食品試驗設計方法課程教學改革探索

李志華　黃曉瑋　郭志明　石吉勇　鄒小波

摘要 食品試驗設計方法作為食品類專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎必修課程，對學生畢業(yè)、就業(yè)、深造都具有重要作用。但該課程具有概念繁多、理論與實踐并重等特點，教學過程中可能會出現(xiàn)學生參與度不高、課程理論和試驗相分離、先進統(tǒng)計分析工具普及不足等問題。針對這些問題，建議通過隨機問答與隨堂小游戲、將試驗課與理論課融合授課、加強先進統(tǒng)計工具的入門引導等措施來改善授課效果，在教授學生試驗設計知識的同時，傳遞主動探索、開放共享的科學精神。

關鍵詞 試驗設計;教學改革;食品;數據處理

中圖分類號 S-01 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）23-0268-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.071

Teaching Reform Exploration of Food Experiment Design Method

LI Zhi-hua，HUANG Xiao-wei，GUO Zhi-ming et al

（Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu? 212013）

Abstract As a compulsory basic course for food majors，food experiment design method plays an important role in students graduation，employment and further education.However，it is characterized by various concepts，emphasizing on both theory and practice.There may be problems such as low student participation，separation of theory and experiment，and insufficient popularization of advanced statistical analysis tools in the teaching process.In response to these problems，it was recommended to improve the teaching effect by random question and small games，integrating the experimental and theoretical classes，and strengthening the introduction of advanced statistical tools.While teaching students the knowledge of experimental design，this course would also pass the scientific spirit of active exploration，openness and sharing.

Key words Experiment design;Teaching reform;Food;Data processing

食品試驗設計方法是食品類專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎必修課程，旨在使學生掌握試驗設計的基本原理和基本方法，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，讓學生具備獨立設計和實施試驗的能力，并能對試驗結果進行處理與分析，使學生成為具有一定試驗設計能力的高級專業(yè)人才[1-2]。先修課程一般包括高等數學、數理統(tǒng)計、食品分析與檢驗等，既具有較強的實踐性，也需要較扎實的理論基礎[3]。課程內容主要分為數理統(tǒng)計分析、試驗設計方法兩部分，其中數理統(tǒng)計分析主要包括試驗資料的統(tǒng)計描述、理論分布與抽樣分布、統(tǒng)計假設測驗與參數估計、方差分析、回歸分析等，試驗設計方法部分包括試驗設計基礎、全面試驗設計、正交試驗設計、均勻試驗設計以及回歸正交試驗設計等[4]。

試驗設計方法作為各大高校多數理工科專業(yè)廣泛開設的一門專業(yè)基礎課程，對于培養(yǎng)學生嚴謹、客觀的學習工作態(tài)度，主動分析問題、解決問題的實踐能力具有重要作用[5-6]。食品試驗設計方法課程對于食品類專業(yè)學生同樣具有理論和實踐兩方面的指導作用，比如食品生產中新產品開發(fā)、生產工藝的優(yōu)化、消費者偏好評估等都與該課程內容緊密相關。

然而，食品試驗設計方法課程以概率論和數理統(tǒng)計為基礎，具有概念繁多、理論性強等特點[7-8]，導致課程授課容易照本宣科，學起來容易顧此失彼、趣味索然。因此，如何在有限的時間內，既讓學生理解、掌握試驗設計的基本概念和原理，又使學生能夠吸收其基本思想并加以運用是每個任課教師需要反復探索、改進的過程?；诖?，筆者結合自身教學實踐對食品試驗設計方法課程教學進行了積極嘗試與改革，以期提升教學效果。

1 目前食品試驗設計方法課程教學中存在的問題

由于食品試驗設計方法課程具有較強的綜合性、專業(yè)性和理論性，授課過程中常常會存在各種各樣的問題。

1.1 教學過程學生參與度不高

試驗設計方法作為一門圍繞試驗開展的課程，由于授課形式的限制，仍以教師講、學生聽為主，如果學生不能很好地抓住核心思路，諸多的抽象概念會讓學生疲于應付，感到枯燥無趣。實際上，由于課時有限，教師忙于解釋基本概念和方法，學生被動地接受概念和定義，很難結合實例去理解、思考試驗設計方法的思想和精髓，上課時不能主動、有效地參與到學習過程中，常常出現(xiàn)學著后面忘記前面的窘境。

1.2 課程理論、試驗分離存缺陷

許多高校課程采取理論課、試驗課由不同教師分別負責、各司其職，這雖然方便管理，提高了效率，但對于試驗設計這類課程也會造成一定的隱患。理論課上課內容偏重于理論內容，重點講解概念和公式，試驗環(huán)節(jié)則著重試驗操作，但由于不同的講解思路和授課風格，很可能造成兩部分課程脫節(jié)，課程對理論內容的講解詳細，而學生對試驗課程則應付了事，難以將課程理論與實際應用相結合。

1.3 先進統(tǒng)計分析工具普及不足

試驗設計方法作為一門強調方法應用的課程，如何讓學生在理解概念和思路的基礎上實際應用于畢業(yè)設計、課程設計等需求應是課程的重要部分，而易上手、功能強大的分析工具必不可少。近年來，新型統(tǒng)計分析語言、軟件層出不窮，功能也愈加強大，但許多教師對統(tǒng)計分析軟件的認識依然局限于SPSS、Excel等軟件，有必要對Matlab、R語言、Python、Julia等新型數據處理語言和工具進行介紹[9-10]，以使學生能緊跟技術發(fā)展前沿、拓展知識面。

2 改進措施

2.1 通過隨機問答與隨堂小游戲提高學生參與度

概念繁多、知識零碎是食品試驗設計方法課程的重要特點之一，但其中所涉及概念、理論大多與學生生活常識和已有認知密切相關，只是對更客觀、準確的專業(yè)術語進行重新定義，所以理解難度不大。因此，教學的難點在于如何緊緊抓住學生注意力，使其始終跟隨教師思路對概念和知識體系進行理解與認知。針對這一難點，為了提高授課時學生參與度，筆者經多次嘗試認為隨機問答與隨堂小游戲2個方法最有效。①隨機問答。上課時，教師可根據授課內容設置簡單問題，然后隨機提問。進行提問的目的不在于考察學生的知識掌握程度，而在于保持學生注意力，因此所設置問題應簡單、易于回答，而采用隨機提問的方式有助于使大部分學生形成輕微的心理壓力，保持專注。舉例來講，講解“直線回歸與相關分析”一章時，可以“蝴蝶效應”引出事物之間的關聯(lián)，并詢問哪位同學觀看過“蝴蝶效應”這部電影，如果有看過的學生則可以快速簡述主要劇情，從而引起學生興趣，進而在解釋“確定性關系”和“非確定性關系”后可以提問同學，給出相應的例子。②隨堂小游戲。由于該課程既具有較強理論性，又始終面向實踐性，因此無論是單講理論還是單做試驗都具有一定的片面性，通過帶有試驗性質的小游戲，既能調動學生積極性，又能幫助解釋課程理論。例如，講解準確性和精確性時，可以在黑板上繪制圓心和若干同心圓，然后選2個同學比賽擲粉筆，每位同學投擲10次，然后由另外2位同學測量投擲點與圓心的距離，再讓大家評定哪位同學投擲更準確，進而引出準確性和精確性的概念，引導學生思考如何將直觀感覺通過變量和公式進行客觀、科學的表達，最后通過平均值和方差、標準差等變量的具體表達式對所得結果進行計算，通過比較投擲結果，這樣既可以形成一個清晰而完整的概念體系，又不失鮮活形象。

2.2 試驗課與理論課融合授課

由于試驗設計方法的特殊性，該課程不適合將試驗與理論相分離。對于多數課程，試驗課的目的在于鞏固課堂知識或掌握操作技能，因此試驗課重在操作，但該課程試驗課的目的是教會學生設計試驗、分析試驗的方法和流程，重點在于設計和分析，而非操作，因此所選試驗應具備思路清晰、步驟簡單等特點。試驗前不應直接給出試驗方案，而應給出試驗目的和工具，由學生設計試驗方案?？傮w上，每次試驗課第一個課時應由25 min方案設計部分和20 min方案實施部分組成，穿插講解試驗設計的注意事項;第二個課時則以試驗結果處理為主，講解試驗結果處理的思路和方法。這樣的課程設計必須由主講教師與試驗指導教師密切配合完成。例如，單因素方差試驗可以溫度對甜味感受的影響作為主題，試驗目的是考察不同溫度下人的甜味感受靈敏度是否存在顯著差異，然后引導學生根據試驗設計的隨機化、局部控制等原則自行設計試驗方案，快速進行分工合作，擬定試驗記錄表格，預計需15 min，在學生初步擬定方案后教師進行指正、修改，講解注意事項，最后與教師事先準備好的試驗方案相結合進行試驗，預計需10 min。確定試驗方案后，開始試驗實施和數據記錄。第二課時則講解方差分析的原理、步驟和注意事項，給出計算步驟和公式，并帶領學生使用Excel軟件對試驗數據進行處理分析。

2.3 加強先進統(tǒng)計工具入門引導

隨著計算機技術、數據科學、人工智能等學科領域的發(fā)展，各類新型數據處理語言、統(tǒng)計分析軟件蓬勃發(fā)展，特別是Python、R等免費、開源、功能強大、擴展性強的體系得到了廣泛使用和認可[9]，其語法規(guī)則也愈加靈活、簡便、易懂。該課程作為一門試驗設計和數據科學的入門課程，不僅應教會學生使用Excel、SPSS等軟件進行簡易模塊化操作的使用方法，更應該使學生見識到軟件背后的處理過程和無限潛力，從而激發(fā)學生興趣、開闊學生視野，為今后的深造和提升奠定基礎，因此，加強先進統(tǒng)計工具入門引導十分必要。以R語言為例，其是新西蘭的羅斯·伊哈卡 （Ross Ihaka）和羅伯特·金特爾曼（Robert Gentleman）基于S語言開發(fā)，1993年面世，1995年采用通用公共許可協(xié)議，使之成為免費軟件。由于功能強大，且開源、免費，在統(tǒng)計分析、繪圖、數據挖掘等方面得到廣泛應用，并吸引了大量研究人員和團體為其設計了完善的開發(fā)環(huán)境軟件和許多豐富的擴展功能包。進行線性回歸與相關分析試驗時可以首先利用Excel進行回歸過程演示，分析其利弊，然后延伸介紹R語言相關內容。作為對比，首先利用R內置線性回歸建模函數lm（）進行線性回歸建模，然后通過基礎代碼重現(xiàn)線性回歸方程和顯著性分析的求解過程，從而突出此類高級數據分析工具開放性、擴展性、定制性的優(yōu)點。以此，開闊學生視野，培養(yǎng)學生主動探索、開放共享的科學精神。

3 結語

大學作為學生步入社會前的最后教育階段，應教給學生的不僅是工程技術知識，更應是這種積極追索、自由向上的獨立自由精神。試驗設計方法課程綜合了工程技術、統(tǒng)計分析、數學模型等領域的智慧結晶，是同時傳授知識與精神的優(yōu)良載體。因此，授課教師應積極加強與學生互動，使學生掌握試驗設計的方法與技巧，同時結合簡單易懂的小測試、小游戲使其理解所涉及數學理論的思路與理念，通過先進的統(tǒng)計分析語言和工具開闊學生的視野，傳遞主動探索、開放共享的科學精神，從而切實提高學生能力，改善授課效果。

參考文獻

[1]馮憲超，杜雙奎，李志西.《食品試驗優(yōu)化設計》課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2016（5）：58-59.

[2] 胡祎，潘劍斌.將試驗設計的思想與方法滲透在數理統(tǒng)計課中的研究與實踐[J].輕工科技，2019，35（11）：154-155.

[3] 蒲云峰.《食品試驗設計與數據分析》教學改革初探[J].中國科技信息，2013（1）：125.

[4] 李超.食品試驗設計與統(tǒng)計分析課程的教學改革和實踐[J].農產品加工· 綜合刊，2015（3）：73-74.

[5] 周存山，楊虎清，龐林江，等.《食品試驗設計方法》課程教學的改革探索[J].安徽農學通報，2008，14（24）：145，153.

[6] 苗永旺，劉學洪，茍瀟，等.《生物統(tǒng)計附試驗設計》課程教學改革效果探討[J].家畜生態(tài)學報，2012，33（1）：107-110.

[7] 蔣變玲，趙亮，段紅，等.《食品試驗設計與統(tǒng)計分析》教學改革與探討[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（32）：33-34.

[8] 李昀，任小青.案例分析法在提高“食品試驗設計與統(tǒng)計分析”實踐技能中的應用[J].農產品加工，2018（6）：86-88.

[9] 張哲，張豪.淺談 R 語言在生物統(tǒng)計學教學中的應用[J].教育教學論壇，2013（27）：54-55.

[10] 宋述芳，遲乃榮，呂震宙.R語言在數理統(tǒng)計教學中的應用及延伸[J].教育教學論壇，2019（9）：231-233.

作者簡介 李志華（1989—），男，河南舞鋼人，講師，博士，從事食品、農產品無損檢測與智能加工研究。

收稿日期 2020-05-26