《實驗設計與數據處理》研究生課程的教學改革與創新

陳曉娟，徐 頌

（佛山科學技術學院環境與化學工程學院，廣東佛山 528000）

隨著科學技術的不斷發展，高等教育教學也在逐步更新，如何提高教學質量，培養高素質的人才成為當前高等教育改革發展的重要方向之一。《實驗設計與數據處理》是各高校研究生培養計劃中重要的課程之一，對于培養學生的專業基礎能力具有顯著影響。《實驗設計與數據處理》是以數理統計理論、專業基礎知識，以及大量實踐經驗為基礎，從而構建數學模型和實驗方案設計方法，以實現實驗方案的科學設計、實驗數據分析的總體評估，從而達到減少實驗次數、縮短實驗周期、優化實驗方案的目的[1]。總的來說，《實驗設計與數據處理》課程主要涉及兩大部分內容：①實驗設計。提高學生的實驗設計能力，以優化整個實驗過程。②數據處理。強化學生對數據處理方法和手段的認識，以更好地理解實驗現象和整個科研課題內在的本質。《實驗設計與數據處理》是研究生階段的必修課程，更是一種工具性課程，也是為學生提供開展科研課題研究所必備技能的重要基礎課程。在信息化時代背景下，課程的講授也面臨著多重壓力和挑戰，需要綜合運用現代科技手段，結合時代發展需求，在學習基本知識的基礎上，更重要的是要讓學生學會“舉一反三”，學會“學以致用”，從而切實地提高研究生的綜合素質。

1 課程教學現狀與存在問題

1.1 課程涉及的理論內容廣泛，但不夠深入

《實驗設計與數據處理》課程的教材有很多版本，但總體上主要包括實驗設計部分（正交設計、均勻設計、序貫實驗、析因設計、響應面設計等）和數據分析處理部分（誤差分析、方差分析、回歸分析、數據統計分析等）。從內容上來說，內容涉及面很廣，理論性很強[1-2]。但是，該課程通常只安排32學時，很難在有限時間內系統地認識整個知識板塊。基于課時和內容的雙方面考慮，課堂上大多仍是以灌輸式教學為主，學生也只是單方面地接受知識，而缺乏思考。而且，教材上的內容更多的是認識某一內容背后的理論知識及概念，內容相對比較抽象，對于如何在合適的場景正確地運用該理論，則缺乏直觀的理解；同時，單純的知識灌輸也非常枯燥，同學們的課堂學習效果也不甚理想。

1.2 學生學習背景參差不齊，學習能力有明顯差異

生源是導致不同學生之間學習能力差異的重要因素之一。高考在某種程度上也確實體現和評價了學生的能力。不同高校畢業的本科生，在進入研究生階段，學習能力多多少少會有些不太一樣。或者說，學生擅長的思維模式不太一樣，能夠接收的理論知識的深度也會有所差異。另一方面，很多學生和家長把考研看作是改變命運的第二次機會，所以會選擇跨考熱門專業（譬如電子、機械類等），尤其是從文科跨到工科或理科。這些文科學生對于抽象的、微觀的，甚至有些枯燥的理論推導過程的接收通常相對緩慢。再者，有部分學生認為本科畢業不好找工作，所以想讀研究生，減緩就業壓力。在不能滿足考研第一志愿的情況下，廣撒網，只為“有學上”，導致同一年級的學生中，專業背景差異大，接受同一知識的能力也參差不齊，給老師的教學帶來了很大壓力。

2 課程教學改革與創新模式

2.1 更新教學內容，契合專業特點和需求

隨著高等教育人才培養結構和計劃的調整，新時代的高等教育人才需要與社會需求契合，加強產教融合、科教融合的體制機制的完善。而高等教育課程的安排和學習也必須有計劃地與實際產業和技術需求相結合，提升學生服務社會發展的意識，增強學生服務社會的技能和智慧。傳統的課程安排中大量理論教學內容讓整個課程缺乏趣味性和理解性，也很難讓學生自己聯想到理論知識與實際應用的匹配。因此，各個學校、各個專業應根據自己的專業特點，凝練出適合自己專業需求和學科發展的實驗設計與數據處理方法，有針對性地教授相關知識，讓學生切實地認識到課程內容對于研究生學習的重要性[3]。

譬如環境科學與工程，導師們的研究方向雖不一樣，但是總體上會涉及環保功能材料的研制、有機污染物（水或大氣中）的降解去除、土壤中重金屬的遷移轉化、固廢的資源化利用等。可根據這些研究方向所用到的實驗設計和數據處理方法，結合教材的內容，提煉出能夠讓學生們有直觀感受的課程內容。實驗設計方面，可重點關注正交設計、均勻設計和響應面設計，并結合具體的案例數據，剖析實驗設計方法；數據處理方面，可重點關注Excel 和Origin 軟件在數據處理中的應用和技巧、誤差分析、方差分析，以及具體材料表征處理軟件（XRD、FT-IR、Raman、XPS 等）、污染物檢測分析處理軟件（HPLC、GC、HPLC/MS 等）和統計分析處理軟件（SPSS 等）。經過教學內容的不斷凝練和完善，學生在課程學習過程中，能更深入地認識科研課題所涉及的內容，對科學研究有前期的了解，有利于更好地開展課題。

2.2 豐富教學模式，激發學生興趣和主動性

傳統的教學模式更多的是按照教材逐一講授。但由于教材內容的理論性特別強，還涉及很多的公式推導，所以整個過程難免枯燥，也很難將所有的知識都講得透徹。因此，在提煉教學內容的基礎上，也要充分利用信息化時代的資源，豐富教學模式[3-4]。

（1）立體展示式教學模式。充分利用多媒體、互聯網資源的慕課及案例分析，強化對理論知識的講授，以及對軟件實際操作過程的系統化演示，增強學生對知識的直觀認識[5]。具體地說，能夠針對專業領域的某一典型研究內容，或者結合學生自身的研究方向，從整體的研究思路出發，引導學生進行具體的實驗設計方法、設計參數選擇和設計思維的鍛煉；針對研究所用到的實驗材料及實驗儀器進行詳細講解，讓學生直觀地認識如何能夠具體地實施某一方案，并對實驗過程中需要注意的事項進行強調；再者，結合具體的實驗數據，具體分析數據處理方法及其應用場景，詳細分析數據處理的目的，以及所得結果內在的本質。總體上來說，結合具體的案例分析，將枯燥的理論課程知識融入實際，可使學生充分理解專業與課程的緊密關聯程度，深入體會課程在學生的科研課題研究和工作中的應用價值，為學生的學習和工作提供堅實的技術技能儲備。

（2）互動實踐式教學模式。有針對性地設置一些練習，譬如說文獻閱讀、研究熱點分享、某一關鍵實驗設計方法或數據處理手段的應用分析，讓學生具體地進行操作，針對學生的成果進行詳細拆解分析，幫學生解決實際遇到的問題，加強學生的理解；引導學生參與到課程中來，授課教師可以多角度地提供一些科研課題，或者讓學生結合自己即將開展的科研課題，提出簡單的科學問題和所要達到的目的，讓學生根據所學內容獨立設計實驗方案，并探討自己研究課題即將用到的數據處理和分析方法，充分分析對整個課程的認識，從而有針對性地增強學生對知識的認識和理解；加強小組間的討論，通過不同研究課題的學生間相互交流，使學生認識到自己看待問題的優勢和局限，拓寬學生視野，加強學生對實驗設計方法和數據處理手段的認識和理解。總的來說，要讓學生對所理解的知識進行多方面展示，多提供PPT 匯報、翻轉課堂、固定小組和隨機小組討論等機會，強化學生對知識細節和操作過程的認識。

（3）實驗式教學模式。針對實驗設計環節，給出一些具體的實驗場景或者研究內容，并明確研究目的，讓學生有針對性地對比各種實驗設計方法的優缺點，并選擇合適的設計方法，借助具體的軟件對實驗設計的具體過程進行分析，從而考查達到研究目的的可行性。針對數據處理環節，加強學生的動手能力和操作能力，譬如給定某一實驗過程的數據，讓學生結合研究目的對數據進行處理方法的選擇，以及對處理結果進行正確的表達；同時，提高學生對數據處理軟件的應用及場景選擇的能力，使得學生能夠基于處理結果詳細地認識研究內容的本質。

2.3 創新教學評價，完善教學目的和效果

傳統的教學評價主要是考試，內容還涉及公式的推導和計算。但是，目前大多數理論知識或公示都很完美地嵌套入數據分析處理軟件中，只需要對原理有簡單認識的基礎上，學會如何操作軟件，實現對數據的充分分析。因此，教學評價方式也應該轉變，減少對理論知識的考察，更多地關注實踐性[6-7]。如增加平時練習作業的分值，期末評價改成考查課，讓學生通過PPT 匯報或者小論文的方式，談談自己課題中所用的實驗設計方法和數據處理手段，從而有針對性地給學生提供指導。若有可能，可將講授與指導貫穿于學生的整個研究生階段，結合研究生自己的整個科研過程，提高課程的總體效果。

2.4 構建思政理念，突出科學素養和思維

在《實驗設計與數據處理》課程教學過程中，構建思政理念，讓學生們懂得實驗數據處理的規范性和嚴謹性，從而培養學生的科研素養和思維[8-10]。①強調科學實驗應該具有正確的價值取向。②引領學生了解科學實驗需要遵循科學性、準確性和可重復性等。③引導學生科學合理地制訂實驗設計方案，并充分考慮研究的倫理性、安全性和科學規范性。④強調數據處理需要遵循科學嚴謹的方法，避免數據造假和誤導等問題。思政教育的引入，旨在提高學生對知識本身的認識基礎上，能夠衍生到對于人生觀、價值觀建立的指導作用，從而培養適應能力強、實踐能力強、學習能力強的高綜合素質應用型研究生人才。

3 總結與展望

作為研究生培養計劃的主干課程之一，《實驗設計與數據處理》課程在以往以及今后都有很重要的地位。總體上來說，凝練規劃課程體系，注重理論和實踐結合，是課程改革的最主要方面；豐富教學模式和創新教學評價，是課程改革的重要環節；在課程教學中構建思政理念，是超越課程內容之上的科研素養和思維培養的關鍵。這些教學創新和改革的嘗試將有助于培養學生的實驗精神和科學素質，更好地為他們的學術和職業發展打下堅實的基礎。