《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》的實(shí)踐教學(xué)改革

王延敏，韓永芹，張如良

(山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐，通過科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)，在較短的時(shí)間范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，對試驗(yàn)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析和處理，可以獲得研究對象的變化規(guī)律，達(dá)到指導(dǎo)科研和生產(chǎn)的目的。《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》就是學(xué)習(xí)如何進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的一門實(shí)用的課程[1]。學(xué)生學(xué)習(xí)并熟練掌握這門課程的內(nèi)容，對之后進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文以及今后的工作無疑都是大有裨益的。我校高分子材料與工程專業(yè)開設(shè)了《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》這門選修課程，它是一門理論和實(shí)踐結(jié)合緊密、實(shí)用性很強(qiáng)的工具課、方法課和試驗(yàn)技能課。

該門課程教學(xué)內(nèi)容主要包括三個(gè)方面：(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分主要是讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法，能做到在有限的試驗(yàn)條件下，用最少的試驗(yàn)量獲得盡可能多的信息；(2)數(shù)據(jù)處理部分主要是讓學(xué)生學(xué)會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果采用合理、有效的分析方法，從而發(fā)掘出潛在的、有用的信息；(3)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件主要就是 Excel 在數(shù)據(jù)處理過程中的應(yīng)用、正交設(shè)計(jì)助手的使用和SPSS的應(yīng)用等。如何讓學(xué)生在較少的課時(shí)量內(nèi)讓學(xué)生牢固快速掌握多種數(shù)據(jù)分析方法，熟練運(yùn)用各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法去獨(dú)立設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以及借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)？這是丞待解決的關(guān)鍵教學(xué)問題。本人針對此專門對《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》的實(shí)踐教學(xué)方面進(jìn)行了探索性的改革，主要包括構(gòu)建互動(dòng)式教學(xué)平臺、研究型論文學(xué)習(xí)、專業(yè)問題的探究、加強(qiáng)上機(jī)試驗(yàn)操作以及試卷的綜合性題目等。

1 構(gòu)建互動(dòng)式教學(xué)平臺

互動(dòng)式教學(xué)平臺可以通過形象直觀、互動(dòng)演示的全新教學(xué)模式,有助于學(xué)生對試驗(yàn)設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論的理解,并熟練掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)常用方法及計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)計(jì)分析功能的實(shí)際操作使用技能。該教學(xué)平臺包括一個(gè)由 Power Point 制作的 ppt 主文件和若干鏈接子文件。ppt 主文件的各演示頁包括課堂教學(xué)內(nèi)容的文本和圖表；而 鏈 接 子 文 件 包 括 viewletcam 制作的視頻文件。該互動(dòng)式教學(xué)平臺的特色之處在于:(1)通過動(dòng)畫演示,并結(jié)合文本和圖表,使學(xué)生能對試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)中一些抽象的概念和原理有直觀的感受和理解,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。(2)通過視頻演示軟件的使用操作,在播放視頻的同時(shí)向?qū)W生形象直觀地講解各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和不同統(tǒng)計(jì)方法的區(qū)別與使用,避免在教學(xué)中由于教師忙于親自操作演示而疏于講解及強(qiáng)調(diào)實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的誤操作。制作的視頻有暫停的功能,學(xué)生可以在觀看時(shí)隨時(shí)提出問題,與教師交流,很好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)[2]。

2 研究型論文的學(xué)習(xí)

針對高分子材料與工程專業(yè)的學(xué)生，精心挑選并下載中英文學(xué)術(shù)網(wǎng)站上的經(jīng)典期刊文章和優(yōu)秀的本碩論文，結(jié)合課本章節(jié)的具體內(nèi)容，將對應(yīng)的研究型論文講解給學(xué)生，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)地分析每個(gè)步驟所用的方法以及具體的研究思路，使得學(xué)生分析和解決科學(xué)問題時(shí)有初步的認(rèn)識和思路，并且加深對課本知識的理解和運(yùn)用。如在講授“均勻設(shè)計(jì)”這一章時(shí)， 講解均勻設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容之后，可以增加部分研究型論文，如 2015 年第 2 期 《化工進(jìn)展》 論文“均勻設(shè)計(jì)法研究聚四氫呋喃的陽離子開環(huán)聚合制備工藝”、 2008 年第 5 期 《現(xiàn)代涂料與涂裝》 論文 “聚醋酸乙烯酯醇解反應(yīng)影響因素的均勻設(shè)計(jì)研究”等。通過研究型論文的學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生的知識面，將所學(xué)知識和專業(yè)知識形成有機(jī)的結(jié)合。

3 專業(yè)問題的探究

在學(xué)習(xí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之后，給學(xué)生出高分子材料與工程專業(yè)試驗(yàn)問題，讓學(xué)生試著用學(xué)過的方法對進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。單因素優(yōu)選法主要包括均分法、分?jǐn)?shù)法、黃金分割法和均分分批試驗(yàn)法等。學(xué)習(xí)單因素優(yōu)選法這一章的時(shí)候，選取了“通過懸浮聚合法制取分子量在100～150萬范圍的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)”的專業(yè)試驗(yàn)，研究溫度、引發(fā)劑濃度、反應(yīng)時(shí)間對聚合物分子量的影響情況。在給定試驗(yàn)條件最佳點(diǎn)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生采用分組討論的方式分別用這幾種方法針對不同的反應(yīng)條件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。討論式的教學(xué)方式可以讓學(xué)生積極思考，在各抒己見的激烈討論中碰撞出的“火花”會(huì)給學(xué)生帶來更多的靈感，討論之后得出集思廣益的最佳答案，同時(shí)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和用書本知識解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力。

4 加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐操作

4.1 與時(shí)俱進(jìn)引入新穎軟件

除了常用到的Excel軟件，目前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)用到的較新穎的軟件有SPSS、Origin、Mat-lab、Design-expert等。其中，和Excel相比，SPSS操作簡單，通用性強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)和掌握，結(jié)果中圖表清晰，參數(shù)明了齊全，目前是非統(tǒng)計(jì)專業(yè)人員應(yīng)用最多的統(tǒng)計(jì)軟件[3]。在課程教學(xué)中采用其進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析和回歸分析等數(shù)據(jù)處理，能很好完成教學(xué)中的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。另外，“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)助手”是針對正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理開發(fā)的一款軟件，軟件中不僅有大多數(shù)常見的等水平正交表，專業(yè)版還提供了編輯混合表的功能。通過直觀分析結(jié)果可以直接得到因素的主次關(guān)系和最優(yōu)化水平，而通過方差分析可以直接判斷出各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。學(xué)生使用這些軟件可以使很多復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理變得簡便易操作，可以省時(shí)省力的解決問題，掌握利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的方法，對教學(xué)起到了很好的推動(dòng)作用。

4.2 安排可操作性強(qiáng)的上機(jī)實(shí)習(xí)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算量很大，完全依靠手算既浪費(fèi)時(shí)間又容易出錯(cuò)。而現(xiàn)在有多種軟件，它們可以對數(shù)據(jù)作各種分析，并能夠在短時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。本課程涉及到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析、回歸分析等統(tǒng)計(jì)分析以及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，學(xué)生在掌握基本概念和基本理論的基礎(chǔ)上，尚需學(xué)會(huì)使用相關(guān)軟件的應(yīng)用，所以上機(jī)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)顯得尤為重要。安排教學(xué)任務(wù)時(shí)，有針對性地安排可操作性強(qiáng)的上機(jī)實(shí)習(xí)，來專門學(xué)習(xí)和熟練剛學(xué)過的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件操作，不僅能增強(qiáng)知識的掌握程度，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得良好的教學(xué)效果。

原來上機(jī)試驗(yàn)平臺的教學(xué)能力差，學(xué)生上機(jī)試驗(yàn)基本上是按照課本的例題進(jìn)行計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)，缺乏案例試驗(yàn)設(shè)計(jì)的平臺，對實(shí)踐能力、解決問題的能力及創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)缺乏行之有效的方法。通過加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐操作培養(yǎng)學(xué)生的解決實(shí)際問題的能力。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)以最新文獻(xiàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)有一定挑戰(zhàn)性的上機(jī)實(shí)踐作業(yè)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生完成，所得分?jǐn)?shù)以一定比例計(jì)入總成績，可以督促學(xué)生積極學(xué)習(xí)軟件操作。

5 試卷的綜合性題目

期末考試試卷以綜合性題目為主。試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分的考察以“通過環(huán)加成反應(yīng)合成聚丙二醇二縮水甘油醚型環(huán)狀碳酸酯( 5CC-PPGDGE)”為主題，考慮催化劑 D296 用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力以及催化劑的活化時(shí)間等5個(gè)因素對 PPGDGE 轉(zhuǎn)化率的影響，在給定各因素試驗(yàn)范圍的情況下，讓學(xué)生分別用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、均勻設(shè)計(jì)法和回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并明確試驗(yàn)方案。通過解答這個(gè)綜合性題目，學(xué)生應(yīng)該能掌握對同一個(gè)試驗(yàn)用不同的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開闊思路的同時(shí)為下一步的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理部分重點(diǎn)考察了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多指標(biāo)直觀分析和一次回歸分析，分別選取了“提取金銀花藥材中的綠原酸和木犀草苷的轉(zhuǎn)化率”和“建立溶聚丁苯橡膠( SSBR) 基復(fù)合材料的阿克隆磨耗量與100% 定伸應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系”兩個(gè)主題綜合性題目，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，讓他們更好地掌握兩種數(shù)據(jù)處理方法的規(guī)范步驟。

綜上所述，通過實(shí)踐教學(xué)改革《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》這門實(shí)用性較強(qiáng)的課程，讓學(xué)生增加了學(xué)習(xí)的興趣和積極性，更迅速掌握常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的方法去解決專業(yè)問題，了解和熟練運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件更高效科學(xué)地進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，從而為今后的科研或工作提供了實(shí)用的方法和開闊的思維空間。