“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

[摘 要] 深化研究生課程教學(xué)改革、提升課程教學(xué)質(zhì)量是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。結(jié)合可持續(xù)建筑環(huán)境研究生的“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)，分析了課程教學(xué)內(nèi)容改革、優(yōu)化教學(xué)方法、教材建設(shè)與師資隊(duì)伍建設(shè)等存在的問題。探討了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)、課程教學(xué)改革的思路與途徑。

[關(guān)鍵詞] 課程建設(shè);研究生;培養(yǎng)質(zhì)量;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2017年度重慶大學(xué)重點(diǎn)課程項(xiàng)目（201704031）;重慶大學(xué)優(yōu)質(zhì)課程項(xiàng)目（02010011044119/111）

[作者簡(jiǎn)介] 翁廟成（1981—），男，湖北蘄春人，工學(xué)博士，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，主要從事建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)理論? ? ? 與教學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）34-0195-03 ? ?[收稿日期] 2019-11-17

一、引言

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是一種科學(xué)合理地安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的通用方法，是自然科學(xué)方法論領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支學(xué)科，也是科研工作者必備的基本技能。課程“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”則是一門以數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論以及專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性、應(yīng)用型課程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理涵蓋領(lǐng)域廣寬、內(nèi)容龐大而復(fù)雜，且具有鮮明的專業(yè)特色[1]。

教育部關(guān)于改進(jìn)和加強(qiáng)研究生課程建設(shè)的意見提出了加強(qiáng)研究生課程建設(shè)[2]。優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)是推進(jìn)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃的重要內(nèi)容[3，4]。如何結(jié)合專業(yè)和學(xué)科特點(diǎn)，系統(tǒng)地研究“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，改革研究生課程教學(xué)體系顯得尤為重要。在教學(xué)中根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)與專業(yè)特色，選擇適當(dāng)教學(xué)方法、教學(xué)模式和授課內(nèi)容，從而推動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，滿足國(guó)家和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

課程組針對(duì)建筑環(huán)境類學(xué)科研究生培養(yǎng)目標(biāo)，提出“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)內(nèi)容;優(yōu)化教學(xué)方法，提高應(yīng)用性、實(shí)踐性教學(xué)在課程教學(xué)中的分量;強(qiáng)化國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析專業(yè)軟件的應(yīng)用，培養(yǎng)研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的能力，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣，提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力與從事科學(xué)研究的素質(zhì)。

二、課程定位和教學(xué)目標(biāo)

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)用性很強(qiáng)的工具課、方法課。課程主要介紹工程技術(shù)和科學(xué)研究中試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的方法。實(shí)驗(yàn)誤差部分要求學(xué)生熟悉誤差概念，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可疑數(shù)據(jù)的取舍方法及常用的數(shù)據(jù)處理方法;析因?qū)嶒?yàn)部分要求學(xué)生掌握判斷因素是否顯著的方法;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、建立實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的一般方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸與相關(guān)分析部分要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理的方法;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分要求學(xué)生在多因素、多水平試驗(yàn)時(shí)熟練使用正交試驗(yàn)法解決問題。

要求學(xué)生達(dá)到的知識(shí)目標(biāo)是掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理和基本方法。能力目標(biāo)是熟練掌握數(shù)理統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交設(shè)計(jì)）以及數(shù)據(jù)分析（方差分析、回歸分析等）等內(nèi)容，具備實(shí)際動(dòng)手操作和利用計(jì)算機(jī)撰寫課程論文的手段，達(dá)到能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本要求，并具備獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的基本素質(zhì)和能力。

課程目標(biāo)旨在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和組織實(shí)驗(yàn)方案的初步能力，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的基本能力。課程教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞科學(xué)研究工作中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理、方法，不斷擴(kuò)展深化教學(xué)內(nèi)容。通過課程的學(xué)習(xí)，將加深研究生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的基本理論的理解，充分認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法在科學(xué)研究中起的重要作用，為在課題研究的科研實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文及今后工作中開展科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。使從事科研工作的研究生具有一定的科學(xué)研究素養(yǎng)。

三、課程教學(xué)內(nèi)容改革

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程擔(dān)負(fù)著傳授知識(shí)和發(fā)展能力的任務(wù)，不僅是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門工具課程，因而課程教學(xué)內(nèi)容的改革是非常重要的。課程組在教學(xué)中，加強(qiáng)課程內(nèi)涵建設(shè)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)將科研和教學(xué)成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，提高課程建設(shè)水平。課程教學(xué)內(nèi)容的改革，主要有以下幾個(gè)方面。

（一）突出應(yīng)用性和實(shí)用性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理為基礎(chǔ)，其原理涉及高等數(shù)學(xué)、概率論和線性代數(shù)等，部分內(nèi)容在基礎(chǔ)課程中已經(jīng)講述。因而，教學(xué)內(nèi)容則注重各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)處理方法的具體應(yīng)用上，而理論的推導(dǎo)過程則作為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容組織和知識(shí)側(cè)重點(diǎn)的處理上，結(jié)合建筑環(huán)境專業(yè)特色、適應(yīng)行業(yè)需要為主導(dǎo)。課程教學(xué)內(nèi)容中引入建筑環(huán)境實(shí)驗(yàn)中常用物理量測(cè)試方法，如溫度、濕度、風(fēng)速等物理量的測(cè)試。教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”在專業(yè)中的應(yīng)用，從建筑環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中遇到的問題引入誤差等基本概念，注重內(nèi)容的系統(tǒng)性、理論性和實(shí)用性。

（二）合理組織教學(xué)內(nèi)容

課程涉及兩個(gè)部分內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。對(duì)于建筑環(huán)境類的研究生來講，其主要的科研工作包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、收集和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要用到的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有T檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)等方差分析，以及一元線形回歸和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。

數(shù)據(jù)處理部分主要講述誤差分析、方差分析以及回歸分析;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)講述正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

組織調(diào)整優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，力求深入淺出，側(cè)重應(yīng)用。如在講述誤差分析方法中的T檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)時(shí)，側(cè)重這些方法的對(duì)比與聯(lián)系。在教學(xué)中，多選用期刊論文中與建筑能源環(huán)境專業(yè)的實(shí)例來說明數(shù)據(jù)分析方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析方法多樣，在課程教學(xué)中，除了介紹基本內(nèi)容，需要引入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理發(fā)展的前沿知識(shí)。結(jié)合課題研究中新的問題，說明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的新方法。如對(duì)于解決多目標(biāo)問題建模時(shí)，引入主成分分析方法;如在回歸分析方法求解優(yōu)化解時(shí)，引入遺傳算法的理論;實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行建模分析時(shí)，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法等。不局限于課程基本內(nèi)容，把握可持續(xù)建筑環(huán)境、建筑節(jié)能與熱環(huán)境領(lǐng)域的前沿知識(shí);同時(shí)，增加如“基于遺傳算法的建筑節(jié)能多目標(biāo)優(yōu)化”建筑節(jié)能與建筑熱環(huán)境領(lǐng)域研究論文的講解，擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

（三）加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)

在課程內(nèi)容講解過程中，引入了實(shí)踐環(huán)節(jié)。現(xiàn)在有多種軟件，如Excel，SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，可以對(duì)數(shù)據(jù)做各種分析，并可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在課程教學(xué)中，配合理論課程內(nèi)容，引入計(jì)算軟件在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，如引入Excel中線性回歸分析的介紹。要求學(xué)生至少學(xué)會(huì)一種軟件的使用方法，學(xué)會(huì)分析結(jié)果。

讓學(xué)生參與科研項(xiàng)目中，如以建筑能耗為例，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。建筑能耗的主要影響因素有：圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、建筑體形系數(shù)、建筑朝向、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能等。每個(gè)影響因素有四個(gè)水平，試用正交實(shí)驗(yàn)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。通過與專業(yè)精密相連的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，加深對(duì)正交設(shè)計(jì)的理解，并能靈活應(yīng)用到實(shí)踐中。

四、優(yōu)化教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

（一）注重教學(xué)方法

課程“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”理論性強(qiáng)，公式多，例子中表格復(fù)雜，用板書表達(dá)速度慢，課程教學(xué)采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教法相結(jié)合，采用多種教學(xué)方法，除傳統(tǒng)的授課方式，逐步引入課堂專題討論或小組匯報(bào)等新的教學(xué)方式。

通過課堂教學(xué)實(shí)例化具有理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)，可以對(duì)建筑環(huán)境中的典型案例作重點(diǎn)剖析，從而加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，并能讓學(xué)生學(xué)會(huì)用理論知識(shí)去分析、判斷和解決問題。

（二）注重思維與訓(xùn)練

“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)大綱中涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，完全依賴課堂講授知識(shí)點(diǎn)不現(xiàn)實(shí)也沒有必要。將教學(xué)大綱中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行提煉、優(yōu)化并重新組織，以案例形式歸納總結(jié)，注重學(xué)生思維能力與實(shí)踐能力的培訓(xùn)。

目前課程已有的教學(xué)案例有：實(shí)驗(yàn)影響因素案例、方差與標(biāo)準(zhǔn)差案例、t檢驗(yàn)案例、方差分析案例、正交實(shí)驗(yàn)案例等。理論—案例并行的課程內(nèi)容，緊密圍繞建筑環(huán)境與能源應(yīng)用科學(xué)研究中遇到的實(shí)際問題，豐富教學(xué)內(nèi)容：高度重視學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，拓寬學(xué)生視野。

（三）注重互動(dòng)與反饋

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程涉及概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的知識(shí)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為復(fù)雜。課程教學(xué)中注意增加設(shè)計(jì)一些師生互動(dòng)、同學(xué)互動(dòng)的環(huán)節(jié)，可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。教師在授課前布置相關(guān)知識(shí)點(diǎn)并推薦專業(yè)相關(guān)的文獻(xiàn)，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，在課程教學(xué)中帶著問題學(xué)習(xí)。

注重教學(xué)內(nèi)容的課堂組織，探討交互式的教學(xué)模式。在課程教學(xué)中，引入專業(yè)相關(guān)的文獻(xiàn)，以方差分析、正交實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，增加科研論文的講解。探討教學(xué)內(nèi)容的交互即理論與實(shí)踐問題的交互、師生的互動(dòng)（學(xué)生參與方式、師生互動(dòng)方式）、學(xué)習(xí)場(chǎng)所的交互（課堂內(nèi)、外的交互）以及教學(xué)過程的交互（教學(xué)的推進(jìn)過程與教學(xué)回顧）。

通過建立課程QQ、微信群、網(wǎng)站討論論壇等多種信息溝通平臺(tái)，做到教師與學(xué)生的有效互動(dòng)，深入交流。教學(xué)中資料上傳、課程討論、與學(xué)生互動(dòng)等教學(xué)活動(dòng)，利用QQ群完成。

（四）注重課程資源建設(shè)

課程教學(xué)資源與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)跟進(jìn)可持續(xù)建筑環(huán)境與建筑節(jié)能領(lǐng)域研究中最新研究方法。PowerPoint制作了課程教學(xué)課件，并進(jìn)行了優(yōu)質(zhì)課程網(wǎng)站建設(shè)。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

通過對(duì)課程教學(xué)資源的不斷完善和更新，增強(qiáng)了研究生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和探索性，使學(xué)生更容易掌握課程重點(diǎn)、難點(diǎn)，提高教學(xué)效果。

五、教材建設(shè)與師資隊(duì)伍建設(shè)

本課程教材采用田勝元編著的“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”，該書出版年代較早，知識(shí)更新不足。課程組在原教材基礎(chǔ)上，進(jìn)行課程內(nèi)容重組，編寫了新的課程講義，有機(jī)融入學(xué)科前沿，體現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代課程教材的內(nèi)涵。講義重點(diǎn)介紹了常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法在建筑環(huán)境科學(xué)研究和生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，列舉典型實(shí)例，重點(diǎn)介紹了誤差分析、多因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——正交設(shè)計(jì)、回歸分析方法等。在經(jīng)過修改完善以后，擬出版體現(xiàn)可持續(xù)建筑環(huán)境與建筑節(jié)能研究前沿性和先進(jìn)性、適合現(xiàn)代建筑環(huán)境專業(yè)研究生課程教學(xué)的教材。

在課程負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，吸引科研能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神和受學(xué)生歡迎的青年教師加入，建設(shè)一支老中青結(jié)合的隊(duì)伍。課程組教師均具有博士學(xué)位，且有海外經(jīng)歷。教學(xué)團(tuán)隊(duì)定期組織教學(xué)活動(dòng)，探討教學(xué)內(nèi)容、切磋教學(xué)方法，積極參與教改項(xiàng)目和國(guó)內(nèi)外教學(xué)研討會(huì)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法。通過課程教師出國(guó)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流，聘請(qǐng)海外專家講學(xué)，不斷整合教師資源，使課程教學(xué)始終保持良好的知識(shí)前沿性。經(jīng)過建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)是一支能用雙語教學(xué)，把握專業(yè)領(lǐng)域前沿的、理論與實(shí)踐相結(jié)合的高質(zhì)量的教學(xué)隊(duì)伍。

六、完善考核制度

由于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程自身的特點(diǎn)，在考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定方式上與本科課程及研究生其他理論課程存在很大的不同。該課程設(shè)置閉卷或開卷考試與課程論文相結(jié)合的考核方式。成績(jī)構(gòu)成由平時(shí)成績(jī)和期末考試與課程論文組成，平時(shí)成績(jī)可由課堂提問、課堂分析和討論等組成，約占總成績(jī)30%。期末除了理論考試外，要求每位同學(xué)根據(jù)自身課題的特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析的方法，以課程論文的形式進(jìn)行提交。通過增加考核環(huán)節(jié)，可綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，帶動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

七、存在問題及改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)用性很強(qiáng)的課程，通過教學(xué)改革，重視實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神與創(chuàng)新能力，探討研究生培養(yǎng)質(zhì)量的提升與過程控制，從而推進(jìn)了精品課程的建設(shè)。

在目前的教學(xué)改革中，通過思考與嘗試，學(xué)生對(duì)課程的重視程度和學(xué)習(xí)興趣得到了提升，還存在如下問題需要進(jìn)一步探索。

1.課程內(nèi)容較多，學(xué)時(shí)少;如何解決這一矛盾，提高教學(xué)效率。

2.課程內(nèi)容理論抽象、含有較多的抽象概念、公式，如何應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)手段和方法提升教學(xué)效果。

3.如何將現(xiàn)代信息化技術(shù)融入課堂教學(xué)中，使課程教學(xué)能更好地提升研究生綜合素質(zhì)與能力。

參考文獻(xiàn)

[1]田勝元，蕭曰嶸.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988.

[2]教育部關(guān)于改進(jìn)和加強(qiáng)研究生課程建設(shè)的意見[R].中華人民共和國(guó)教育部，2014-12-05.

[3]李玉蘭，呂俊杰.研究生優(yōu)質(zhì)課程立項(xiàng)建設(shè)的思考[J].高等建筑教育，2012，21（01）：37-40.

[4]廖寅飛.新工科背景下《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》研究生課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J]，教育教學(xué)論壇，2019（32）：118-120.