《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)研究

陳彰旭，李先學(xué)，傅明連

（莆田學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建 莆田 361100）

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》是一門應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)寬廣的現(xiàn)代技術(shù)課程，主要介紹工程技術(shù)和科研試驗中常用的試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理方法.通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的基本原理和方法，為后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)如專業(yè)試驗、畢業(yè)論文和今后在工作中開展產(chǎn)品工藝優(yōu)化、質(zhì)量管理等工作的順利進(jìn)行打下良好基礎(chǔ).該門課程教學(xué)內(nèi)容主要包括兩個方面：試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理.試驗設(shè)計部分主要是讓學(xué)生掌握設(shè)計試驗的方法，能做到在有限的試驗條件下，用最少的試驗量獲得盡可能多的信息；數(shù)據(jù)處理部分主要是讓學(xué)生學(xué)會對實驗結(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[1].由于《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)公式、計算以及理論推導(dǎo)，學(xué)生極易對該課程產(chǎn)生畏懼，尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生.如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的興趣，提高教學(xué)效果，是一個亟待研究的課題.

1 與其他課程的聯(lián)系

《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的其他課程不同，它隸屬于統(tǒng)計學(xué)，是將理論和實踐相結(jié)合、實用性很強的課程.該門課程又以概率論、線性代數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)[2]，相應(yīng)的統(tǒng)計軟件和計算機(jī)軟件為工具，如Excel、Origin、正交試驗設(shè)計助手等.此外，大量的實例貫穿整個課程始終，這要求學(xué)生應(yīng)該在化工基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)之后學(xué)習(xí)本門課程.

2 科學(xué)組織教學(xué)內(nèi)容，突出應(yīng)用性和實用性

2.1 科學(xué)教學(xué)

應(yīng)用性本科培養(yǎng)的是運用科學(xué)理論從事高技術(shù)工作的應(yīng)用型專門人才，在培養(yǎng)規(guī)格上以行業(yè)需求為本位，注重知識的復(fù)合性、現(xiàn)時性和應(yīng)用性.培養(yǎng)出的人才應(yīng)具備綜合運用理論知識和方法解決實際問題的綜合能力和實踐能力，并兼?zhèn)浼夹g(shù)創(chuàng)新能力[3].因此，在教學(xué)內(nèi)容組織和知識側(cè)重點的處理上應(yīng)以結(jié)合專業(yè)特色、適應(yīng)行業(yè)需要為主旨.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是以統(tǒng)計學(xué)原理為基礎(chǔ)的學(xué)科，其原理部分涉及到高等數(shù)學(xué)、概率論和線性代數(shù)的知識，這部分內(nèi)容在基礎(chǔ)課程中已有詳細(xì)講述.因此，教學(xué)重點放在各種試驗設(shè)計方法和數(shù)據(jù)處理方法的具體應(yīng)用上，而方法的理論推導(dǎo)過程可以作為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容.如講解方差分析時，將重點放在方差分析的具體步驟上，而偏差平方和分解過程的推導(dǎo)則作為自學(xué)內(nèi)容；在正交試驗設(shè)計及分析部分，教學(xué)側(cè)重點主要放在如何使用正交表及如何對正交試驗結(jié)果作恰當(dāng)?shù)姆治錾?，而對于正交表的?gòu)成原理、特點僅作簡要介紹.

2.2 分析教學(xué)對象，合理組織教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 分析教學(xué)對象

面對眾多的內(nèi)容，授課者必須了解學(xué)生的實際情況，分析社會對學(xué)生素質(zhì)的需求，針對學(xué)生自身的實際條件和學(xué)校的要求，突出重點.確切了解本科生需要掌握的科學(xué)技能，有助于在課程內(nèi)容安排中突出重點.對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生來講，其主要的科研工作包括簡單的試驗設(shè)計、收集和分析實驗結(jié)果，主要用到的統(tǒng)計學(xué)方法只有t檢驗、方差分析、卡方檢驗、一元線形回歸和正交試驗設(shè)計等.因此，在實際教學(xué)當(dāng)中，首先應(yīng)選用或編寫比較實用的教材，適當(dāng)刪減不合適的內(nèi)容，同時對于學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中需要經(jīng)常用到的內(nèi)容，如數(shù)據(jù)比較和正交試驗設(shè)計等，應(yīng)該適當(dāng)增加課時兩，進(jìn)行強化和突出.而對于一般教材中涉及比較多的多元線性回歸、多樣本參數(shù)檢驗、聚類分析等實踐涉及比較少內(nèi)容無須分配過多課時.對于生物工程專業(yè)或農(nóng)林專業(yè)學(xué)生而言，需要采用用不同的試驗設(shè)計方法解決實際工作中所遇到的不同問題.應(yīng)用最廣泛和最具典型性的試驗設(shè)計方法有區(qū)組設(shè)計、正交設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、回歸設(shè)計、均勻設(shè)計等[4]，其中回歸設(shè)計、均勻設(shè)計應(yīng)該重點講授和實踐.

2.2.2 合理組織理論教學(xué)內(nèi)容

課程內(nèi)容應(yīng)主要包括以下三個部分：一是試驗設(shè)計部分，主要講授試驗設(shè)計的幾種方法.二是試驗數(shù)據(jù)分析部分，包括試驗數(shù)據(jù)的誤差分析，直觀分析和方差分析.在講授的時候，要把兩部分結(jié)合起來.按照教材，具體內(nèi)容包括：誤差的基本知識；單因素優(yōu)選法；方差分析法；正交試驗設(shè)計；正交試驗設(shè)計結(jié)果的直觀分析；正交試驗設(shè)計結(jié)果的方差分析；正交試驗設(shè)計中正交表的靈活運用；回歸分析；均勻試驗設(shè)計.有關(guān)顯著性檢驗的知識會在方差分析中講解.三是介紹部分計算機(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.這部分內(nèi)容在所選教材中被列在最后一章.正交試驗設(shè)計是本專業(yè)的重點，數(shù)據(jù)處理有相關(guān)的軟件：正交試驗設(shè)計助手.

3 優(yōu)化教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

3.1 多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教法相結(jié)合

多媒體教學(xué)，如PowerPoint等的應(yīng)用豐富了教學(xué)內(nèi)容，使授課生動活潑，條理清晰，易于學(xué)生做課堂筆記.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程理論性強，公式多，例子中表格復(fù)雜，用板書表達(dá)速度慢.多媒體教學(xué)應(yīng)用于試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程，可迅速將多種圖表直觀生動地投射給學(xué)生，使復(fù)雜的理論更加容易講解.同時，多媒體教學(xué)可以將教師從繁瑣的板書中解脫出來，使教師有更多時間講授理論知識，充分發(fā)揮教師在教學(xué)活動中的主導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)生的思路，從而產(chǎn)生較好的課堂效果.同時，多媒體教學(xué)使數(shù)據(jù)處理軟件的演示和講解成為可能，為課程的應(yīng)用化和實用化提供了有效的平臺.在多媒體教學(xué)中，可以利用數(shù)據(jù)分析軟件處理具體事例，并將其操作全過程在幻燈片上演示，利于學(xué)生模仿練習(xí).

但是在進(jìn)行某些理論推導(dǎo)的時，傳統(tǒng)板書教學(xué)仍有不可替代的優(yōu)勢，它可以引導(dǎo)學(xué)生跟隨教師的思路一步一步前進(jìn)，使學(xué)生對原理的理解更清晰透徹.因此，在數(shù)學(xué)公式和理論性知識較多的試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的板書教學(xué)也不能少.應(yīng)以多媒體教學(xué)為主，同時在適當(dāng)時候輔以傳統(tǒng)板書，以期得到事半功倍的效果.

3.2 結(jié)合其他課程的實驗處理和應(yīng)用實例，提高學(xué)習(xí)的實用性

3.2.1 課堂教學(xué)實例化

課堂教學(xué)實例化具有理論聯(lián)系實際的特點，可以對工業(yè)生產(chǎn)、生活活中的典型案例作重點剖析，以闡述原理，剖析問題，從而加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，并能讓學(xué)生學(xué)會用理論知識去分析、判斷和解決問題[5].試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析的理論部分邏輯性強，公式復(fù)雜繁多，抽象而難于理解.這就需要教師列舉大量的實例加以充實，開闊學(xué)生的眼界，調(diào)動課堂的氣氛，同時加強學(xué)生的對統(tǒng)計學(xué)理論的理解.只有老師在教學(xué)過程中經(jīng)常聯(lián)系、滲透生活中應(yīng)用統(tǒng)計知識解決問題的例子，學(xué)生就自然感覺到統(tǒng)計知識的應(yīng)用是無處不在、無時不在的.而這些例子的選擇也應(yīng)盡量符合學(xué)生的專業(yè)方向，屬于學(xué)生比較了解的領(lǐng)域.如對于應(yīng)用化學(xué)高分子方向的學(xué)生，課堂例題應(yīng)該多涉及高分子涂料配方設(shè)計與工藝優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理；而對于應(yīng)用化學(xué)化學(xué)與工程方向的學(xué)生，課堂講授可以結(jié)合化工仿真軟件進(jìn)行工程設(shè)計和數(shù)據(jù)處理.結(jié)合學(xué)生專業(yè)方向進(jìn)行授課，一方面可以集中學(xué)生的注意力而使之專注于教師講授問題的解決，另一方面可以增加學(xué)生對本專業(yè)的了解與解決本專業(yè)實際問題的經(jīng)驗和能力.

3.2.2 教學(xué)與專業(yè)實驗課程相結(jié)合

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析是科學(xué)研究的工具，其實用價值來源于科研實踐.應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)實驗如有機(jī)化學(xué)實驗等，專業(yè)實驗課程如精細(xì)化工實驗等均可以得到大量的數(shù)據(jù)，充分利用課堂上講到的數(shù)據(jù)處理方法加以分析練習(xí)，是增強本科學(xué)生對這一工具的熟練掌握的良好途徑.但是，當(dāng)前多數(shù)實驗課程重點是注重培養(yǎng)學(xué)生對實驗技能的掌握，而對數(shù)據(jù)的收集和處理工作要求并不十分嚴(yán)格.這種教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，也不利于增強學(xué)生實際分析解決問題的能力.因此，在建議實驗課程注重數(shù)據(jù)處理過程之外，試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程的講授應(yīng)與至少一門專業(yè)實驗課程相聯(lián)系，即把此實驗課程同時作為試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程的實驗課程.學(xué)生同時將實驗報告遞交給試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程教師，以此不斷訓(xùn)練和督促學(xué)生實際處理和分析數(shù)據(jù)的能力.

3.2.3 仿真與設(shè)計結(jié)合

除了課堂教學(xué)和上機(jī)實踐操作外，可結(jié)合《化工方針實習(xí)》、《化工原理課程設(shè)計》、《有機(jī)合成單元課程設(shè)計》等課程，增加一些開放性的設(shè)計研究性的化工實驗，如一氧化氮中低變轉(zhuǎn)換、乙醇內(nèi)循環(huán)無梯度轉(zhuǎn)化乙烯等，進(jìn)一步鞏固掌握《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程的精髓.

3.3 強化上機(jī)實驗

試驗數(shù)據(jù)的處理計算量很大，完全依靠手算既浪費時間又容易出錯.而現(xiàn)在有多種軟件，它們可以對數(shù)據(jù)作各種分析，并能夠在短時間內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果.因此，應(yīng)重視上機(jī)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生至少掌握1種統(tǒng)計軟件的使用方法，學(xué)會用軟件繪圖、計算，并能正確理解分析結(jié)果.例如SPSS是一個功能全面的統(tǒng)計分析軟件，操作界面友好，易學(xué)易用，廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)、社會科學(xué)領(lǐng)域[6].在教學(xué)過程中安排適當(dāng)學(xué)時進(jìn)行上機(jī)操作，要求學(xué)生能夠使用軟件進(jìn)行平均數(shù)假設(shè)檢驗、方差分析、多重比較、回歸分析等操作，不僅能增強知識的掌握程度，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.

在工業(yè)生產(chǎn)中，影響試驗指標(biāo)的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素與因素之間還存在交互作用，因此，合理設(shè)計實驗、對實驗所測測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲得研究對象的變化規(guī)律，達(dá)到研究目的，是每個應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生需要解決的問題[7].這些知識的訓(xùn)練通過強化上機(jī)可以較快實現(xiàn).

由于試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程的特有的應(yīng)用性和實用性，其理論部分考核應(yīng)該以解決和分析具體問題為主，而不應(yīng)拘泥于以往固定而復(fù)雜的試卷模式.加強學(xué)生對軟件的操作能力，上機(jī)實驗課后應(yīng)注意對學(xué)生進(jìn)行上機(jī)考核.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析是一門實用的工具性課程，需要在學(xué)生頭腦中建立理論化的體系，才能使之融會貫通，運用自如.因此，教師在理論授課和上機(jī)實驗之余，應(yīng)給學(xué)生不間斷進(jìn)行系統(tǒng)化復(fù)習(xí)和練習(xí)，使學(xué)生對課程所涉及的理論和方法產(chǎn)生整體印象，進(jìn)而掌握課程的脈絡(luò)和具體的統(tǒng)計方法.教師應(yīng)注意與學(xué)生交流，注意加強重點和難點的講述和練習(xí)，同時要布置一定數(shù)量的習(xí)題，幫助學(xué)生加強理解，鞏固所學(xué).

4 結(jié)束語

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)所研究的對象涉及到多因素的復(fù)雜化工過程，如何通過試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理來減少試驗次數(shù)，節(jié)約成本、高效準(zhǔn)確獲取可靠信息，實現(xiàn)目標(biāo)最優(yōu)化是一個工程技術(shù)人員必須掌握的現(xiàn)實問題.《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)將使應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生受益匪淺，為其解決工程的設(shè)計、研發(fā)、分析與總結(jié)奠定良好基礎(chǔ).《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)應(yīng)適應(yīng)當(dāng)前社會、科技的發(fā)展及應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，注重學(xué)生的主體性，以培養(yǎng)思維能力、提高實踐能力為主要目的，不斷改革教學(xué)模式.

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