“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

[摘 要] 深化研究生課程教學(xué)改革、提升課程教學(xué)質(zhì)量是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。結(jié)合可持續(xù)建筑環(huán)境研究生的“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)，分析了課程教學(xué)內(nèi)容改革、優(yōu)化教學(xué)方法、教材建設(shè)與師資隊伍建設(shè)等存在的問題。探討了實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)、課程教學(xué)改革的思路與途徑。

[關(guān)鍵詞] 課程建設(shè);研究生;培養(yǎng)質(zhì)量;教學(xué)改革

[基金項目] 2017年度重慶大學(xué)重點(diǎn)課程項目（201704031）;重慶大學(xué)優(yōu)質(zhì)課程項目（02010011044119/111）

[作者簡介] 翁廟成（1981—），男，湖北蘄春人，工學(xué)博士，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，主要從事建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)理論? ? ? 與教學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0195-03 ? ?[收稿日期] 2019-11-17

一、引言

實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是一種科學(xué)合理地安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的通用方法，是自然科學(xué)方法論領(lǐng)域中一個重要的分支學(xué)科，也是科研工作者必備的基本技能。課程“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”則是一門以數(shù)理統(tǒng)計、概率論以及專業(yè)知識為基礎(chǔ)，理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性、應(yīng)用型課程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理涵蓋領(lǐng)域廣寬、內(nèi)容龐大而復(fù)雜，且具有鮮明的專業(yè)特色[1]。

教育部關(guān)于改進(jìn)和加強(qiáng)研究生課程建設(shè)的意見提出了加強(qiáng)研究生課程建設(shè)[2]。優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)是推進(jìn)研究生教育創(chuàng)新計劃的重要內(nèi)容[3，4]。如何結(jié)合專業(yè)和學(xué)科特點(diǎn)，系統(tǒng)地研究“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，改革研究生課程教學(xué)體系顯得尤為重要。在教學(xué)中根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)與專業(yè)特色，選擇適當(dāng)教學(xué)方法、教學(xué)模式和授課內(nèi)容，從而推動人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，滿足國家和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

課程組針對建筑環(huán)境類學(xué)科研究生培養(yǎng)目標(biāo)，提出“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)內(nèi)容;優(yōu)化教學(xué)方法，提高應(yīng)用性、實(shí)踐性教學(xué)在課程教學(xué)中的分量;強(qiáng)化國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)設(shè)計與統(tǒng)計分析專業(yè)軟件的應(yīng)用，培養(yǎng)研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案的能力，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣，提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力與從事科學(xué)研究的素質(zhì)。

二、課程定位和教學(xué)目標(biāo)

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)用性很強(qiáng)的工具課、方法課。課程主要介紹工程技術(shù)和科學(xué)研究中試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的方法。實(shí)驗(yàn)誤差部分要求學(xué)生熟悉誤差概念，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可疑數(shù)據(jù)的取舍方法及常用的數(shù)據(jù)處理方法;析因?qū)嶒?yàn)部分要求學(xué)生掌握判斷因素是否顯著的方法;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、建立實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的一般方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸與相關(guān)分析部分要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理的方法;正交試驗(yàn)設(shè)計部分要求學(xué)生在多因素、多水平試驗(yàn)時熟練使用正交試驗(yàn)法解決問題。

要求學(xué)生達(dá)到的知識目標(biāo)是掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基本原理和基本方法。能力目標(biāo)是熟練掌握數(shù)理統(tǒng)計、試驗(yàn)設(shè)計（正交設(shè)計）以及數(shù)據(jù)分析（方差分析、回歸分析等）等內(nèi)容，具備實(shí)際動手操作和利用計算機(jī)撰寫課程論文的手段，達(dá)到能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本要求，并具備獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的基本素質(zhì)和能力。

課程目標(biāo)旨在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和組織實(shí)驗(yàn)方案的初步能力，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的基本能力。課程教學(xué)設(shè)計圍繞科學(xué)研究工作中實(shí)驗(yàn)設(shè)計的原理、方法，不斷擴(kuò)展深化教學(xué)內(nèi)容。通過課程的學(xué)習(xí)，將加深研究生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的基本理論的理解，充分認(rèn)識實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、數(shù)據(jù)處理方法在科學(xué)研究中起的重要作用，為在課題研究的科研實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文及今后工作中開展科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。使從事科研工作的研究生具有一定的科學(xué)研究素養(yǎng)。

三、課程教學(xué)內(nèi)容改革

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程擔(dān)負(fù)著傳授知識和發(fā)展能力的任務(wù)，不僅是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門工具課程，因而課程教學(xué)內(nèi)容的改革是非常重要的。課程組在教學(xué)中，加強(qiáng)課程內(nèi)涵建設(shè)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，及時將科研和教學(xué)成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，提高課程建設(shè)水平。課程教學(xué)內(nèi)容的改革，主要有以下幾個方面。

（一）突出應(yīng)用性和實(shí)用性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理以統(tǒng)計學(xué)原理為基礎(chǔ)，其原理涉及高等數(shù)學(xué)、概率論和線性代數(shù)等，部分內(nèi)容在基礎(chǔ)課程中已經(jīng)講述。因而，教學(xué)內(nèi)容則注重各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法和數(shù)據(jù)處理方法的具體應(yīng)用上，而理論的推導(dǎo)過程則作為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容組織和知識側(cè)重點(diǎn)的處理上，結(jié)合建筑環(huán)境專業(yè)特色、適應(yīng)行業(yè)需要為主導(dǎo)。課程教學(xué)內(nèi)容中引入建筑環(huán)境實(shí)驗(yàn)中常用物理量測試方法，如溫度、濕度、風(fēng)速等物理量的測試。教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”在專業(yè)中的應(yīng)用，從建筑環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)測試中遇到的問題引入誤差等基本概念，注重內(nèi)容的系統(tǒng)性、理論性和實(shí)用性。

（二）合理組織教學(xué)內(nèi)容

課程涉及兩個部分內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。對于建筑環(huán)境類的研究生來講，其主要的科研工作包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計、收集和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要用到的統(tǒng)計學(xué)方法有T檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)等方差分析，以及一元線形回歸和正交試驗(yàn)設(shè)計等。

數(shù)據(jù)處理部分主要講述誤差分析、方差分析以及回歸分析;實(shí)驗(yàn)設(shè)計部分重點(diǎn)講述正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法。

組織調(diào)整優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，力求深入淺出，側(cè)重應(yīng)用。如在講述誤差分析方法中的T檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)時，側(cè)重這些方法的對比與聯(lián)系。在教學(xué)中，多選用期刊論文中與建筑能源環(huán)境專業(yè)的實(shí)例來說明數(shù)據(jù)分析方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析方法多樣，在課程教學(xué)中，除了介紹基本內(nèi)容，需要引入實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理發(fā)展的前沿知識。結(jié)合課題研究中新的問題，說明實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的新方法。如對于解決多目標(biāo)問題建模時，引入主成分分析方法;如在回歸分析方法求解優(yōu)化解時，引入遺傳算法的理論;實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行建模分析時，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法等。不局限于課程基本內(nèi)容，把握可持續(xù)建筑環(huán)境、建筑節(jié)能與熱環(huán)境領(lǐng)域的前沿知識;同時，增加如“基于遺傳算法的建筑節(jié)能多目標(biāo)優(yōu)化”建筑節(jié)能與建筑熱環(huán)境領(lǐng)域研究論文的講解，擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

（三）加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)

在課程內(nèi)容講解過程中，引入了實(shí)踐環(huán)節(jié)。現(xiàn)在有多種軟件，如Excel，SPSS統(tǒng)計軟件，可以對數(shù)據(jù)做各種分析，并可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在課程教學(xué)中，配合理論課程內(nèi)容，引入計算軟件在實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，如引入Excel中線性回歸分析的介紹。要求學(xué)生至少學(xué)會一種軟件的使用方法，學(xué)會分析結(jié)果。

讓學(xué)生參與科研項目中，如以建筑能耗為例，設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)。建筑能耗的主要影響因素有：圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、建筑體形系數(shù)、建筑朝向、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能等。每個影響因素有四個水平，試用正交實(shí)驗(yàn)來設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。通過與專業(yè)精密相連的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，加深對正交設(shè)計的理解，并能靈活應(yīng)用到實(shí)踐中。

四、優(yōu)化教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

（一）注重教學(xué)方法

課程“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”理論性強(qiáng)，公式多，例子中表格復(fù)雜，用板書表達(dá)速度慢，課程教學(xué)采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教法相結(jié)合，采用多種教學(xué)方法，除傳統(tǒng)的授課方式，逐步引入課堂專題討論或小組匯報等新的教學(xué)方式。

通過課堂教學(xué)實(shí)例化具有理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)，可以對建筑環(huán)境中的典型案例作重點(diǎn)剖析，從而加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，并能讓學(xué)生學(xué)會用理論知識去分析、判斷和解決問題。

（二）注重思維與訓(xùn)練

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)大綱中涉及的知識點(diǎn)較多，完全依賴課堂講授知識點(diǎn)不現(xiàn)實(shí)也沒有必要。將教學(xué)大綱中的各個知識點(diǎn)進(jìn)行提煉、優(yōu)化并重新組織，以案例形式歸納總結(jié)，注重學(xué)生思維能力與實(shí)踐能力的培訓(xùn)。

目前課程已有的教學(xué)案例有：實(shí)驗(yàn)影響因素案例、方差與標(biāo)準(zhǔn)差案例、t檢驗(yàn)案例、方差分析案例、正交實(shí)驗(yàn)案例等。理論—案例并行的課程內(nèi)容，緊密圍繞建筑環(huán)境與能源應(yīng)用科學(xué)研究中遇到的實(shí)際問題，豐富教學(xué)內(nèi)容：高度重視學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，拓寬學(xué)生視野。

（三）注重互動與反饋

實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程涉及概率論、數(shù)理統(tǒng)計中的知識，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為復(fù)雜。課程教學(xué)中注意增加設(shè)計一些師生互動、同學(xué)互動的環(huán)節(jié)，可以強(qiáng)化學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。教師在授課前布置相關(guān)知識點(diǎn)并推薦專業(yè)相關(guān)的文獻(xiàn)，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，在課程教學(xué)中帶著問題學(xué)習(xí)。

注重教學(xué)內(nèi)容的課堂組織，探討交互式的教學(xué)模式。在課程教學(xué)中，引入專業(yè)相關(guān)的文獻(xiàn)，以方差分析、正交實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，增加科研論文的講解。探討教學(xué)內(nèi)容的交互即理論與實(shí)踐問題的交互、師生的互動（學(xué)生參與方式、師生互動方式）、學(xué)習(xí)場所的交互（課堂內(nèi)、外的交互）以及教學(xué)過程的交互（教學(xué)的推進(jìn)過程與教學(xué)回顧）。

通過建立課程QQ、微信群、網(wǎng)站討論論壇等多種信息溝通平臺，做到教師與學(xué)生的有效互動，深入交流。教學(xué)中資料上傳、課程討論、與學(xué)生互動等教學(xué)活動，利用QQ群完成。

（四）注重課程資源建設(shè)

課程教學(xué)資源與時俱進(jìn)，及時跟進(jìn)可持續(xù)建筑環(huán)境與建筑節(jié)能領(lǐng)域研究中最新研究方法。PowerPoint制作了課程教學(xué)課件，并進(jìn)行了優(yōu)質(zhì)課程網(wǎng)站建設(shè)。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

通過對課程教學(xué)資源的不斷完善和更新，增強(qiáng)了研究生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和探索性，使學(xué)生更容易掌握課程重點(diǎn)、難點(diǎn)，提高教學(xué)效果。

五、教材建設(shè)與師資隊伍建設(shè)

本課程教材采用田勝元編著的“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”，該書出版年代較早，知識更新不足。課程組在原教材基礎(chǔ)上，進(jìn)行課程內(nèi)容重組，編寫了新的課程講義，有機(jī)融入學(xué)科前沿，體現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代課程教材的內(nèi)涵。講義重點(diǎn)介紹了常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法在建筑環(huán)境科學(xué)研究和生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，列舉典型實(shí)例，重點(diǎn)介紹了誤差分析、多因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計——正交設(shè)計、回歸分析方法等。在經(jīng)過修改完善以后，擬出版體現(xiàn)可持續(xù)建筑環(huán)境與建筑節(jié)能研究前沿性和先進(jìn)性、適合現(xiàn)代建筑環(huán)境專業(yè)研究生課程教學(xué)的教材。

在課程負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，吸引科研能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神和受學(xué)生歡迎的青年教師加入，建設(shè)一支老中青結(jié)合的隊伍。課程組教師均具有博士學(xué)位，且有海外經(jīng)歷。教學(xué)團(tuán)隊定期組織教學(xué)活動，探討教學(xué)內(nèi)容、切磋教學(xué)方法，積極參與教改項目和國內(nèi)外教學(xué)研討會，不斷改進(jìn)教學(xué)方法。通過課程教師出國培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流，聘請海外專家講學(xué)，不斷整合教師資源，使課程教學(xué)始終保持良好的知識前沿性。經(jīng)過建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊是一支能用雙語教學(xué)，把握專業(yè)領(lǐng)域前沿的、理論與實(shí)踐相結(jié)合的高質(zhì)量的教學(xué)隊伍。

六、完善考核制度

由于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程自身的特點(diǎn)，在考核方式與成績評定方式上與本科課程及研究生其他理論課程存在很大的不同。該課程設(shè)置閉卷或開卷考試與課程論文相結(jié)合的考核方式。成績構(gòu)成由平時成績和期末考試與課程論文組成，平時成績可由課堂提問、課堂分析和討論等組成，約占總成績30%。期末除了理論考試外，要求每位同學(xué)根據(jù)自身課題的特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析的方法，以課程論文的形式進(jìn)行提交。通過增加考核環(huán)節(jié)，可綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，帶動學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

七、存在問題及改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)用性很強(qiáng)的課程，通過教學(xué)改革，重視實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神與創(chuàng)新能力，探討研究生培養(yǎng)質(zhì)量的提升與過程控制，從而推進(jìn)了精品課程的建設(shè)。

在目前的教學(xué)改革中，通過思考與嘗試，學(xué)生對課程的重視程度和學(xué)習(xí)興趣得到了提升，還存在如下問題需要進(jìn)一步探索。

1.課程內(nèi)容較多，學(xué)時少;如何解決這一矛盾，提高教學(xué)效率。

2.課程內(nèi)容理論抽象、含有較多的抽象概念、公式，如何應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)手段和方法提升教學(xué)效果。

3.如何將現(xiàn)代信息化技術(shù)融入課堂教學(xué)中，使課程教學(xué)能更好地提升研究生綜合素質(zhì)與能力。

參考文獻(xiàn)

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