《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程建設(shè)實踐與探索*

王保玉,王少鵬,鄭麗萍,付長亮,張峻煒,李玉玲,何會芬,王宇飛,李靖靖

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院化工食品學(xué)院，河南 鄭州 450044）

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》是化工類、食品類和材料類專業(yè)的通用型選修課。該課程以高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等為基礎(chǔ),融合專業(yè)學(xué)科知識,具有鮮明的理論和實踐一體化的特征。課程內(nèi)容主要包含試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理兩方面的基本理論和方法,要求學(xué)生能夠應(yīng)用這些原理與方法,解決科學(xué)試驗和工程實踐中的實際問題。該課程已在我校食品科學(xué)與工程、化學(xué)工程與工藝和高分子科學(xué)與工程等工科專業(yè)中開課和運行,在教學(xué)過程中,我們以在線開放課程建設(shè)為依托,對課程進(jìn)行了一系列的改革和嘗試,突出對學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),順應(yīng)新工科建設(shè)和卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的要求。

1 根據(jù)學(xué)生能力要點，顆?；M織課程內(nèi)容，構(gòu)建能力本位的模塊化課程

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程中數(shù)據(jù)處理部分涉及到很多的數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)學(xué)運算,內(nèi)容比較抽象,學(xué)生難于全面掌握,常出現(xiàn)為難情緒和厭學(xué)現(xiàn)象[1-3]。基于此,我們在數(shù)據(jù)處理部分以 “必須夠用”為指導(dǎo)原則,淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,學(xué)生只需了解其來龍去脈即可,重點掌握數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型的參數(shù)意義、使用條件和實際應(yīng)用。在試驗設(shè)計部分重點學(xué)習(xí)每種方法的應(yīng)用程序、分析每種方法的優(yōu)缺點,以及面向?qū)嶋H問題的方法選擇,要求學(xué)生熟練選擇表格和設(shè)計表頭。基于以上考慮,我們對課程內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)。首先,對照專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的畢業(yè)生能力要點,結(jié)合課程內(nèi)容,科學(xué)界定課程目標(biāo),即要求學(xué)生掌握試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的基本方法,學(xué)以致用,初步學(xué)會設(shè)計試驗和處理數(shù)據(jù),完成科學(xué)實驗和工程實踐。其次,結(jié)合具體學(xué)習(xí)內(nèi)容,進(jìn)一步細(xì)化課程目標(biāo),形成一系列易操作可評價的子目標(biāo),對課程內(nèi)容進(jìn)行顆?；幚?。再次,突出應(yīng)用導(dǎo)向,化繁為簡,整合理論教學(xué)內(nèi)容,建構(gòu)知識框架,細(xì)化課程目標(biāo),創(chuàng)設(shè)教學(xué)任務(wù),圍繞核心知識點,模塊化組織教學(xué)內(nèi)容。最后,突出課程的實踐屬性,提高實踐教學(xué)比例,加強計算機(jī)軟件Excel、Origin和統(tǒng)計軟件SPSS、SAS的應(yīng)用,切實培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力和解決問題能力。

例如,在儀器分析中,操作方案的優(yōu)化非常重要,直接決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。我們以此為應(yīng)用背景,設(shè)置任務(wù)學(xué)習(xí)雙因素方差分析。具體任務(wù)是在原子吸收分光光度法中乙炔和空氣流量對測定鎳電解液中微量銅的影響。本任務(wù)的要求明確具體,就是確定儀器操作條件的對分析結(jié)果是否有顯著影響,因此,我們就可以借助Excel,導(dǎo)入試驗數(shù)據(jù),利用軟件 “分析數(shù)據(jù)庫”中 “無重復(fù)雙因素方差分析”工具,經(jīng)過參數(shù)設(shè)置,就能快速得到分析結(jié)果,用于改進(jìn)儀器分析方法。借助專業(yè)軟件不僅可以化繁為簡,直達(dá)目標(biāo),還能避開繁瑣的人工數(shù)據(jù)處理過程,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 以學(xué)生為中心，實施項目化教學(xué)，構(gòu)建高效的課堂教學(xué)模式

課程教學(xué)打破以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法,實施項目化教學(xué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生參與度和獲得感。項目選擇突出實際應(yīng)用性,緊密結(jié)合學(xué)生的專業(yè)發(fā)展需求,主動融合學(xué)科前沿和科研成果[4],開設(shè)開放性的設(shè)計型實驗,拓展課程的深度和提高課程的難度,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度。項目化教學(xué)的設(shè)計充分借鑒CDIO教學(xué)模式,CDIO教學(xué)模式由構(gòu)思(Conceive）、 設(shè)計(Design）、 實施(Implement） 和操作(Operate）四個步驟形成一個完整的教學(xué)體系并能持續(xù)優(yōu)化[5-6]?！对囼炘O(shè)計與數(shù)據(jù)處理》作為一門實踐課程,必須重視 “做中學(xué)”和 “基于項目的學(xué)習(xí)”,項目化教學(xué)以工作任務(wù)或項目為教學(xué)載體,將理論知識與實踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下主動學(xué)習(xí),獲取必須的知識與技能。項目化教學(xué)基本環(huán)節(jié)如下:(1）布置任務(wù)；(2）學(xué)習(xí)咨詢；(3）制定方案；(4）實施方案；(5）成果匯報；(6）點評歸納；(7）修改完善[7-8]。其中,前四個環(huán)節(jié)一般需要學(xué)生在課外自主完成,這樣可以使學(xué)生有比較充裕的時間查閱資料、咨詢教師、制定方案和完成項目,成果匯報和點評歸納等環(huán)節(jié)一般應(yīng)安排在課內(nèi)完成。

例如,天然植物提取物近年來備受市場追捧,已廣泛應(yīng)用于藥品、保健品、食品和化妝品等領(lǐng)域,但植物提取過程效率普遍較低,導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。針對該共性問題,我們以黃芪煎煮提取工藝研究為項目,學(xué)習(xí)回歸分析。本學(xué)習(xí)項目重點研究煎煮時間、煎煮次數(shù)和加水量等三個因素對提取物黃芪總皂苷含量的影響,要求學(xué)生利用回歸分析確定因素的主次順序,并預(yù)測優(yōu)方案。教師下達(dá)學(xué)習(xí)任務(wù)后,第一步,各學(xué)習(xí)小組開始搜集相關(guān)研究資料,設(shè)計實驗方案,做好預(yù)實驗,并向指導(dǎo)老師咨詢,制定可行的實驗方案；第二步,各學(xué)習(xí)小組分工協(xié)作,完成實驗方案。第三步,各學(xué)習(xí)小組整理匯總實驗數(shù)據(jù),對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,以PPT形式展示學(xué)習(xí)成果；第四步,教師和其它學(xué)習(xí)小組對學(xué)習(xí)成果進(jìn)行充分質(zhì)疑,總結(jié)存在問題,提出改進(jìn)措施,完善實驗方案。事實上,煎煮法雖然簡單易行,但其也存在選擇性差和有效成分易破壞等缺點,還可以啟發(fā)學(xué)生,突破提取方法的限制,重新選擇影響因素,提出更優(yōu)的實驗方法及其研究方案,作為實驗室開放項目,供學(xué)生在課外繼續(xù)進(jìn)行研究,既能幫助學(xué)生鞏固課本知識,又能提升學(xué)生的試驗設(shè)計能力。

3 利用現(xiàn)代信息技術(shù)，拓展課程資源，打造一站式的在線學(xué)習(xí)平臺

《新工科北京指南》明確提出 “探索工程教育信息化教學(xué)改革,推進(jìn)信息技術(shù)與工程教育深度融合,創(chuàng)新 ‘互聯(lián)網(wǎng)+'環(huán)境下工程教育教學(xué)方法,提升工程教育效率,提高教學(xué)效果”[9]。本課程在建設(shè)過程中充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),制作了豐富的課程資源。本課程不但有課程標(biāo)準(zhǔn)、電子教案、電子講稿、電子課件、學(xué)習(xí)清單、作業(yè)答案、參考資料和應(yīng)用案例等文本資源,還制作了豐富的圖片、音頻和視頻等多媒體資源?？傊?本課程的資源庫力求形式多樣和足量冗余,既能方便教師根據(jù)實際需要靈活搭建模塊化課程,又能讓學(xué)有余力的學(xué)生自主實現(xiàn)拓展學(xué)習(xí)。

互聯(lián)網(wǎng)具有超越時空、信息量大、使用方便等顯著優(yōu)點,已對傳統(tǒng)教育教學(xué)模式形成挑戰(zhàn),能夠為學(xué)生提供全方位的學(xué)習(xí)服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)時代為教學(xué)改革提供了難得的新機(jī)遇,我們必須主動適應(yīng)學(xué)生移動學(xué)習(xí)和混合式教學(xué)的新需求,利用現(xiàn)代信息技術(shù),重視在線學(xué)習(xí)平臺的建設(shè)。MOOC(慕課）,即大規(guī)模開放在線課程,在國內(nèi)外已經(jīng)大量上線,能夠提供海量的在線教學(xué)資源,學(xué)生根據(jù)興趣愛好可以自主選擇和學(xué)習(xí)[10]。然而,慕課要求學(xué)生有較強的自律能力和自學(xué)能力,才能完成同步學(xué)習(xí)并獲得學(xué)分或證書。為解決在線開放學(xué)習(xí)和線下班級教學(xué)間不能完全匹配和兼容問題,SPOC,即小規(guī)模限制性在線課程,就應(yīng)運而生[11]。SPOC教學(xué)模式面向特定班級群體精準(zhǔn)開發(fā),能與傳統(tǒng)課堂教學(xué)優(yōu)勢互補,并行不悖,既能在線上理論學(xué)習(xí),又能輔助線下課堂教學(xué)?；诖?我圍繞教學(xué)目標(biāo)精心設(shè)計教學(xué)活動,進(jìn)行了MOOC+SPOC的混合式教學(xué)實踐與探索,構(gòu)建課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)相融合的新型課堂教學(xué)模式[12]。首先,對課程內(nèi)容進(jìn)行整合和重構(gòu),分解成理論和實踐相融合的學(xué)習(xí)任務(wù),制成微視頻,便于學(xué)生利用碎片化時間進(jìn)行反復(fù)觀看和學(xué)習(xí)。其次,針對專業(yè)差異、班級差異和學(xué)生個體差異,我們引入SPOC教學(xué)模式,滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。

4 順應(yīng)學(xué)習(xí)模式改革，科學(xué)設(shè)置評價指標(biāo)，建立多元化評價考核體系

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》借鑒布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類理論,將評價指標(biāo)融入學(xué)習(xí)過程目標(biāo),構(gòu)建多元化評價體系,制定具有可操作性的評價方案[13]。本課程內(nèi)容主要分為理論模塊和實踐模塊兩部分,理論模塊主要是讓學(xué)生掌握試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的基本方法,必須強化學(xué)生對方法與過程的理解和認(rèn)識,因此,本模塊評價目標(biāo)側(cè)重平時學(xué)習(xí)過程評價,綜合利用課堂小組討論、個人答題、知識搶答、課后書面作業(yè)等多種形式,調(diào)動學(xué)生平時學(xué)習(xí)積極性,及時監(jiān)測學(xué)生平時學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。實踐模塊主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)軟件進(jìn)行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的能力,評價重點是學(xué)習(xí)成果,以計算機(jī)軟件輸出結(jié)果評價學(xué)生實踐的準(zhǔn)確性。此外,期末終結(jié)性評價以真實實驗項目為藍(lán)本,擬定多任務(wù)的綜合題,綜合評價學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。

例如,檸檬酸硬脂酸單甘脂是一種新型綠色食品乳化劑,具有良好的乳化能力和潤濕作用。它通過檸檬酸與硬脂酸單甘脂在真空條件下進(jìn)行酯化反應(yīng)制備,通過優(yōu)化合成工藝條件,能夠提高它的乳化能力。我們以此作為應(yīng)用背景,設(shè)置項目學(xué)習(xí)正交試驗設(shè)計。根據(jù)項目內(nèi)容和實施過程,分解成六個具體的學(xué)習(xí)任務(wù),并制定對應(yīng)的過程考核方案(括號內(nèi)為權(quán)重）。具體如下:任務(wù)一,探索性實驗,具體考核影響因素挑選是否合理(3%）和因數(shù)水平數(shù)值是否適當(dāng)(3%）；任務(wù)二,正交試驗設(shè)計,具體考核正交表選擇是否合適(5%）、表頭設(shè)計是否合理(5%）和試驗方案是否合理(4%）；任務(wù)三,試驗方案的實施,具體考核實驗操作是否規(guī)范(10%）、試驗數(shù)據(jù)是否真實可靠(5%）和數(shù)據(jù)處理是否規(guī)范(5%）；任務(wù)四,試驗設(shè)計結(jié)果的直觀分析,具體考核極差計算是否正確(10%）、優(yōu)方案確定是否合理(2%）和優(yōu)方案驗證和分析(3%）；任務(wù)五,試驗設(shè)計結(jié)果的方差分析,具體考核離差平方和計算過程和結(jié)果的是否正確(10%）、自由度計算過程和結(jié)果是否正確(2%）、均方計算過程和結(jié)果是否正確(2%）、F值計算過程和結(jié)果是否正確(2%）、顯著性檢驗分析是否正確(2%）和優(yōu)方案確定是否合理(2%）；任務(wù)六,試驗設(shè)計結(jié)果的展示和匯報,具體考核書面試驗報告內(nèi)容是否完整(7%）,報告格式是否規(guī)范(3%）,口頭匯報思路是否清晰(3%）,答辯問題是否合理(4%）,是否提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施(3%）。

5 重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程反饋，及時發(fā)現(xiàn)問題，形成持續(xù)改進(jìn)的良性循環(huán)

2018年,教育部頒布了 《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》,為我國高等教育本科專業(yè)設(shè)置了 “底線”,為實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)保障[14]。該標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)的 “突出學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”三大原則,集中體現(xiàn)了產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念。目標(biāo)導(dǎo)向教育(OBE）非常關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果,這就要就我們必須改革傳統(tǒng)教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[15]。首先,結(jié)合課程的工具性和應(yīng)用性的顯著特點,廣泛采用啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué),在課堂上增加師生互動和生生互動,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。其次,及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確界定學(xué)習(xí)難點,積極引導(dǎo)學(xué)生深入思考,自主學(xué)習(xí)和攻堅克難,切實提高學(xué)習(xí)效率。最后,做好教學(xué)反饋,每輪課程學(xué)習(xí)結(jié)束后,課程教學(xué)團(tuán)隊對課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行詳細(xì)分析,找出制約教學(xué)質(zhì)量提高的關(guān)鍵影響因素,并提出具體的改進(jìn)措施,修訂課程標(biāo)準(zhǔn),更新教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化學(xué)習(xí)過程。

6 組建一支結(jié)構(gòu)合理和分工明確的教學(xué)團(tuán)隊，保障課程的可持續(xù)性建設(shè)

課程建設(shè)任務(wù)比較多,為保證 《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程的可持續(xù)性建設(shè),必須組建一支成員穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理和分工明確的教學(xué)團(tuán)隊。本課程面向多個專業(yè)開設(shè),這就要求團(tuán)隊成員專業(yè)結(jié)構(gòu)合理,確保教學(xué)項目具有鮮明的專業(yè)特色,教學(xué)內(nèi)容也能根據(jù)專業(yè)需要靈活調(diào)整和優(yōu)化。教學(xué)團(tuán)隊的年齡結(jié)構(gòu)也要合理,除團(tuán)隊主持人外,還要有年富力強的骨干教師和精力充沛的青年教師。團(tuán)隊主持人側(cè)重于提出課程建設(shè)思路和制定課程建設(shè)規(guī)劃,指導(dǎo)團(tuán)隊成員的課程教學(xué),做好示范教學(xué)。骨干教師是課程建設(shè)和課堂教學(xué)的主力,青年教師可以先從助教做起,向骨干教師學(xué)習(xí),取長補短,提升自己的教育教學(xué)能力,為獨立授課奠定基礎(chǔ)。骨干教師側(cè)重于執(zhí)行課程建設(shè)方案和完成課程建設(shè)任務(wù),青年教師主要負(fù)責(zé)課后學(xué)業(yè)輔導(dǎo)、課程網(wǎng)站的建設(shè)與維護(hù)、電子課程資源的制作與發(fā)布以及在線課程學(xué)習(xí)平臺的實時互動答疑等任務(wù)。

7 結(jié) 論

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》是一門量大面廣的通用型工具課和實踐課。通過課程改革,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高,教學(xué)效果持續(xù)提升,學(xué)生動手實踐能力顯著增強。但是,課程建設(shè)仍然存在一些問題,仍有較大的改革空間。課程建設(shè)下一步必須緊密結(jié)合專業(yè)實際和學(xué)生學(xué)情,持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、豐富考核體系和完善質(zhì)量保障體系,才能更好地滿足新時代卓越工科人才的培養(yǎng)要求。