以教師為主導、以學生為主題的教學模式。教師根據(jù)課本各個知識點列出專題內容，讓學生利用各種資源（圖書館及網(wǎng)絡資源），查找相關的文獻資料，并進行綜合、歸納，最后完成撰寫專題論文。老師在整個過程中引導學生快速查找相關文獻資料，學習對文獻資料進行篩選、分析和整理，精準獲取相關知識，進而可以調動學生的積極性和主動性，激發(fā)學生的特長和潛能。學生用PPT講解收集到的專題，并進行討論。角色的轉變可以提高學生學習本課程的興趣和加深對知識點的理解，也鍛煉了學生撰寫專業(yè)論文的水平和語言表達能力，為以后的工作打下堅實的基礎。

四、加強實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)能力

教學與科研是相互促進的，將科研與實驗合理結合，對本課程教學質量的提高有很大好處。在教學過程中，教師可以從自己的科研中選取一部分內容比較新、與實際聯(lián)系較緊密的成熟課題，讓學生利用本課程所學的理論知識來設計實驗和對試驗結果進行處理，利用這種方法可以在一定程度上提高學生主動學習的積極性，激發(fā)學生的學習興趣，進而開闊視野，取得較好的學習效果。另一方面，鼓勵一些學習優(yōu)秀的學生參與到教師的科研工作中，利用本課程的實驗設計方法和數(shù)據(jù)處理方法進行一些科學研究[6]。這種教學模式可以引導學生靈活地運用理論知識去發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識，培養(yǎng)能力和鍛煉思維。如，甲醛是室內重要的污染物之一，主要來自家具和裝修材料，它是一種具有較高毒性的物種，長期接觸低劑量的甲醛可引起呼吸道疾病、細胞核的基因突變、白血病等疾病，因此，選用催化劑來催化氧化甲醛，將其分解成CO2和H2O[7][8]，影響甲醛轉化率的因素主要有反應溫度、催化劑種類兩個因素，每個因素的水平數(shù)為4，試用正交設計表來設計實驗方案。這是一個典型的正交實驗設計，并且與我們的日常生活緊密相連，這樣可讓同學們感受到學以致用的快感，從而加深對正交實驗設計的理解，并靈活運用到實際中。

五、考核方式的改革

反饋教與學的有效途徑是考試，選擇合適的考試方式和方法將直接影響對教學質量和學生學習效果進行評價。完善的考核制度，不僅可以激勵學生好好學習，還可以考察學生的學習成效，從而對教學成果做出客觀的評價。傳統(tǒng)的實驗設計與數(shù)據(jù)處理的考核方式是閉卷考試，考題的內容涉及學生所學的理論和公式，考試的目的是了解學生對理論知識的理解和掌握情況，以及熟練運用程度。這就造成了學生為了考試而死記原理和公式，考試之后對各個知識點反而不會靈活的運用到平時的實驗中。如，方差分析中求離差平方和的公式，這些公式已直接編碼到程序中，因此，在考試過程中可以作為已知條件出現(xiàn)，考試內容應該著重體現(xiàn)學生解決問題的方法和思路，考查學生的應用能力。另外，可以讓學生結合自己本專業(yè)所開設的實驗課，運用本課程所學習的知識點來進行實驗方案的設計和數(shù)據(jù)分析，該部分以課程論文的形式提交，同時占一定的考核分數(shù)。平時成績由課堂提問、課堂分析和討論等組成。考試成績由試卷、平時成績和課程論文組成，通過這些考核內容來考察學生的學習效果。

六、結論

實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程是一門實用性非常強的學科，同時也是一門與時俱進的學科。通過以上的教學改革和實踐，可以有效地解決現(xiàn)階段我校實驗設計與數(shù)據(jù)處理教學過程常遇到的問題，使教師在縮短的課時里，激發(fā)學生學習本課程的積極主動性，靈活掌握本課程的學習方法，深刻理解本課程的理論知識，并較好的解決專業(yè)實驗和畢業(yè)設計中遇到的問題，進而利于解決在今后工作中所遇到的問題，為培養(yǎng)實用型創(chuàng)新人才打下了很好的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張素斌，劉燕芳.《試驗設計與數(shù)據(jù)處理》課程的教學探討[J].廣東化工，2014（41）：120-122.

[2] 任永勝，段瀟瀟.大化工類研究生實驗設計與數(shù)據(jù)處理課程教學實踐與探索[J].廣東化工，2012（1）：133-136.

[3] 吳學棟，胡芳.教學微案例設計及知識點萃取——以“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”雙語課教學為例[J].黑龍江紡織，2016（3）：28-30.

[4] 李云雁，胡傳榮.《試驗設計與數(shù)據(jù)處理》（第三版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.

[5] 符繼紅.多媒體在儀器分析教學中的應用[J].中國科技信息，2008（21）：264-267.

[6] 李元，李慶，吳會杰.淺談《試驗設計與數(shù)據(jù)處理》課程教學改革的實踐與探索[J].教育教學論壇，2015（25）：158-159.

[7] 張長斌，賀泓，王蓮，等.負載型貴金屬催化劑用于室溫催化氧化甲醛和室內空氣凈化[J].中國科學，2009（3）：278-286.

[8] 田華，賀軍輝.氧化錳催化氧化甲醛的研究進展[J].化學通報，2013（2）：100-106.

[責任編輯：鐘 嵐]