實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的多元協(xié)同教學(xué)

汪冬冬，楚化強(qiáng)

(安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是工科專業(yè)的一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程。該課程主要涉及兩部分內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)的科學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)果的分析處理。通過(guò)本課程的教學(xué)，不僅要求學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理知識(shí)，而且要求形成擴(kuò)展到更多的生活工作中的科學(xué)分析解決問(wèn)題的思想[1-3]。

在能源與動(dòng)力工程專業(yè)本科和研究生階段都設(shè)置有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程，其中本科教學(xué)側(cè)重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及結(jié)果分析處理的基本理論和方法方面，研究生教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，重點(diǎn)講授基于數(shù)據(jù)處理軟件方法的具體應(yīng)用。但是，理論與實(shí)踐是相互依存的，這樣的課程設(shè)置貌似合理，實(shí)際上可能出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。本科階段學(xué)習(xí)了理論知識(shí)而得不到應(yīng)用，很容易導(dǎo)致學(xué)生的興趣散失以及知識(shí)的快速忘卻。而且，隨著時(shí)代進(jìn)步與信息發(fā)展，很多本科生已開始進(jìn)入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐或者科研工作中，此時(shí)的課程內(nèi)教學(xué)所帶來(lái)的知識(shí)儲(chǔ)備是不足夠的，缺少一定的軟件操作能力。到了研究生階段，科研實(shí)驗(yàn)需要快速的實(shí)驗(yàn)分析與處理，理論課時(shí)要少很多，通常通過(guò)定點(diǎn)學(xué)習(xí)來(lái)及時(shí)補(bǔ)充。但是此時(shí)的問(wèn)題是，如果前期沒(méi)有相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，很容易錯(cuò)失一些很好的方法。因此，該門課程是非常適合于課程教學(xué)改革的試點(diǎn)對(duì)象。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的課程特點(diǎn)

(一)課程使用面廣，實(shí)用性強(qiáng)

在目前的大數(shù)據(jù)環(huán)境下，很多信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等能夠直接獲取。在這種情況下，需要對(duì)信息有足夠的敏感性，明確信息與目標(biāo)間的影響關(guān)系是很重要的。對(duì)于科學(xué)研究，該門課程對(duì)于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，全面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明晰的方向。實(shí)際情況下，由于很多因素的影響是無(wú)法測(cè)試，考慮的因素通常是能夠設(shè)計(jì)控制的小部分，因而全面實(shí)驗(yàn)的次數(shù)不多。同時(shí)由于很多科研實(shí)驗(yàn)可參考的經(jīng)驗(yàn)有限，甚至是空白，從謹(jǐn)慎分析的角度考慮，科研實(shí)驗(yàn)較多是開展控制變量的測(cè)試。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析，也是重點(diǎn)考察單因素的影響。這樣，因素對(duì)結(jié)果的影響顯著程度和因素間的交互作用不能得到分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程在這方面有明顯優(yōu)勢(shì)。不僅可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)在結(jié)果分析上有數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)知識(shí)作為支撐，能夠區(qū)分因素和隨機(jī)誤差的影響，分析因素的影響顯著程度，以及因素同時(shí)變化時(shí)產(chǎn)生的影響。對(duì)于工程工作人員，該門課程的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和因素影響分析能夠強(qiáng)化信息提取，分析因果影響，提升工作效率。

(二)理論知識(shí)要求高，難點(diǎn)多

該門課程涉及的相關(guān)概念和方法主要以數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)要求高。例如，對(duì)于間接變量的誤差分析，涉及到誤差傳遞的分析，這部分內(nèi)容要求對(duì)變量做全微分的展開。隨機(jī)誤差的傳遞還需要考慮測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。對(duì)于結(jié)果的表達(dá)，需要理解是一定概率條件下的值或者范圍。其中，方差分析是需要重點(diǎn)理解的內(nèi)容。通過(guò)方差分析，利用偏差平方和的加和性，區(qū)分因素、交互作用以及隨機(jī)誤差的影響。因而，可以在各種因素交叉綜合作用下，確定哪些因素對(duì)結(jié)果的影響明顯，因素間是否存在交互作用，以及實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)化條件。利用正交表設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)，能夠兼顧全面實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單比較法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)代表性較強(qiáng)的少數(shù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來(lái)求得最優(yōu)或較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件。正交表是根據(jù)數(shù)學(xué)原理制作出來(lái)的規(guī)范化的表格，其優(yōu)勢(shì)不僅表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，同時(shí)在結(jié)果的分析處理上能夠得到更多更可靠的信息。

(三)內(nèi)容交叉多

該門課程的基本概念和方法以數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)為基礎(chǔ)，其應(yīng)用會(huì)涉及到具體的方法設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析過(guò)程。例如，對(duì)于某個(gè)間接測(cè)量指標(biāo)的誤差分析，考慮涉及的學(xué)科內(nèi)容，需要了解具體的測(cè)試過(guò)程，根據(jù)直接測(cè)量因素的誤差，由誤差傳導(dǎo)公式進(jìn)行誤差分析。這個(gè)過(guò)程涉及到專業(yè)對(duì)象的具體處理方法，數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)于有限數(shù)據(jù)的分析處理，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析?？梢钥吹?，對(duì)于一個(gè)具體問(wèn)題，將涉及至少3門學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容，這對(duì)于知識(shí)的接受和理解都存在一定的難度與考驗(yàn)。

二、課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

(一)實(shí)踐教學(xué)比例少

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程主要內(nèi)容包括誤差理論和有限數(shù)據(jù)的處理，重點(diǎn)講解方差分析方法，實(shí)驗(yàn)方法有正交實(shí)驗(yàn)，多因素序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和隨機(jī)化區(qū)組等相當(dāng)多的理論內(nèi)容。對(duì)于很多理工科本科生來(lái)說(shuō)，在本課程的學(xué)習(xí)中，能學(xué)習(xí)到不少的數(shù)學(xué)原理和方法，但是很多是處于純理論階段。在面對(duì)具體需要解決的問(wèn)題時(shí)，又感到無(wú)從下手。因此，要做到理論聯(lián)系實(shí)際，從解決問(wèn)題的角度出發(fā)，所需要的提升還是相當(dāng)大的。盡管在講課的過(guò)程中，都是先理論再實(shí)例，但是仍然收效甚微。教材中的例題多是專業(yè)以外的知識(shí)，對(duì)于本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)有一定的難度。

(二)學(xué)生的參與度低

經(jīng)過(guò)幾年的課程教學(xué)發(fā)現(xiàn)，盡管這是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，但是學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與參與度并不高，這與課程性質(zhì)有關(guān)。特別是基礎(chǔ)理論部分，主要從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)有限數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理以及方差分析，都是理論性很強(qiáng)的內(nèi)容，這類知識(shí)讓很多學(xué)生產(chǎn)生了畏難的情緒。而且，課程涉及的很多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其使用條件以及優(yōu)缺點(diǎn)的理解也尤為重要。學(xué)生如果對(duì)這些內(nèi)容理解不透，容易引起概念模糊，在具體應(yīng)用時(shí)更是無(wú)從下手。

(三)課程專業(yè)關(guān)聯(lián)性不足

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程是以專業(yè)知識(shí)為應(yīng)用背景，從數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論出發(fā)的一門實(shí)用學(xué)科。具體理論是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合不同的條件。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可為分析和解決熱工一般問(wèn)題打下必要的基礎(chǔ)。使學(xué)生獲得有關(guān)熱工數(shù)據(jù)分析與處理的基本知識(shí)，并具備一定的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用等內(nèi)容。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可達(dá)到：1．掌握誤差和數(shù)據(jù)處理的理論及方法；2．掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)應(yīng)用的方法；3．掌握計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用的方法。由于目前課程關(guān)聯(lián)性不足，以上目標(biāo)并未達(dá)到，需要進(jìn)行教學(xué)改革提升。

三、 課程多元協(xié)同教學(xué)改革實(shí)踐

(一)與專業(yè)課程交叉

為了提升課程學(xué)習(xí)的興趣，需要學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。這就要求，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析的同時(shí)，能夠結(jié)合專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)課程的交叉結(jié)合。在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析前，學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)本專業(yè)的基礎(chǔ)課程，即將進(jìn)入專業(yè)實(shí)驗(yàn)的階段。此時(shí)，課堂教學(xué)中，適當(dāng)增加專業(yè)實(shí)驗(yàn)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)例，可以實(shí)現(xiàn)與專業(yè)課程的交叉，強(qiáng)化兩者的結(jié)合。以穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)為例，通常涉及到參考材料與待測(cè)材料兩種測(cè)溫對(duì)象。為了保證導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的精確度，需要多點(diǎn)測(cè)溫，以校核穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱流。通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例能夠讓學(xué)生清楚理解溫度測(cè)點(diǎn)布置需要考慮的內(nèi)容。

(二)理論與實(shí)踐融合

要使學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法和理論，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化和建立數(shù)學(xué)模型，提高其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在教學(xué)中，應(yīng)讓學(xué)生熟悉幾種常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠熟練使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析。掌握幾種常用的數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，能夠熟練運(yùn)用Excel，Origin，Tecplot以及SPSS軟件中各相關(guān)工具包或模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和結(jié)果的正確解讀，了解幾種常用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件。

(三)實(shí)例設(shè)計(jì)與分析訓(xùn)練

以問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)結(jié)合教師的科研工作進(jìn)行專業(yè)相關(guān)的實(shí)例教學(xué)，加強(qiáng)課堂互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂學(xué)習(xí)效果。鼓勵(lì)學(xué)生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練，提升分析解決問(wèn)題的能力。例如，主成分分析和聚類分析對(duì)于對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分類，將問(wèn)題簡(jiǎn)單化，是一種很實(shí)用且應(yīng)用面很廣的方法。將這些方法進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)與分析，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。另外，給定科研實(shí)驗(yàn)實(shí)例，讓學(xué)生自主尋找實(shí)驗(yàn)的因素和水平，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等，這對(duì)于學(xué)習(xí)的訓(xùn)練將是很有效果的。

(四)多元實(shí)踐教學(xué)

結(jié)合多媒體技術(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)的軟件實(shí)例操作，強(qiáng)化課堂教學(xué)的多元化實(shí)踐。目前流行的數(shù)據(jù)處理軟件的操作界面都很人性化，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單易學(xué)。學(xué)校也能提供相應(yīng)的多媒體學(xué)習(xí)條件，對(duì)于這類實(shí)用型的課程教學(xué)是相當(dāng)有益的。同時(shí)，通過(guò)課堂師生間的互動(dòng)學(xué)習(xí)，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)，活躍課堂氣氛。教師講解的實(shí)例以自己的科研實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在實(shí)例設(shè)計(jì)和分析上進(jìn)行多元實(shí)踐教學(xué)，能夠達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的效果。