基于科研驅動為目標的《實驗設計與數據分析》課程教學改革與實踐

丁昌江 宋智青 陳浩 賈蕓

摘要：《實驗設計與數據分析》課程能夠有效指導學生進行科學實驗設計和實驗結果統計分析，具有很強的實用性和實踐性。本文結合教學現狀，提出以科研驅動為目標，從教學內容，教學方案和案例教學等幾方面入手，對《實驗設計與數據分析》研究生課程進行理論與實踐融合、實例設計與分析以及多元實踐等方面的教學改革。經過教學實踐，提高了教學效果。

關鍵詞：實驗設計與數據分析；科研驅動；多元實踐教學

1?概述

《實驗設計與數據分析》是關于實驗設計以及實驗數據處理的課程，旨在培養學生合理設計實驗，并對實驗數據進行科學分析和處理的技能，最終達到提高學生分析問題和解決問題的能力的目的，具有理論性強、涉及面廣、實踐性要求高等特點，它以概率理論、數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎，不僅要求培養學生的理論思維方式，更注重培養學生認識與解決工業實際問題的能力，是一門理論性與應用性并重的課程，對研究生的創新意識和創新能力的培養是至關重要的?，F在許多高校都開設了《實驗設計與數據分析》課程，且各高校都進行了相應的教學改革和實踐，取得了一定的研究成果[1-9]。內蒙古工業大學將《實驗設計與數據分析》課程作為一門專業選修課，面向物理學碩士研究生進行開設。經過多年的教學探索和文獻調研，發現該課程存在一些問題，需要進一步改進。

隨著社會的發展，對人才數量和質量的需求也越來越高?！秾嶒炘O計與數據分析》課程作為培養理工科人才非常重要的一部分，對其教學要求和水平也越來越高。與本科階段的《實驗設計與數據分析》課程教學目的不同，研究生開設該課程更應該注重綜合素質和科研能力的培養，加強實踐動手能力的訓練。因此，進一步深化《實驗設計與數據分析》教學改革，構建現代化的《實驗設計與數據分析》教學體系和教學模式，能夠激發研究生學習興趣，提升學生獨立思考、分析問題和解決問題的綜合能力，培養研究生的創新意識和創新能力，具有非常重要的意義。

2?《實驗設計與數據分析》教學過程中面臨的問題

（1）考取內蒙古工業大學物理學的研究生，本科院校差異非常大。且大多研究生對本科階段學過的《高等數學》、《數理統計》等基礎課程內容掌握不扎實，造成研究生的統計基礎薄弱。當教學過程中涉及到統計理論知識時，不少學生感覺該課程難度較大，學習上感到吃力。

（2）現在教學主要以理論為主，對實踐部分重視不夠，缺少實際案例的講解，使研究生即使學習了《實驗設計與數據分析》課程，仍然不能在實際科學研究中進行應用，理論分析和實際應用嚴重脫節。在科學研究和撰寫論文中仍不能將實驗設計思想與數據分析方法進行熟練應用，使得論文中還存在較多的相關錯誤，這大大降低了物理學研究生的培養質量。

（3）目前該課程仍然“以教師為中心”和“灌輸式”教學方法為主的傳統教學模式，學生被動地接受知識，教學手段單一。這造成課堂教學過于理論化，加上研究生自身的數學和統計基礎相對薄弱，從而使學生高漲的學習熱情在學習過程中逐漸消退，難以體現該課程的實踐性和應用性特點。

針對教學過程中存在的問題，內蒙古工業大學理學院以科研應用為驅動，從教學內容，教學方案和案例教學等幾方面入手，對《實驗設計與數據分析》課程進行理論與實踐融合、實例設計與分析以及多元實踐等多方面的教學改革，取得了一定的教學成果。本文介紹了《實驗設計與數據分析》研究生課程的改革思路，總結了我校開展的教學探索、實踐和取得的效果，為提高教學效果提供一定的線索。

3?《實驗設計與數據分析》課程教學改革

3.1?理論與實踐融合

針對《實驗設計與數據分析》課程教學中存在的問題，對課程教學模式和內容改革，使之更好地為提升教學效果服務。課程內容主要做了以下幾點修改：

（1）將統計原理、公式推導、統計計算等學生難以理解的教學內容進行精簡，重點講解各種實驗設計和數據分析的基本方法和理論，讓學生能夠運用這些知識對實際問題進行簡化和建立數學模型，提高其分析問題和解決問題的能力，加強創新能力培養。

（2）利用四學時講解Endnote，Origin和Excel等幾種常用軟件的部分內容，在講解過程中增加Origin和Excel等軟件在實驗設計與數據分析方面的應用舉例。

（3）在教學過程中，將統計與實踐之間關系的思想灌輸給學生，重點講解正交實驗設計和數據分析，讓學生能夠真正運用統計學解決實際問題。

3.2?實例設計與分析訓練

針對實踐部分重視不夠的問題，以科研項目為導向，將教師團隊在科研過程中的一些實驗設計和數據分析方法作為實際案例介紹給學生。主要做法有：

（1）對教師自身科研過程中采用的科學思想、實驗方法、數據分析和結果討論等方面逐一進行講解。指出隨著科技的進步，人們越來越重視實驗結果的真實性和可靠性，也就要求我們做科研時拿出更科學的實驗設計方案和數據處理方法。重點講解如何利用數據結果來系統地揭示實驗現象和規律，從理論上和數據上探索實驗本質。

（2）最近幾年主講教師指導了三項本科生國家級大學生創新項目，一項內蒙古自治區級大學生創新項目和一項內蒙古自治區級研究生創新項目。在完成這些項目過程中，學生遇到了各種實驗設計和數據分析方面的問題。在《實驗設計與數據分析》教學中，將這些項目作為案例分享給學生，分析他們是如何遇到和解決實驗設計和數據分析問題的方法，并指出本科生能夠做到的，研究生一定也能做到。

（3）將教師在投稿過程中遇到的問題，特別是審稿人對實驗方案和數據分析產生疑問的審稿意見，拿出來作為特殊案例進行重點講解和分析，讓學生知道如何解決和回答審稿人的疑問，并使他們認識到實驗設計與數據處理的重要性。

（4）把前期研究生的成功案例放到教學中，讓研究生親身體會本課程的重要性。

通過這些案例，讓研究生更形象的充分理解統計理論，將理論聯系實際思維方式潛移默化的傳遞給學生，激發學生的學習興趣，提升課堂學習效果。

3.3?多元實踐教學

針對教學手段單一的問題，改變“以教師為中心”和“灌輸式”教學方法，結合多媒體技術，以及現場的軟件實例操作，在課堂上進行研究生講解和討論式多元化實踐教學，轉變成“以學生為中心”的教學模式。主要措施有：

（1）教師課上講解查文獻方法和文獻管理軟件Endnote的用法。讓研究生課后完成一定量的相關作業，查閱一些相關文獻，結合所學內容和自身科研經歷，分析文獻中實驗設計思想和統計分析方法的合理性。

（2）讓一個研究生作為主講，在課堂上對其課下查找的相關文獻進行講解和分析，其他研究生作為聽眾，對所講內容不懂的地方進行提問，讓研究生之間產生互動。讓研究生對所學內容有更系統和深入的理解，提高了主動學習的熱情和科研興趣。

（3）通過課堂師生間的互動學習，達到教學相長，活躍課堂氣氛。

4?結論

經過多年教學改革，取得了一系列較滿意的結果，上過《實驗設計與數據分析》課程的研究生獲得內蒙古自治區研究生創新項目1項，內蒙古自治區直屬高?；究蒲袠I務費項目1項；發表科研論文27篇，其中SCI檢索18篇（一區top2篇），EI檢索2篇；獲得內蒙古工業大學校級優秀畢業論文8篇，內蒙古自治區優秀畢業論文2篇。通過《實驗設計與數據分析》課程教學模式的系統改革，提高了學生們的學習興趣，受到了研究生的好評，為培養高質量復合型人才奠定堅實的基礎。

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基金項目：?內蒙古工業大學研究生教育教學改革項目（?YJG2020028和YJG2021011）；內蒙古自治區研究生教學改革項目（JGCG2022089）；內蒙古自治區教育科學研究“十三五”規劃課題（NGJGH2019095）；內蒙古工業大學教學改革項目（2021239）

作者簡介：?丁昌江（?1978—???）?，男，內蒙古呼倫貝爾人，博士，教授，主要從事《大學物理實驗》、《近代物理實驗》、《實驗設計與數據分析》和《高電壓與放電等離子體應用》等課程的教學工作和電磁場技術與應用、放電等離子體應用方面的科研工作。