實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)改革探討

盧素紅 范崢 黃風(fēng)林 唐璇 牛夢龍

[摘 要]本文針對實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的現(xiàn)狀與存在問題進行了分析，從教學(xué)實施過程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思想、教學(xué)方法、實踐性環(huán)節(jié)及考核方式等方面進行了教學(xué)探討。

[關(guān)鍵詞]實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理；教學(xué)方法；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）07-0042-03

實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是關(guān)于實驗設(shè)計以及實驗數(shù)據(jù)處理的課程。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生合理設(shè)計實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析和處理的技能，最終達到提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力（如確定最優(yōu)工藝條件或配方，對產(chǎn)品性能進行優(yōu)化，對產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量做出評價等）的目的。本課程具有理論性強、涉及面廣、實踐性要求高等特點，它以概率理論、數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，不僅要求培養(yǎng)學(xué)生的理論思維方式，更注重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識與解決工業(yè)實際問題的能力，是一門理論性與應(yīng)用性并重的課程[1][2][3]。教師如何講好實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程，使學(xué)生更好地掌握理論知識，并應(yīng)用到實踐中，是本課程需要關(guān)注的問題。

本校的化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、環(huán)境工程等專業(yè)都開設(shè)了實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程，學(xué)生們利用本課程所學(xué)的知識點很好的解決了專業(yè)實驗和畢業(yè)論文中遇到的問題，取得了良好的教學(xué)效果。筆者結(jié)合本校實際教學(xué)情況，在教學(xué)過程中不斷對教學(xué)大綱和教學(xué)方法進行改進和完善，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改革教學(xué)方法，以“學(xué)生”為核心，引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程理論知識，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生最終能夠靈活運用所學(xué)理論知識解決實際問題。通過教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，做好本校實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)工作，以培養(yǎng)能解決實際問題的應(yīng)用型人才。

一、合理組織教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化內(nèi)容體系

實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程只有24學(xué)時。本課程涉及的計算公式較多，課程比較抽象，需要用微積分、統(tǒng)計學(xué)等數(shù)學(xué)知識來計算，計算過程比較復(fù)雜，在如此有限的時間內(nèi)，要教好這門課程非常困難。為了降低學(xué)習(xí)難度，突出學(xué)習(xí)內(nèi)容的實用性，需要對教學(xué)內(nèi)容進行精心設(shè)置。

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要分為兩大部分，一是實驗設(shè)計，二是數(shù)據(jù)處理。其中實驗設(shè)計方法主要包括優(yōu)選法、正交實驗設(shè)計、均勻設(shè)計、配方設(shè)計等；數(shù)據(jù)處理方法主要包括誤差分析、表圖表示方法、方差分析、回歸分析等。在課程的結(jié)構(gòu)層次上，使學(xué)生全面把握本課程的知識體系，區(qū)分各種實驗設(shè)計方法和數(shù)據(jù)處理方法之間的區(qū)別和聯(lián)系，理解本課程的基本理論知識，能夠靈活應(yīng)用基本理論解決實際問題，在應(yīng)用中加深對理論知識的理解，做到理論知識與應(yīng)用相互貫通，使學(xué)生在學(xué)習(xí)公式時不覺得枯燥，在應(yīng)用時又有理論指導(dǎo)。如：正交實驗設(shè)計和均勻設(shè)計是非常相似的實驗設(shè)計，都需要借助經(jīng)驗表來安排實驗，不同之處是均勻設(shè)計不考慮試驗點的“整齊可比”，只考慮“均勻分散”，并需要引出相關(guān)的例子進行講解。

我?；瘜W(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程和環(huán)境工程專業(yè)使用的教材是化學(xué)工業(yè)出版社李云雁主編的《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》[4]，該書涵蓋了我們要選擇的內(nèi)容，難度適宜，實用性強，每一章內(nèi)容都用一定的篇幅介紹常用的數(shù)據(jù)處理工具Excel的應(yīng)用。教材滿足了各知識點的介紹，并且引入了計算機最新數(shù)據(jù)處理軟件，在數(shù)據(jù)分析時提高了工作效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生快速解決實際問題的能力。如對單因素試驗進行方差分析時，需要計算出平均值、離差平方和、自由度、均方、F值，然后查F分布表，進行比較，得出結(jié)論，如果采用計算器計算，由于傳遞性誤差導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度較低，并且計算量大。而采用Excel中分析工具庫的“方差分析：單因素分析”，只需輸入數(shù)據(jù)，選擇所需要的選項，即可立刻得到方差分析表，誤差小并且計算速度快。在學(xué)習(xí)實驗設(shè)計方法中，掌握各個方法的使用范圍，更能快速的采用合適方法來安排實驗方案，確定最優(yōu)方案。如，優(yōu)選法適用于實驗指標(biāo)與因素間無法用數(shù)學(xué)形式表達或者表達式很復(fù)雜；正交實驗設(shè)計適用于多因素的實驗，因素的水平數(shù)較少時；均勻設(shè)計適用于實驗因素變化范圍較大，需要取較多水平時；配方實驗設(shè)計適用于因素是配比（百分比、百分率等）時，因素一般是不獨立的。

在數(shù)據(jù)處理過程中，涉及大量的數(shù)學(xué)理論公式和原理推導(dǎo)等，學(xué)生很難在有限的課時中深刻掌握其全部內(nèi)容，更難以應(yīng)用本課程的理論知識來解決實際問題。因此，每個知識點沒必要都做到詳細講解，而是重點講解數(shù)據(jù)處理和實驗設(shè)計方法，并結(jié)合本專業(yè)相近的典型例子進行講解，強調(diào)數(shù)據(jù)處理方法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深他們對數(shù)學(xué)處理方法的理解。如：利用正交實驗設(shè)計原理對超濾處理高濁度原水系統(tǒng)運行的四個操作參數(shù)（濃縮口壓力、進水口壓力、運行時間、原水濁度）進行實驗研究，找到較優(yōu)的操作條件。

二、調(diào)整教學(xué)思想，改變教學(xué)手段

教學(xué)的目的是學(xué)以致用，如果脫離了在實踐中的應(yīng)用，也就背離了教學(xué)的最終目的。實踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為原理公式太多，用處不大，課本上的習(xí)題雖然能夠解答，但是應(yīng)用原理知識靈活解決實際問題方面仍不知所措，主要原因是教材的理論知識與實際應(yīng)用脫節(jié)。為了將學(xué)科的前沿知識和最新的科研成果融入課堂教學(xué)中，教師應(yīng)該在圖書館或網(wǎng)上廣泛搜集相關(guān)資料，以文獻的形式穿插到教學(xué)體系。實例可選自各類教材、網(wǎng)絡(luò)資源、期刊論文、學(xué)生實驗及論文等。以經(jīng)典的方差分析、回歸分析、正交實驗設(shè)計、均勻設(shè)計為基礎(chǔ)，逐漸增加一些相關(guān)科研論文的講解。例如，2017年第4期《安陽工學(xué)院學(xué)報》刊出的“方差分析在汽車主觀評價中的應(yīng)用”、2016年第9期《廣西植物》刊出的“油棕鮮果穗產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性和回歸分析”、2017年第5期《中國現(xiàn)代中藥》刊出的“正交試驗設(shè)計篩選黃連總生物堿的提取純化工藝研究”、2017年第17期《食品研究與開發(fā)》刊出的“均勻設(shè)計法優(yōu)化超臨界CO2萃取丁香精油工藝研究”。

在講授基本概念時，可采用啟發(fā)式教學(xué)。先提出解決問題的客觀需要，再進行講解概念的準(zhǔn)確定義，并引入相關(guān)實例或例題加以講解。通過老師的有效引導(dǎo)，促進師生互動討論，激發(fā)學(xué)生主動思考和探索方法的興趣，進而積極參與學(xué)習(xí)。通過教師一步一步的暗示和提示，學(xué)生慢慢領(lǐng)悟其中的原理。每次講完一個知識點，教師通過提出探索性的問題引導(dǎo)學(xué)生積極思考，尋求解決問題的方法。啟發(fā)式教學(xué)方法，可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過例子可以使學(xué)生更加深刻的理解和掌握理論知識。比如，在學(xué)習(xí)回歸正交實驗設(shè)計時，向?qū)W生提出“如果要在某因素的實驗范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膶嶒烖c，該如何確定最優(yōu)方案”這樣的問題，引出回歸正交實驗設(shè)計。前面學(xué)習(xí)的正交設(shè)計的最優(yōu)方案不是一定實驗范圍內(nèi)的最優(yōu)方案，只是限制在已定的水平上，具有局限性?；貧w正交實驗設(shè)計可以在因素的實驗范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膶嶒烖c，用較少的實驗點建立回歸方程，更好的解決實驗優(yōu)化問題。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中明確指出：教育現(xiàn)代化，具體包括教育觀念現(xiàn)代化、教育內(nèi)容現(xiàn)代化、教育裝備現(xiàn)代化、師資隊伍現(xiàn)代化等。因此，在授課過程中，改變教學(xué)方法非常重要。制作的課件一定要易于理解，并注意知識點的輸出與學(xué)生掌握能力的匹配，切忌內(nèi)容太多，放映速度過快，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)接不暇，思路難以跟上。公式推導(dǎo)應(yīng)以板書為主，結(jié)合多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，注重學(xué)生學(xué)習(xí)知識的慣性，追求深入淺出。整個教學(xué)過程中應(yīng)始終以學(xué)生為本，時刻要考慮學(xué)生的接受能力。板書和多媒體要靈活運用，相互促進，最終達到學(xué)生對知識的深刻理解和掌握[5]。

三、改進教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，如果在整個教學(xué)過程中，老師只注重教，不注意調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，學(xué)生將會覺得整個課程枯燥無味，進而失去了學(xué)習(xí)的快樂感，很難取得理想的教學(xué)效果。因此，應(yīng)該時刻記住在整個教學(xué)過程中從學(xué)生的角度出發(fā)來改進教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，設(shè)計和安排教學(xué)方法。

為達到更好的教學(xué)效果，應(yīng)每節(jié)課利用十幾分鐘現(xiàn)堂布置一道練習(xí)題，并將結(jié)果計入考核成績，在下次課時對上次布置的練習(xí)題做講解。課堂練習(xí)的布置要具有針對性，能夠反映本次課所學(xué)的重點內(nèi)容。另外，習(xí)題的布置要能更好的幫助學(xué)生對課后習(xí)題進行解答，通過習(xí)題的練習(xí)更有利于學(xué)生對所學(xué)知識的掌握。同時，習(xí)題課可讓學(xué)生自由上臺發(fā)表意見，總結(jié)概括習(xí)題所反映的知識點，以發(fā)揮學(xué)生的積極性，調(diào)動學(xué)習(xí)主動性，活躍課堂氣氛。學(xué)生之間充分討論后，可由教師進行總結(jié)歸納，指出所用到的知識點，強調(diào)可能出錯的地方及原因，講解解題的關(guān)鍵，以此使學(xué)生對理論知識深入理解和熟悉掌握。例如，在學(xué)習(xí)“實驗數(shù)據(jù)誤差的統(tǒng)計檢驗”這一節(jié)內(nèi)容時，隨機誤差和系統(tǒng)誤差的檢驗方法容易混淆，可提醒學(xué)生只要掌握引起隨機誤差和系統(tǒng)誤差的原因以及各個方法適用的條件就可以牢固掌握其檢驗方法。

將課程的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)應(yīng)用到本課程教學(xué)中，將其建成在線開放課程資源，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)優(yōu)質(zhì)課程資源實施翻轉(zhuǎn)課堂、線上學(xué)習(xí)與線下課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，實現(xiàn)以學(xué)為主、課堂教學(xué)與課外教學(xué)相結(jié)合、結(jié)果評價與過程評價相結(jié)合。由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時間和空間的限制，有利于培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力。同時，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度提出問題，教師對學(xué)生提出的問題進行即時指導(dǎo)。

另外，可以嘗試在教學(xué)過程中實施以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主題的教學(xué)模式。教師根據(jù)課本各個知識點列出專題內(nèi)容，讓學(xué)生利用各種資源（圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源），查找相關(guān)的文獻資料，并進行綜合、歸納，最后完成撰寫專題論文。老師在整個過程中引導(dǎo)學(xué)生快速查找相關(guān)文獻資料，學(xué)習(xí)對文獻資料進行篩選、分析和整理，精準(zhǔn)獲取相關(guān)知識，進而可以調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的特長和潛能。學(xué)生用PPT講解收集到的專題，并進行討論。角色的轉(zhuǎn)變可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和加深對知識點的理解，也鍛煉了學(xué)生撰寫專業(yè)論文的水平和語言表達能力，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

四、加強實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)能力

教學(xué)與科研是相互促進的，將科研與實驗合理結(jié)合，對本課程教學(xué)質(zhì)量的提高有很大好處。在教學(xué)過程中，教師可以從自己的科研中選取一部分內(nèi)容比較新、與實際聯(lián)系較緊密的成熟課題，讓學(xué)生利用本課程所學(xué)的理論知識來設(shè)計實驗和對試驗結(jié)果進行處理，利用這種方法可以在一定程度上提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而開闊視野，取得較好的學(xué)習(xí)效果。另一方面，鼓勵一些學(xué)習(xí)優(yōu)秀的學(xué)生參與到教師的科研工作中，利用本課程的實驗設(shè)計方法和數(shù)據(jù)處理方法進行一些科學(xué)研究[6]。這種教學(xué)模式可以引導(dǎo)學(xué)生靈活地運用理論知識去發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識，培養(yǎng)能力和鍛煉思維。如，甲醛是室內(nèi)重要的污染物之一，主要來自家具和裝修材料，它是一種具有較高毒性的物種，長期接觸低劑量的甲醛可引起呼吸道疾病、細胞核的基因突變、白血病等疾病，因此，選用催化劑來催化氧化甲醛，將其分解成CO2和H2O[7][8]，影響甲醛轉(zhuǎn)化率的因素主要有反應(yīng)溫度、催化劑種類兩個因素，每個因素的水平數(shù)為4，試用正交設(shè)計表來設(shè)計實驗方案。這是一個典型的正交實驗設(shè)計，并且與我們的日常生活緊密相連，這樣可讓同學(xué)們感受到學(xué)以致用的快感，從而加深對正交實驗設(shè)計的理解，并靈活運用到實際中。

五、考核方式的改革

反饋教與學(xué)的有效途徑是考試，選擇合適的考試方式和方法將直接影響對教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果進行評價。完善的考核制度，不僅可以激勵學(xué)生好好學(xué)習(xí)，還可以考察學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，從而對教學(xué)成果做出客觀的評價。傳統(tǒng)的實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的考核方式是閉卷考試，考題的內(nèi)容涉及學(xué)生所學(xué)的理論和公式，考試的目的是了解學(xué)生對理論知識的理解和掌握情況，以及熟練運用程度。這就造成了學(xué)生為了考試而死記原理和公式，考試之后對各個知識點反而不會靈活的運用到平時的實驗中。如，方差分析中求離差平方和的公式，這些公式已直接編碼到程序中，因此，在考試過程中可以作為已知條件出現(xiàn)，考試內(nèi)容應(yīng)該著重體現(xiàn)學(xué)生解決問題的方法和思路，考查學(xué)生的應(yīng)用能力。另外，可以讓學(xué)生結(jié)合自己本專業(yè)所開設(shè)的實驗課，運用本課程所學(xué)習(xí)的知識點來進行實驗方案的設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，該部分以課程論文的形式提交，同時占一定的考核分?jǐn)?shù)。平時成績由課堂提問、課堂分析和討論等組成?？荚嚦煽冇稍嚲?、平時成績和課程論文組成，通過這些考核內(nèi)容來考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

六、結(jié)論

實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程是一門實用性非常強的學(xué)科，同時也是一門與時俱進的學(xué)科。通過以上的教學(xué)改革和實踐，可以有效地解決現(xiàn)階段我校實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理教學(xué)過程常遇到的問題，使教師在縮短的課時里，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極主動性，靈活掌握本課程的學(xué)習(xí)方法，深刻理解本課程的理論知識，并較好的解決專業(yè)實驗和畢業(yè)設(shè)計中遇到的問題，進而利于解決在今后工作中所遇到的問題，為培養(yǎng)實用型創(chuàng)新人才打下了很好的基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻 ]

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[2] 任永勝，段瀟瀟.大化工類研究生實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)實踐與探索[J].廣東化工，2012（1）：133-136.

[3] 吳學(xué)棟，胡芳.教學(xué)微案例設(shè)計及知識點萃取——以“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”雙語課教學(xué)為例[J].黑龍江紡織，2016（3）：28-30.

[4] 李云雁，胡傳榮.《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》（第三版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[5] 符繼紅.多媒體在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2008（21）：264-267.

[6] 李元，李慶，吳會杰.淺談《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)改革的實踐與探索[J].教育教學(xué)論壇，2015（25）：158-159.

[7] 張長斌，賀泓，王蓮，等.負載型貴金屬催化劑用于室溫催化氧化甲醛和室內(nèi)空氣凈化[J].中國科學(xué)，2009（3）：278-286.

[8] 田華，賀軍輝.氧化錳催化氧化甲醛的研究進展[J].化學(xué)通報，2013（2）：100-106.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]