機械類專業(yè)“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)模式探討

王媛媛，王建波

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070;

2.湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，武漢 430070)

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》是一門理論和實踐結(jié)合緊密，實用性很強的工具課、方法課。該課在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院、工學(xué)院中開設(shè)，其中在工學(xué)院被列為專業(yè)選修課，32學(xué)時。該學(xué)科現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、材料等諸多領(lǐng)域。

化工、環(huán)境、食品、材料等領(lǐng)域有一個共同特點，即需要通過試驗尋找研究對象的變化規(guī)律。而我們知道，影響試驗指標(biāo)的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素與因素之間還存在交互作用。因此，合理設(shè)計實驗，對實驗所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲得研究對象的變化規(guī)律，達(dá)到研究目的，是每個實驗人員需要解決的問題［1］。該課程教學(xué)的主要目的是使學(xué)生掌握食品科學(xué)及工程設(shè)計中常用的試驗設(shè)計方法，并具備對試驗研究所獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行初步統(tǒng)計分析的能力。

一、課程設(shè)計思路

該課程以工學(xué)院中機械電子工程、農(nóng)業(yè)機械化及其自動化、機械設(shè)計制造及其自動化、自動化等四個專業(yè)的學(xué)生為授課對象，以試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析的能力需求為導(dǎo)向，以試驗設(shè)計、軟件應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析為載體，將課程內(nèi)容分解，在教學(xué)過程中以學(xué)生為主體，實現(xiàn)教、學(xué)、做一體化，主要理念為:

(一)注重課程在整個教學(xué)系統(tǒng)中的連續(xù)性

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》中涉及到很多數(shù)據(jù)統(tǒng)計的學(xué)習(xí)內(nèi)容，隸屬于統(tǒng)計學(xué)。學(xué)生在大學(xué)一年級下學(xué)期學(xué)習(xí)過《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》，已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)，因此本課對統(tǒng)計分析部分不再強調(diào)，僅在《概率論》學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對涉及到的知識點做簡單回顧及系統(tǒng)總結(jié)，使之形成符合本課程教學(xué)要求的數(shù)據(jù)分析理論基礎(chǔ)內(nèi)容。

(二)注重教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的合理性

用不同的試驗設(shè)計方法解決實際工作中所遇到的不同問題。應(yīng)用最廣泛和最具典型性的試驗設(shè)計方法有區(qū)組設(shè)計、正交設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、回歸設(shè)計、均勻設(shè)計等［2］。另外，科學(xué)試驗設(shè)計可分為3個階段:試驗設(shè)計階段、試驗實施階段、試驗分析階段。通常可以遵循7個步驟進(jìn)行:明確試驗?zāi)康?、確定評價指標(biāo)、選擇因素與水平、制定試驗計劃、實施試驗、分析試驗結(jié)果、作出結(jié)論。因此，在本課程的教授過程中，每一種試驗設(shè)計方法都按這3個階段、7個步驟來進(jìn)行，結(jié)合案例分析及Excel的應(yīng)用，形成一個個完整的學(xué)習(xí)單元。

二、課程教學(xué)實施

(一)教學(xué)課時安排

本課程第3、4、6章分別為方差分析、回歸分析和正交試驗設(shè)計，為重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，一般用全部課時的一半來講授。第1、2章涉及到數(shù)據(jù)分析的基本概念，主要引導(dǎo)學(xué)生掌握概念、理解試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的內(nèi)涵、意義，用總課時的四分之一來講授。第7、8章分別為均勻設(shè)計、回歸正交組合設(shè)計，為常用的試驗設(shè)計方法，結(jié)合均勻設(shè)計軟件、Design Expert軟件主要進(jìn)行實際應(yīng)用性方面的講授，用總課時的五分之一來講授。另外有2～4課時的上機實驗課，指導(dǎo)學(xué)生使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(二)教學(xué)方法設(shè)計

1.專業(yè)型教學(xué)

案例分析一定要突出專業(yè)特色。對于工科專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)本課程時要考慮到專業(yè)背景及課程的實際應(yīng)用性。課程內(nèi)容主要包括3個部分:一是試驗設(shè)計部分，主要講授試驗設(shè)計常用的幾種方法;二是數(shù)據(jù)分析部分，包括針對試驗數(shù)據(jù)的誤差分析、針對研究對象不同影響因素的直觀分析和方差分析、針對所建模型規(guī)律性的回歸分析;三是介紹一些數(shù)據(jù)處理軟件。

在實際講授的時候，第一和第二部分內(nèi)容要結(jié)合起來講解。另外，在課本原來案例的基礎(chǔ)上，加入與本專業(yè)密切相關(guān)的案例，如在講解正交試驗設(shè)計時加入高速鋼工藝優(yōu)化案例，要求通過實驗確定最佳熱處理工藝，了解等溫溫度、淬火溫度和等溫時間對沖擊韌性抗彎強度和硬度的影響。講解直觀分析法的時候加入某無機材料對彈性模量的影響試驗，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的同時，加深對《金屬工藝學(xué)》《材料學(xué)》課程內(nèi)容的印象。通過這些具有專業(yè)特色的實例，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的專業(yè)知識加以擴充，在掌握專業(yè)知識和本課程相結(jié)合的途徑方法后，能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用到實踐，并懂得利用試驗設(shè)計進(jìn)行科學(xué)研究的重要性和必要性［3］。

2.先進(jìn)型教學(xué)

對數(shù)據(jù)分析軟件的多樣化進(jìn)行介紹。在講解數(shù)據(jù)處理軟件部分的時候，即講解Excel在數(shù)據(jù)處理過程中的應(yīng)用時，輔助介紹一下SPSS、Origin等軟件的使用。另外，在某些章節(jié)，聯(lián)系到目前運用比較成功、具有專門功能的試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理軟件，如專門針對均勻設(shè)計的“均勻設(shè)計”軟件、聯(lián)系到回歸正交組合設(shè)計的Design-Expert軟件，都給學(xué)生講到，并專門以Box-BehnkenDesign(BBD)為例說明Design-Expert的使用，使學(xué)生對其有大概了解，方便日后使用。

3.案例型教學(xué)

本課程的特點是公式多、計算多且過程復(fù)雜。雖然學(xué)生是在修完《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》的基礎(chǔ)上進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)，但大多數(shù)同學(xué)仍然感到數(shù)理統(tǒng)計很抽象，難以理解。在對聽課學(xué)生調(diào)查時，學(xué)生普遍認(rèn)為本課程難學(xué)，部分同學(xué)認(rèn)為課程很沒意思。因此，學(xué)生易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，體現(xiàn)在課堂上就是課堂紀(jì)律較差，部分學(xué)生注意力不集中，或者直接看課外書、玩手機，作業(yè)完成情況較差。

對此，可采用如下方法:(1)在講解基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上，對公式和定理的分析、推導(dǎo)一帶而過;降低理論深度，著重實際應(yīng)用;對計算過程僅作簡要講解，注重計算結(jié)果的分析和解釋，降低課程難度。(2)可以引入啟發(fā)式教學(xué)，加強師生互動，強調(diào)學(xué)生的主體性，調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性。例如，可多講解一些經(jīng)典案例，比如在正交試驗設(shè)計講解時，告訴學(xué)生正交試驗設(shè)計在日本被譽為“國寶”。之所以如此，是因為在1949年，日本電訊研究所研制了“線性彈簧繼電器”，采用正交試驗設(shè)計方法，對數(shù)十個試驗指標(biāo)、2 000多個變量進(jìn)行研究，制造出先進(jìn)、廉價的產(chǎn)品，帶來幾十億美元的效益。(3)引起學(xué)生對該課程的認(rèn)同感。可以在案例講解時，注意多講一些所選取案例的背景知識，比如講解往屆畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計時采用的試驗設(shè)計方法是什么，遇到什么問題，如何解決，結(jié)果如何等等。因為本課程是為大三學(xué)生開設(shè)的，他們也馬上要面臨畢業(yè)設(shè)計，此類案例的引入使學(xué)生有認(rèn)同感，也會調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.應(yīng)用型教學(xué)

本課程有2～4課時的上機實驗課，主要練習(xí)Excel在數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，是學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。相對理論教學(xué)來講，學(xué)生普遍感到實驗課輕松，興趣很濃厚。在此基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)有興趣的學(xué)生自行下載其他的試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析軟件來嘗試，比較不同軟件在不同的數(shù)據(jù)分析類型中的優(yōu)劣性，從而引起學(xué)生課外學(xué)習(xí)及實踐應(yīng)用的興趣。

另外，目前很多學(xué)生都傾向于本科畢業(yè)后繼續(xù)讀研，可以在課堂上展示與本專業(yè)有關(guān)的、采用科學(xué)的試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析方法發(fā)表的科研論文，一方面使其對專業(yè)研究方向、最新發(fā)展現(xiàn)狀有所了解，另一方面使學(xué)生對本課程的應(yīng)用有具體認(rèn)識，對課程與自身以后的研究方向之間的聯(lián)系有初步認(rèn)識。

(三)課程考核

對于一門課的課程考核，一般有開卷、閉卷、課程論文等幾種形式。程江峰通過實踐證明采用開卷考試效果并不理想，學(xué)生不用記憶統(tǒng)計計算公式，在思想上不夠重視，復(fù)習(xí)時間明顯不足［4］。閉卷考試需要學(xué)生對公式進(jìn)行記憶并進(jìn)行計算，是目前常用的考核方式，但是閉卷考試無法檢驗學(xué)生對應(yīng)用性軟件的掌握程度。因此，可以考慮將上機考試和閉卷考試相結(jié)合，上機考試主要考核學(xué)生對Excel在數(shù)據(jù)分析中的利用，閉卷考試主要考核學(xué)生對基本概念的理解及試驗設(shè)計方面的掌握程度，可按平時成績20%、上機考試20%、閉卷考試60%的比例計算結(jié)業(yè)成績。

另外，提交課程論文是培養(yǎng)創(chuàng)新意識和提高研究能力的有效途徑［5］，可以避免學(xué)生死讀書的情況，使課程的考核與實際應(yīng)用結(jié)合的更為緊密。對于本課程，建議與其他有實習(xí)課程的老師加強聯(lián)系，比如金工實習(xí)、電工實習(xí)等，在安排實習(xí)方案時就進(jìn)行合理的試驗設(shè)計，并對試驗結(jié)果做進(jìn)一步統(tǒng)計分析。這樣，學(xué)生既完成了專業(yè)課的實習(xí)，又獲得寫課程論文的材料，提高了課程之間的橫向聯(lián)系。

［1］ 蔣長興.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程改革探索［J］.2012(3):146－147.

［2］ 葉其培.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在農(nóng)林生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(10):41 －42.

［3］ 陳紅，黃海東.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)改革的探討［J］.農(nóng)機化研究，2004(2):266－267.

［4］ 程江峰.“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)新思路［J］.教書育人，2007(6):49.

［5］ 林秀玲，滕艷華.試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)探索［J］.考試周刊，2011(48):157－158.

(責(zé)任編輯 周江川)