“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”教學設計與實踐

劉紅梅， 李可意， 韓永萍， 侯春娟

（北京聯(lián)合大學生物化學工程學院，北京 100023）

0 引 言

“學生中心、成果導向、持續(xù)改進”的成果導向教育（Out-Based Education，OBE）理念是工程教育認證的核心理念，學生的學習成果包括學校學習成果（培養(yǎng)目標）、專業(yè)學習成果（畢業(yè)要求）、課程學習成果（課程目標）、單元學習成果和課堂學習成果等不同層級［1-2］。成果導向的課程教學設計是中國工程教育專業(yè)認證從“形似”向“神似”轉變的關鍵，是中國工程教育認證的“最后一公里”［3］。OBE 教學理念如果不能在課程層面落實，將會使整個OBE教學體系失去其建構基礎和內在的合理性，沒有進入課程層面的教育改革難以取得實質性成效［4］。OBE 教學理念只有落實在課程層面才能實現(xiàn)從專業(yè)人才培養(yǎng)目標到課程教學的上下一致貫通［2］。

“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”是理工科專業(yè)的專業(yè)基礎課程，是利用現(xiàn)代統(tǒng)計學理論知識和實驗設計方法解決實驗過程問題的一門學科：實驗方案設計、工藝參數(shù)的顯著性檢驗、影響因素的主次分析、工藝參數(shù)優(yōu)化等涉及實驗方案的有效設計和實驗數(shù)據(jù)的科學處理［5-7］等系列問題；化工、制藥、生物、食品等相關專業(yè)課程學習、畢業(yè)環(huán)節(jié)、學生讀研以及畢業(yè)后從事的研究性工作均涉及實驗方案設計和實驗數(shù)據(jù)處理。因此，該課程的學習成效，對學生解決復雜工程問題能力的提升、畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標的達成都至關重要。本教學團隊依據(jù)課程所支撐的畢業(yè)要求，結合學生學情，以學生的學習成果為導向，重新進行教學設計，引入項目式教學法，實施“工藝優(yōu)化驅動教學”的教學改革，圍繞課程目標的達成構建形成性考評體系，全面評估課程目標的達成［8］。

1 傳統(tǒng)教學中存在的問題

1.1 理論教學與實踐訓練脫節(jié)

傳統(tǒng)上，“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”或者是單純的理論課，或者是以理論教學為主，實踐學時占比不到20%。老師在傳統(tǒng)課堂完成以知識原理講授及繁雜公式推導為主要內容的理論教學，再輔以課后作業(yè)進行訓練，理論與實踐脫節(jié)，學生課堂參與度低［9-11］。而“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程涉及誤差理論、概率論、數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)等數(shù)學知識，正交試驗設計、均勻試驗設計、正交回歸試驗設計等眾多理論和方法，同時還會用到Excel、Origin、SPSS、DPS 等多種數(shù)據(jù)處理工具。因此，缺乏實踐支撐的課程教學，難以取得理想的教學效果，會影響課程目標的達成。

1.2 教學案例與專業(yè)脫節(jié)

實驗方案設計與數(shù)據(jù)處理結果的分析和解讀需要針對具體的對象。傳統(tǒng)教學中采用的例題或教學案例多來自教材，與學生所學專業(yè)脫節(jié)，缺少針對專業(yè)實驗項目的實驗設計和數(shù)據(jù)處理訓練。因此，學生不了解所學課程對后續(xù)專業(yè)課程的支撐、所學內容與專業(yè)發(fā)展之間的關系，學習興趣缺失。

“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程的學習成效對學生科研實踐、專業(yè)綜合設計性實踐環(huán)節(jié)、畢業(yè)論文乃至將來的科研工作都至關重要。由于課程在教學內容、教學組織等方面存在與專業(yè)脫節(jié)的現(xiàn)象，學生無法將所學的知識和原理與“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”“畢業(yè)論文”等環(huán)節(jié)的具體實驗項目進行有機融合。如在專業(yè)課程實驗、專業(yè)綜合實驗等教學環(huán)節(jié)，有不少學生無法針對具體實驗對象設計實驗方案，只能按部就班執(zhí)行老師給定的方案，設計性訓練無從談起。在畢業(yè)論文環(huán)節(jié)，雖然同學能夠采用單因素實驗結合正交試驗優(yōu)化實驗方案，但僅采用簡單的圖表反映實驗結果，缺少對實驗數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，正交試驗缺乏必要的影響因素顯著性分析，缺少實驗數(shù)據(jù)的模擬和實驗結果的預測分析，因而所獲得的實驗結論的論據(jù)不足。這勢必影響相關課程的教學目標達成，從而影響課程所支撐的畢業(yè)要求的達成。

2 反向教學設計

“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”的課程教學采用反向設計、正向實施和反饋［8，12-13］。教學團隊依據(jù)課程所支撐的畢業(yè)要求觀測點設計課程目標，圍繞課程目標的達成整合教學內容和教學資源、設計教學方法、組織教學活動、收集考核數(shù)據(jù)、實施達成情況評價，并依據(jù)評價結果進行持續(xù)改進，從而形成“實施－評價－反饋－改進”的閉環(huán)。課程的教學設計思路如圖1 所示。

圖1 “實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程教學設計思路

2.1 課程目標

OBE教學理念強調學生的學習成果，對課程而言就是課程目標，而課程目標取決于其所支撐的畢業(yè)要求觀測點。因此，任課教師首先必須明確課程與畢業(yè)要求觀測點的支撐關系，基于畢業(yè)要求觀測點設計課程目標，這是開展OBE驅動的工程教育課程教學創(chuàng)新設計的關鍵。

我校制藥工程專業(yè)的“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”支撐3 個畢業(yè)要求觀測點，即“觀測點4-3”“觀測點5-3”“觀測點10-2”，教學團隊圍繞這3 個觀測點設計教學目標。“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”的課程目標及其所支撐的畢業(yè)要求觀測點及課程目標定位如表1 所示。

表1 “實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程目標及其支撐的畢業(yè)要求和觀測點

2.2 基于課程目標的教學設計

“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”的教學內容較多，涉及誤差分析、極差和方差分析、回歸分析等數(shù)據(jù)處理的基礎知識，以及正交試驗設計、均勻設計、回歸正交試驗設計等實驗設計方法等內容，知識點散而雜，公式多而繁，如果學生統(tǒng)計學基礎不夠扎實，則會感覺晦澀難懂，從而失去學習興趣。另一方面，本課程是一門實用性較強的課程，關鍵在于應用知識和原理解決實際工程問題，并對實驗數(shù)據(jù)處理結果進行分析和解讀。

教學團隊從應用出發(fā)，引入“工藝優(yōu)化驅動教學”的項目式教學法。課上，將涵蓋實驗方案設計、實驗數(shù)據(jù)處理和方案優(yōu)化的“灰樹花多糖提取工藝優(yōu)化”科研項目引入課堂教學，以提取工藝的優(yōu)化設計驅動課堂教學。課下以小組為單位，結合“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等教學環(huán)節(jié)的實踐成果，完成針對具體對象的實驗方案設計和數(shù)據(jù)處理訓練。在進行教學設計時，圍繞課程目標重新梳理教學內容，根據(jù)內容特點采用跨課程聯(lián)動、問題引導、案例教學、項目教學、實踐訓練、成果分享等多種教學方法開展教學。在考核評價方面，除隨堂訓練、課下實踐外，引入實踐成果的口頭展示和視頻解說、課程大作業(yè)、分組答辯等多種考核方式，對學生的學習成效實施形成性多元化考核評價。各課程目標的主要學習內容、教學特點、教學活動及評價方式等見表2 所示。

表2 “實驗設計與數(shù)據(jù)處理”基于課程目標的教學設計

3 提取工藝優(yōu)化設計，驅動課堂教學

教學團隊將“灰樹花多糖提取工藝優(yōu)化”引入課堂教學，引導學生通過文獻調研確定實驗指標和實驗因素，完成單因素和雙因素實驗的方差分析和回歸分析，采用正交實驗設計、均勻設計、回歸正交試驗設計等方法優(yōu)化提取工藝，提出優(yōu)化結果的驗證方案。

課前，老師通過云班課提供課上實踐需要用到的實驗數(shù)據(jù)；課上，老師通過課堂討論、案例分析等形式講授方法，學生分組實踐消化吸收，具體實施過程如表3 所示。

4 基于真實需求的實踐訓練

在實施“工藝優(yōu)化驅動教學”的課下實踐過程中，最大的困惑來自實驗數(shù)據(jù)的獲取，因為本課程不涉及具體的實驗過程，無法通過具體實驗獲取相關實驗數(shù)據(jù)，服務于課程教學。如果僅從文獻獲取數(shù)據(jù)或直接給學生提供數(shù)據(jù)，有點紙上談兵，教學效果會大打折扣。而專業(yè)任課教師在指導學生進行專業(yè)課程的綜合設計實驗、專業(yè)綜合性實驗以及科研實踐的過程中，發(fā)現(xiàn)學生的實驗方案設計和數(shù)據(jù)處理的能力存在不足。

為解決這一問題，專業(yè)內部打通課程壁壘，“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”聯(lián)合“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等教學環(huán)節(jié)實現(xiàn)跨課程教學聯(lián)動，由“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等環(huán)節(jié)提供實驗項目任務和實驗平臺，由“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程提供實驗方案設計和實驗數(shù)據(jù)處理指導，從而對學生進行完整的實驗方案設計、實驗開展、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、實驗結果表達等實踐訓練，加強對學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)，支撐畢業(yè)要求的達成。

如圖2 所示，跨課程教學聯(lián)動包括以下4 個階段：

圖2 跨課程教學聯(lián)動設計

（1）開課前，指導教師根據(jù)課程目標確定授課方案，發(fā)布教學任務、分組要求、實驗項目選題指導等，指導學生針對具體實驗對象進行文獻調研，確定實驗指標、實驗因素和實驗水平，初選分析方法和實驗方法。一般4 人一大組，2 人一小組。

（2）任課教師指導學生針對具體實驗對象設計單因素、雙因素實驗方案，根據(jù)實驗對象特點選擇正交試驗設計、均勻設計或回歸正交試驗設計優(yōu)化實驗方案。

（3）指導教師指導學生按照設計方案開展實驗，采集實驗數(shù)據(jù)。

（4）任課教師與指導教師從以下4個方面指導學生進行實驗方案設計和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：

①提取方法優(yōu)選。有效成分的提取方法一般包括水提、醇提、超聲輔助提取、微波輔助提取、雙水相提取、復合酶輔助提取等。每個小組選定其中的一種方法進行單因素實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)；每個大組的2 個小組選用不同的提取方法，2 個小組共享數(shù)據(jù)，采用雙樣本等方差／異方差假設的t檢驗對兩組實驗結果進行分析，判定兩種提取方法的結果是否存在顯著性差異，并根據(jù)檢驗結果選定一種提取方法。

②單因素和雙因素方差分析。通過對單因素實驗和雙因素實驗結果進行方差分析，基于方差分析結果，對實驗因素影響的顯著性進行分析，為實驗方案設計和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

③實驗設計和方案優(yōu)化。根據(jù)實驗對象、實驗因素和水平數(shù)選擇正交試驗設計、均勻設計或回歸正交試驗設計，設計實驗方案，安排實驗，采集數(shù)據(jù)；采用多項式回歸分析擬合實驗數(shù)據(jù)，方差分析結合復相關系數(shù)檢驗回歸方程的顯著性，偏回歸系數(shù)的t檢驗結合F檢驗判斷偏回歸系數(shù)的顯著性、實驗因素影響的主次關系，預測實驗結果，規(guī)劃求解優(yōu)化實驗方案。

④表達實驗結果：采用常規(guī)圖表、等高線圖、響應曲面圖等表達實驗結果。

5 課程目標達成情況評價

5.1 課程目標達成期望值

依據(jù)北京聯(lián)合大學有關學生考核合格標準、學位授予績點要求、課程性質、學生學情、考核難度等，將課程目標的達成合格標準值設定為0.60，達成期望值設定為0.70。

5.2 課程目標達成情況評價

制藥工程專業(yè)2019 級“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程目標達成情況為例進行說明，各課程目標以及課程總體達成結果見圖3 ～4。

圖3 課程目標達成情況

圖3 達成結果表明所有課程目標和總體教學目標均達到預期教學目標。在這3 個教學目標中，課程目標2 的達成值較低，說明學生使用現(xiàn)代工具解決實際工程問題的能力還有待進一步加強。

由圖4 可以看出，每個課程目標都有未達成同學。課程目標1 有3 位同學未達成，說明這些同學在綜合運用知識原理設計實驗方案、分析處理實驗數(shù)據(jù)等方面存在短板。課程目標2 有4 位同學未達成，說明這些同學在利用現(xiàn)代工具獲取專業(yè)信息、分析處理實驗數(shù)據(jù)等能力有待加強。課程目標3 有5 位同學未達成，說明這些同學在用專業(yè)術語口頭或書面闡述實驗設計思路、展示設計成果等方面存在不足。

圖4 課程目標達成情況分布

5.3 持續(xù)改進

為進一步改進教學，教學團隊向2019 級制藥工程專業(yè)的同學發(fā)放調查問卷39 份，回收問卷39 份，回收率100%，問卷調查結果如圖5 所示。由調研結果可知，學生對教學過程中采取的①理論學習與操作實踐并行，②跨課程教學聯(lián)動，③案例教學，④課堂直播等教學方法給予了肯定，學生對理論學習和操作實踐并行的這種教學模式和跨課程教學聯(lián)動的認可度分別高達72.41%和70.14%。在課堂教學互動頻次和實踐強度設計上，部分學生認為還不夠，希望有更多的實踐機會，但過多的課堂互動和實踐成果展示也給部分學生帶來了一定的壓力。

圖5 學生對課程所采用教學方法的反饋結果（多選題）

結合課程目標達成情況，教學團隊在繼續(xù)推進理論教學和操作實踐并行、跨課程教學聯(lián)動、案例教學、師生互評等教學活動的同時，還將進一步優(yōu)化教學設計和課堂互動策略，根據(jù)學生的實際情況，提供個性化的學習指導和實踐訓練，在訓練學生解決復雜工程問題高階能力的同時，兼顧基礎薄弱的同學，為他們提供促進知識內化吸收的基礎訓練，以促進低階知識目標和中階應用能力目標的達成。

6 結 語

OBE教學理念在課程層面的落實，是體現(xiàn)以學生為中心和成果為導向的教育價值轉型和模式轉型的關鍵一環(huán)［14］。“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”教學團隊基于OBE教學理念重新對課程進行整體設計，依據(jù)其所支撐的畢業(yè)要求觀測點設計課程目標，圍繞課程目標達成整合教學內容和教學資源、設計教學方法、組織教學活動。為加強學生針對具體制藥問題設計實驗方案、處理實驗數(shù)據(jù)的能力培養(yǎng)，引入“工藝優(yōu)化驅動教學”的項目式教學法。與“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等教學環(huán)節(jié)實現(xiàn)跨課程聯(lián)動，由“專業(yè)課程實驗”“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等環(huán)節(jié)提供實驗設計和數(shù)據(jù)處理的任務需求以及相關實驗數(shù)據(jù)，“實驗設計與數(shù)據(jù)處理”課程的課下分組實踐完成“專業(yè)綜合實驗”“科研實踐”等環(huán)節(jié)的實驗方案設計與實驗數(shù)據(jù)處理。通過課上“工藝優(yōu)化驅動教學”、課下“跨課程教學聯(lián)動”進行的針對具體對象的“實驗方案設計和數(shù)據(jù)處理”實踐訓練，學生對文獻查閱、單因素實驗、雙因素實驗、工藝優(yōu)化實驗設計方法及實驗數(shù)據(jù)處理過程和結果表達等有了系統(tǒng)全面的訓練，這對學生畢業(yè)論文的順利開展以及未來的研究工作都有極大的裨益，也有利于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。