基于R語言的“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)改革探索

陳志杰

江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品學(xué)院（淮安 223005）

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程是江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程（4+0）本科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)必修課程，該課程以數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，對食品研究中具體的問題給出科學(xué)合理的實施方案，并采用科學(xué)的統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)分析和處理，進而指導(dǎo)食品研發(fā)及生產(chǎn)實踐。該課程不僅對于學(xué)生順利完成本專業(yè)《畢業(yè)實習(xí)與設(shè)計（論文）》教學(xué)環(huán)節(jié)具有非常重要的支撐作用，同時也為學(xué)生畢業(yè)后從事食品企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、工藝改造和科學(xué)研究打下良好基礎(chǔ)。R語言是一個自由、免費、源代碼開放的軟件，是一種專門為統(tǒng)計計算和圖形顯示而開發(fā)的語言環(huán)境，也是目前使用最廣泛的統(tǒng)計計算與統(tǒng)計作圖工具之一[1-2]。R語言在課程輔助教學(xué)方面已進行一些有益探索，并取得一定成效[3-4]。2020年以來，江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程（4+0）本科專業(yè)在2018級，2019級和2020級3個年級中基于R語言進行“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程的教學(xué)改革與實踐探索工作，對教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和評價方式等進行調(diào)整和優(yōu)化，旨在進一步提升學(xué)生科研素養(yǎng)、數(shù)據(jù)分析處理能力和實踐應(yīng)用能力。

1 “試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”教學(xué)中存在問題

1.1 線上線下混合式教學(xué)方式探索不夠

缺乏對學(xué)生學(xué)情的分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程前已學(xué)習(xí)“大學(xué)計算機”“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”“Python程序設(shè)計”等前導(dǎo)課程，已掌握Office辦公軟件使用、Python編程語言基本知識和數(shù)理統(tǒng)計基本分析方法。教師在教學(xué)過程中主要以多媒體課件、板書等傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，存在內(nèi)容重復(fù)講授問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率不高。隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，教師的教學(xué)工具日益科技化和多樣化，但采用中國MOOC、智慧職教、雨課堂、課堂派等平臺開展線上線下混合式教學(xué)探索不夠，不能充分利用這些平臺進行課前預(yù)習(xí)、課中互動評價和課后鞏固答疑，從而導(dǎo)致線上線下混合式教學(xué)優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)。

1.2 實踐操作處理能力培養(yǎng)不足

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”在以往的課程教學(xué)過程中重視理論知識的講解，而忽視實踐技能的培養(yǎng)。教師主要注重統(tǒng)計基礎(chǔ)知識、統(tǒng)計假設(shè)檢驗、方差分析原理、試驗設(shè)計方法及原理等知識內(nèi)容的講解，授課過程中運用SAS、Excel、Minitab和R語言等統(tǒng)計分析軟件進行實踐操作講解較少，學(xué)生在課堂上主要以聽教師講授為主，不能進行有效的實踐操作演練，從而導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)與實踐操作脫節(jié)，學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識不能被有效吸收轉(zhuǎn)化為實踐技能。

1.3 課程思政元素融入不夠

在課程教學(xué)過程中，存在思想政治教育理念不能貫穿于知識和能力培養(yǎng)的全過程。教師在授課過程中更多的是進行知識和技能的傳授，未能在教學(xué)過程中結(jié)合課程自身科學(xué)嚴謹、實事求是、科研誠信等特點，將社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等思政元素內(nèi)容有機融入到教學(xué)設(shè)計中，將思政教育內(nèi)容和授課知識內(nèi)容簡單生硬拼湊在一起，從而導(dǎo)致課程講授過程不連貫、不聚焦。同時，授課教師缺乏對課程思政教育的足夠認識及思政案例儲備不足，也直接影響課程思政授課效果。

1.4 教師科教融合意識不強

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程是與食品科學(xué)研究密切相關(guān)的一門專業(yè)課程，食品研究過程中對試驗方案的合理設(shè)計和對試驗數(shù)據(jù)的正確分析處理直接關(guān)系到試驗成功與否。在以往的教學(xué)過程中，存在教學(xué)與科研脫節(jié)的問題，教師只是單純地講授書本上知識和操作技能，而往往忽視將食品科研中常用的圖表數(shù)據(jù)處理、正交試驗設(shè)計、均勻試驗設(shè)計、響應(yīng)面試驗設(shè)計等方法和案例融入到課堂教學(xué)中，學(xué)生雖然對理論知識和軟件應(yīng)用掌握得較好，但是當(dāng)學(xué)生實際承擔(dān)實踐創(chuàng)新項目或參與教師科研項目時，不能將掌握的知識和技能轉(zhuǎn)化為分析處理能力。

1.5 考核評價模式傳統(tǒng)單一

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程是一門實踐性、應(yīng)用性較強的課程，傳統(tǒng)的考核方式往往采用“期末考試+平時成績”進行評價，而期末考試往往采用筆試方式，從而導(dǎo)致課程考核更多的是對理論知識和原理的評價，采用常用統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理和試驗設(shè)計等方面能力考核不夠。同時，課程考核缺乏過程性、綜合性評價，未充分利用智慧職教、雨課堂、課堂派等優(yōu)質(zhì)課程平臺從課前、課中和課后等整個教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生課前預(yù)習(xí)、考勤、課堂互動、單元作業(yè)等全過程進行綜合評價。

2 “試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”教學(xué)改革與實踐

2.1 優(yōu)化基于R語言的課程教學(xué)內(nèi)容，開展線上線下混合式教學(xué)

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程依據(jù)食品科學(xué)與工程（4+0）專業(yè)人才培養(yǎng)目標及對問題分析、研究、使用現(xiàn)代工具、溝通等方面的畢業(yè)能力要求，完善課程標準。基于課程調(diào)研和學(xué)情分析，弱化“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”等前導(dǎo)課程中概率分布、假設(shè)檢驗等學(xué)生已學(xué)知識內(nèi)容，強化實踐能力的培養(yǎng)。R語言具有強大和全面的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和可視化能力，擁有一系列數(shù)據(jù)分析處理和試驗設(shè)計專用包。R語言在編程使用方面與Python具有許多相似的地方，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程前已完成“Python程序設(shè)計”課程的學(xué)習(xí)，為R語言的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下一定基礎(chǔ)。在進行“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程設(shè)計時將R語言相關(guān)知識和分析技能融入課程教學(xué)內(nèi)容中，確定典型學(xué)習(xí)任務(wù)及知識、能力和素質(zhì)等目標。在課程教學(xué)過程中使用課堂派和智慧職教雙平臺開展輔助教學(xué)，利用課堂派編輯互動課件，通過課前發(fā)布課件，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)相關(guān)知識點和內(nèi)容，利用考勤簽到功能輔助教師考勤，課中采用點名提問或隨機提問方式與學(xué)生進行互動，提高學(xué)生課堂參與度。“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程涉及大量數(shù)據(jù)分析處理，利用課堂派平臺支持眾多文檔格式的功能，在平臺上布置作業(yè)任務(wù)，學(xué)生直接上傳電子文檔后進行在線批改和評閱。同時，利用智慧職教平臺擁有的優(yōu)質(zhì)資源庫資源進一步拓展課程資源，通過雙平臺使用實現(xiàn)線上線下課程教學(xué)優(yōu)勢互補、有效融合。

2.2 以R語言為主開展課程教學(xué)，提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理和實踐應(yīng)用能力

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”是一門應(yīng)用性較強的課程，在課程教學(xué)過程中注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，主要采用R語言進行課中實踐演練和課后操作鞏固，同時采用Excel和Minitab軟件輔助對比教學(xué)。在課程R語言基礎(chǔ)部分，主要講授R語言特點、R語言及Rstudio安裝方法和R語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，教師在課中操作演練如何創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，使學(xué)生掌握R語言的基本使用方法。教師在講授統(tǒng)計圖表制作時，采用R語言和Excel操作演示條形圖、餅圖、直方圖和折線圖等常用統(tǒng)計圖制作方法，同時讓學(xué)生分組并自帶電腦，在教師演示后學(xué)生以小組團隊形式進行實踐操作。在講授統(tǒng)計假設(shè)檢驗時，采用R語言t.test()函數(shù)和Minitab軟件統(tǒng)計菜單中t檢驗進行演示，通過不同軟件的比較演示加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。在講授試驗設(shè)計方法時，演示應(yīng)用R語言和Minitab軟件進行正交試驗設(shè)計、響應(yīng)面試驗設(shè)計等試驗設(shè)計的方法，并將2種軟件的分析結(jié)果進行比較分析，教師課中發(fā)布具體任務(wù)，學(xué)生以小組團隊形式進行試驗設(shè)計與分析，通過演練結(jié)合的方式提高學(xué)生實踐技能。同時，“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程在授課過程中將實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)全過程，課后通過布置相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理任務(wù)，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和認識，并結(jié)合線上反饋進行答疑，進一步提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理和實踐應(yīng)用能力。

2.3 充分挖掘科研領(lǐng)域思政元素，實現(xiàn)課程教學(xué)與思政教育有機融合

課程思政作為一種教育理念，要求教師在教學(xué)過程中，不僅需要教授學(xué)生書本上的知識，還需要以潤物無聲的形式對學(xué)生開展思想政治教育，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀[5]。在“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)過程中，深入挖掘課程思政元素和德育內(nèi)涵，依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求修訂課程標準，將思政元素和德育教育融入教育教學(xué)中，實現(xiàn)課程知識技能傳授與價值引領(lǐng)相結(jié)合。結(jié)合課程自身特點，用錢學(xué)森、孫家棟、袁隆平等科學(xué)家事跡詮釋科學(xué)家精神，將科學(xué)家胸懷祖國、服務(wù)人民的愛國精神和追求真理和嚴謹治學(xué)的求實精神融入立德樹人的過程中。通過近年來發(fā)生的偽造或篡改數(shù)據(jù)、抄襲剽竊他人學(xué)術(shù)成果、捏造事實等典型學(xué)術(shù)不端案例，教育引導(dǎo)學(xué)生恪守學(xué)術(shù)誠信和遵守學(xué)術(shù)準則。在統(tǒng)計學(xué)上，把小概率事件在一次試驗中看成是實際上不可能發(fā)生的事件稱為小概率事件實際不可能原理，在進行統(tǒng)計假設(shè)檢驗時主要依據(jù)這一原理來否定或接受無效假設(shè)，但小概率事件并不等同于零概率事件，隨著試驗次數(shù)的不斷增加，小概率事件也會發(fā)生。通過這個例子，教育學(xué)生很多事物的變化伴隨著量變到質(zhì)變的過程，進而引出“冰凍三尺非一日之寒，滴水穿石非一日之功”的道理，教育學(xué)生任何的成功都是經(jīng)過長時間的積累所獲得，不能急于求成、望而止步。R語言是一個自由、免費、源代碼開放的軟件，R語言很多優(yōu)秀功能都是通過一系列統(tǒng)計分析軟件包實現(xiàn)，而這些包都是大量開發(fā)者無償開發(fā)和提供，如R語言中最流行的ggplot2數(shù)據(jù)可視化包。在講授R語言相關(guān)內(nèi)容時，通過開源統(tǒng)計軟件開發(fā)與共享，培養(yǎng)學(xué)生要具有合作共享、無私奉獻的職業(yè)品格和團隊精神。在課程教學(xué)過程中，將科學(xué)嚴謹、實事求是、科研誠信、無私奉獻等思政元素貫穿始終，培養(yǎng)懂統(tǒng)計分析原理、能合理進行試驗設(shè)計、會使用統(tǒng)計軟件分析、有品行修養(yǎng)的食品專業(yè)人才。

2.4 開展科教融合協(xié)同育人，服務(wù)專業(yè)高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)

科教融合是指將教育教學(xué)與科學(xué)研究有機融合，通過科教協(xié)同育人進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[6]。在“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)設(shè)計時，教學(xué)團隊教師將最新食品領(lǐng)域科研文獻與學(xué)生分享，讓學(xué)生了解課程教學(xué)內(nèi)容在實踐中的應(yīng)用及如何服務(wù)科學(xué)研究。在講授統(tǒng)計圖表制作時，以科研文獻中圖表為范例，讓學(xué)生了解三線表、折線圖、直方圖等圖表的制作要求和呈現(xiàn)方式，使用R語言和Word為學(xué)生演示如何進行統(tǒng)計圖和三線表的制作，以文獻中圖表為例，讓學(xué)生在課堂上進行實際操作，通過文獻案例分析、教師操作演示、學(xué)生實踐操作的教學(xué)方法，將課程內(nèi)容、專業(yè)知識和科學(xué)研究三者有機結(jié)合，有效提升學(xué)生科研圖表理解與制作能力。在講授理論性較強的統(tǒng)計假設(shè)檢驗內(nèi)容時，以食品科學(xué)研究中經(jīng)常涉及的兩個處理之間的比較試驗為例，通過2種食品工藝處理方法比較、2種食品成分分析檢測方法比較等科研案例，使學(xué)生理解和掌握統(tǒng)計假設(shè)檢驗的意義、基本原理和分析步驟，布置新任務(wù)，讓學(xué)生以科研小組的形式對問題進行分析并應(yīng)用R語言實現(xiàn)問題的求解。在講授試驗設(shè)計內(nèi)容時，利用科研文獻中飲料配方優(yōu)化、功能性成分提取工藝優(yōu)化等具體研究案例指導(dǎo)學(xué)生如何進行正交試驗、響應(yīng)面試驗等試驗設(shè)計，通過R語言實現(xiàn)案例中試驗設(shè)計、方差分析及結(jié)果優(yōu)化，使學(xué)生進一步理解試驗設(shè)計與方差分析的內(nèi)在關(guān)系及R語言在此過程中發(fā)揮的作用。將學(xué)生3～4人分為1組，以分組方式讓學(xué)生進行科研文獻匯報，通過研究目的、試驗設(shè)計方法、分析檢測方法、結(jié)果分析等重點環(huán)節(jié)的匯報，提高學(xué)生團隊協(xié)作能力和科研素養(yǎng)。同時，鼓勵學(xué)生積極參與教師的科研項目或主持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，將課程所學(xué)知識和技能應(yīng)用于實際研究工作中，進一步提高學(xué)生分析解決問題的能力。

2.5 優(yōu)化課程考核方式和內(nèi)容，實現(xiàn)課程全程化和多元化評價

“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程對傳統(tǒng)的考核評價方式進行改革，將過程性考核與期末考核有機結(jié)合，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進行全面綜合性評價。在課程教學(xué)過程中，充分利用信息化手段，使用課堂派平臺輔助進行課程考核評價。教師通過在課前提前發(fā)布PPT課件，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)授課內(nèi)容，根據(jù)學(xué)習(xí)完成情況給予預(yù)習(xí)成績。在上課前通過二維碼考勤和GPS考勤記錄學(xué)生的考勤情況。在上課過程中，通過課堂派平臺提前制作好互動課件，通過設(shè)置投票題、問答題和拍照題等多種互動題目，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和參與度，并根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)給予積分獎勵。在課堂上將學(xué)生進行分組，以小組團隊形式匯報文獻中統(tǒng)計圖表制作、試驗設(shè)計方法等內(nèi)容，或布置課堂任務(wù)讓小組團隊使用R語言進行實踐操作，根據(jù)匯報及實踐操作情況給予團隊積分獎勵。課后通過平臺布置作業(yè)，學(xué)生以電子文檔或R語言編程截圖等方式提交作業(yè)，并進行在線批閱和賦分。同時，改變傳統(tǒng)的期末考試以筆試為主的方式，通過平臺設(shè)置判斷題、填空題、簡答題和文件題等測試內(nèi)容，允許學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)通過查閱文獻、R語言等軟件分析完成測試提交，從而更加全面的考核學(xué)生對課程知識的理解和實踐操作能力。

3 結(jié)語

近年來，“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程以課堂派和智慧職教雙平臺開展的混合式教學(xué)和以R語言為基礎(chǔ)的實踐教學(xué)已取得階段性成果，學(xué)生對統(tǒng)計知識的理解和應(yīng)用R語言等軟件分析處理數(shù)據(jù)的能力得到進一步提高，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣顯著提高。同時，課程為學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計（論文）及開展創(chuàng)新實踐項目研究提供了較好支撐，學(xué)生主持或參與完成江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練項目10余項，獲校級優(yōu)秀畢業(yè)論文等榮譽多項。雖然“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程在課程建設(shè)方面取得一定成效，在今后的教學(xué)過程中課程教學(xué)團隊將進一步堅持“以德育為根本，以能力為本位，以學(xué)生為中心”的教育理念，更好地服務(wù)專業(yè)高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)。