農業工程類研究生《試驗設計與統計分析》教學案例庫建設

王瑞麗，白曉虎，魏利華

（沈陽農業大學，沈陽 110866）

農業工程類專業學位研究生的培養面向農業工程領域的專業需求，旨在培養出具有堅定理想信念、高尚道德情操和健全人格，具備綜合運用所學農業工程專業理論知識和實踐技能，能解決工程實際中有關技術問題能力的應用型高層次的工程技術人才。試驗設計與統計分析是在科研實踐中獲取科學數據的主要手段，是研究生開展科學研究、撰寫科研論文的主要方法。為了培養研究生的試驗設計與數據分析的能力，沈陽農業大學開設了《試驗設計與統計分析》課程，并在案例教學方面進行了探討。

1 課程特點及案例教學思路

《試驗設計與統計分析》課程主要講授試驗設計理論、試驗設計方法和試驗結果分析應用，是培養和提高學生有效使用統計方法和原理進行科學試驗的必修課程。該課程以概率論、數理統計為理論基礎，并結合科研實踐，科學安排試驗方案、整理試驗數據和分析試驗結果，同時明確回答研究項目所提出的問題和盡快獲得最優方案[1-2]。課程內容實踐性較強，由于學生在開展課題研究之前對具體的科學研究或生產實際調研不深入，在教學中出現了對試驗理論理解困難、學習枯燥的情況，而在進行課題的試驗設計時又束手無策、無法解決。目前在教學實踐中仍采用傳統的教學方式，理論講述比較抽象，實踐與理論未有效結合。

案例教學在高等農業院校研究生培養和課程教學中至關重要。沈陽農業大學在研究生課程中設置了3個以上的教學案例，用以培養研究生的實踐和創新能力。通過精選案例、討論分析和總結點評來提高研究生的教學水平和培養質量，同時不斷積累與完善課程案例庫以保證開展案例教學[3]。

《試驗設計與統計分析》課程教學案例庫將以大量源于科研實踐的試驗案例來引導研究生主動獲取專業知識，并鍛煉其試驗設計與統計分析能力，改變了傳統的依靠教師講授的單一模式，促進了師與生、生與生互動。以案例為基礎，通過呈現案例的真實工程情境，將理論與實踐緊密結合，并引導研究生從案例中學會發現、分析和解決問題，進而使其掌握理論、形成觀點、提高實踐能力[4]。

2 案例庫總體設計和典型案例

2.1 《試驗設計與統計分析》案例庫總體設計

農業工程試驗設計與統計分析主要研究機具或部件等結構參數和工作參數等的優化設計，包括因素試驗和數據分析。根據科學試驗的遞進關系，在《試驗設計與統計分析》課程中設置了3 類教學案例，包括單因素試驗、正交試驗和回歸組合試驗設計與統計分析，共10學時[3]。結合研究生課程考核，對近5 a發表在農業工程類權威期刊的應用試驗設計方法進行科學研究的文章進行歸納、分類和分析討論，并按試驗設計方法整理形成案例庫。

2.2 《試驗設計與統計分析》典型案例分析

分析案例主要內容包括試驗目的、試驗因素指標確定、試驗方法確定、試驗結果分析與討論。

2.2.1 單因素試驗設計 在教學實踐和科研過程中，常用單因素試驗設計與統計分析來確定影響試驗指標的因素和因素的取值范圍，從而為進行多因素試驗提供依據[5]。選取發表在農業工程類權威期刊上的3～5篇文章作為教學案例：如發表在《農業工程學報》上的文章“甜瓜貼接嫁接機切削裝置工作參數優化與試驗”，其通過單因素試驗，確定了試驗因素“切削角度、切削半徑和切削高度”對試驗指標“接穗切削面角度”和“接穗切削位置”的影響顯著，因而切削角度取值范圍為-10°～10°，切削半徑取值范圍為36～42 mm，切削高度取值范圍為24～32 mm[6]。

2.2.2 正交試驗設計 通過正交試驗設計可確定兩個以上的試驗因素對試驗指標的聯合影響作用。選取發表在農業工程類權威期刊上的5～10篇文章作為教學案例：如發表在《農業工程學報》上的文章“胡蘿卜微粉碎機盤刀設計及試驗”，其通過三因素三水平正交試驗設計，確定了因素“盤刀類型、轉子轉速和刀底間隙”對試驗指標“單位耗能產量”的影響，同時利用直觀分析法和方差分析法確定了影響胡蘿卜微粉碎單位耗能產量的主次因素依次為盤刀類型＞轉子轉速＞刀底間隙，單位能耗產量最大時因素水平最優組合為齒式盤刀、轉子轉速為1 455 r/min、刀底間隙為7 mm[7]。

2.2.3 回歸組合試驗設計 結合正交試驗設計和回歸分析的優點，以追求正交性、旋轉性和通用性等優良特性為目標，通過設計試驗方案、建立回歸關系、進行二元分析和優化求解等步驟來獲得試驗指標最優時試驗因素的最優取值，并通過試驗來驗證最優取值的合理性。選取發表在農業工程類權威期刊上的5～10篇文章作為教學案例：如發表在《農業機械學報》上的文章“喂入調節式秸稈破包揉絲機設計與試驗”，其采用回歸組合試驗的方法建立了試驗指標和試驗因素之間的回歸模型，并通過方差分析確定出試驗指標“標定單位功率生產率”的影響因素的主次順序依次為電機輸出轉速、喂入間隙、篩孔直徑，最優工作參數組合為電機輸出轉速1 353 r/min、篩孔直徑47 mm、喂入間隙12 cm，驗證試驗表明整株秸稈的標定單位功率生產率均值滿足設計要求[8]。

3 案例教學的實施和效果分析

教學案例庫已在我校農業工程與信息技術專業學位碩士研究生課程《試驗設計與統計分析》教學中使用了5 a，并根據科研實踐持續增加和完善項目案例庫。

3.1 教學案例的實施

教學案例的分析和討論主要體現在課堂講授、科研實踐和課程考核等教學環節，各環節密切聯系、相輔相成。通過課前布置任務，要求同學們結合導師團隊的科研任務，查閱在農業工程領域利用單因素、正交和回歸組合試驗設計進行研究的公開出版成果，并精讀和分析1～2篇具有代表性的文獻。

課堂講授主要講解3種試驗設計方法的概念、原理和分析步驟。

科研實踐主要分析典型文獻利用3 類試驗設計方法進行機具或工藝優化的過程，重點結合導師科研實踐來設計試驗方案、參與試驗過程并進行試驗結果的分析。科研實踐要求研究生記錄試驗全部過程，包括說明試驗目的、確定試驗指標和試驗因素、選擇試驗設計方法和分析試驗結果。

課程考核分為兩部分，一是調查并統計當年農業工程學科權威期刊中應用試驗設計方法的所有文章，統計文章的標題、摘要、試驗設計方法、數據分析軟件和結論。近5 a 完成了2012 年以來農業工程類權威期刊論文的統計并建立了案例庫。二是在所統計的權威期刊中選擇典型案例進行試驗設計的再現和分析。利用Excel 輔助計算和DPS、SPSS、Design expert等數據分析軟件中的一種進行數據分析，并查找研究生分析結果和原文結論的不同之處及原因。

3.2 案例教學效果

通過案例的分析與再現教學可使研究生的試驗設計與統計分析能力、科研創新能力和科技論文撰寫能力不斷提升。

3.2.1 增強課堂教學活力，促進教學相長 案例教學的精髓在于模擬情境與學習體驗，通過課堂講授案例使研究生深刻體會到試驗設計與統計分析對研究生科研的重要性，使其做到認真聽講、踴躍發言、研討科學試驗方法，從而實現師生互動、生生互動。

3.2.2 提高科研創新能力，增加科研成果 通過案例分析、案例再現和課程考核，研究生在科研試驗方面的能力得到提升。在進行論文開題時能利用課程所學理論和方法來確定研究對象的試驗優化設計方案、開展試驗，并對初步試驗結果進行分析。在知網查詢可知從2010年以來沈陽農業大學研究生通過案例學習和實踐，并結合自己課題，與其導師團隊發表的有關應用試驗優化設計與分析方法的中文文獻達260篇，其中學位論文87篇，期刊論文166篇，會議論文7篇；其中發表在各類期刊的論文比例為農業工程學報20%、農業機械學報24%、沈陽農業大學學報34%、其他期刊22%。

3.2.3 提高學生學習能力和工作能力 通過與專業密切相關的典型案例的分析與再實踐，使得學生把課程內容和專業科研實踐結合起來，有助于提高研究生對專業知識的學習能力，并提高其工作能力。案例教學效果調查問卷結果表明，案例教學使得學生對課程的理解更深刻，其學習能力和學習效果得到顯著提升，對研究生畢業后繼續進行科研和工作幫助很大。

4 結論

《試驗設計與統計分析》是一門多學科交叉的、理論性和實踐性都很強的農業工程與信息技術專業學位研究生課程。以試驗方法的工程應用為案例來開展教學可再現案例的真實工程情境，培養學生實踐能力、設計能力和分析能力。教學實踐及調查問卷表明，《試驗設計與統計分析》案例教學得到了研究生的普遍認可，激發了學生的學習興趣。案例有效彌補了課內學習的不足，具有覆蓋面廣和可拓展性強的優勢，提高了農業工程類研究生學習《試驗設計與統計分析》課程的興趣，同時提高了研究生的就業競爭力。