《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)改革與探索*

齊鐵月，安山龍

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,燃煤電站煙氣多污染物協(xié)同控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是為化工、環(huán)境、材料相關(guān)專業(yè)高年級(jí)開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課。主要論述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和方案設(shè)計(jì)方法，是數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本原理在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。課程利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理分析，提升學(xué)生對(duì)于特定問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案并分析的能力，旨在培養(yǎng)化工環(huán)保領(lǐng)域高質(zhì)量的綜合型人才，為以后走上工作崗位從事科研和生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。

1 《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程開(kāi)設(shè)改革必要性

隨著我國(guó)教育的快速發(fā)展，大學(xué)生的數(shù)量也越來(lái)越多。在新的時(shí)期背景下，我國(guó)對(duì)于高等人才提出了更高的要求，要把高等人才由原先只重視數(shù)量和規(guī)模，到現(xiàn)在提出了更加重視人才的人才質(zhì)量建設(shè)?！秾?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是一門科學(xué)有效地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并正確合理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到最優(yōu)方案的一門課程。而科學(xué)設(shè)計(jì)方案和處理分析數(shù)據(jù)是科研工作者和化工類高級(jí)技術(shù)人才必須具備的一項(xiàng)技能，本門課程雖是一門專業(yè)選修課，卻在實(shí)際工作中發(fā)揮重要的作用。

黨的十八大、十九大報(bào)告分別指出“著力提高教育質(zhì)量，推動(dòng)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”和“加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”[1-3]。可見(jiàn)，內(nèi)涵發(fā)展即質(zhì)量建設(shè)是我國(guó)高等教育今后的發(fā)展道路與發(fā)展模式。而高校本科生課程中基于學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)際問(wèn)題處理能力、科學(xué)素養(yǎng)等的培養(yǎng)對(duì)于人才質(zhì)量建設(shè)至關(guān)重要?！秾?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程通過(guò)講述科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，使學(xué)生熟練設(shè)計(jì)和制定合適的實(shí)驗(yàn)方案，利用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，減少試驗(yàn)誤差，從而得出正確的結(jié)論。目前，我們采用的教材是化學(xué)工業(yè)出版社劉振學(xué)老師出版的《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》第二版，包括誤差和數(shù)據(jù)處理、有限數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理、方差分析、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、多因素序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)、回歸分析與聚類分析初步、大型統(tǒng)計(jì)軟件SPSS簡(jiǎn)介等共十二章節(jié)。其中，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論授課部分覆蓋前九章內(nèi)容，而相關(guān)實(shí)用性軟件實(shí)操課程僅有一個(gè)章節(jié)。由于該門課程以往主要以知識(shí)傳授為主，迫切需要融合創(chuàng)新元素，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，開(kāi)展教學(xué)方式方法的改革與創(chuàng)新，為高質(zhì)量人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2 人才培養(yǎng)-教學(xué)改革

2.1 案例式教學(xué)

長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，高等教育人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)與社會(huì)需求契合度不夠，產(chǎn)教融合、科教融合的體制機(jī)制尚不健全。伴隨著大學(xué)越來(lái)越走進(jìn)社會(huì)的中心，必須提升服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的意識(shí)和能力，加快科技成果轉(zhuǎn)化的力度，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的思想、技術(shù)和人才支撐。新的時(shí)代背景下，單純理論教學(xué)已經(jīng)難以滿足高校畢業(yè)生與社會(huì)融合的真實(shí)需求。因此，針對(duì)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程迫切需要結(jié)合專業(yè)特色，以實(shí)際發(fā)生的案例進(jìn)行分析，例如，氣態(tài)污染物SO2/NOx/CO等日常監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)異常值剔除、水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、燃煤電廠脫硫廢水COD[4]指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度判斷、某特定催化劑制備工藝篩選正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。采用案例式教學(xué)，課程融入實(shí)際，使學(xué)生充分理解本專業(yè)與本門課程的緊密關(guān)聯(lián)程度，深入體會(huì)課程在今后工作與科研中的應(yīng)用價(jià)值，為學(xué)生今后直接就業(yè)或研究生階段提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 授課-實(shí)驗(yàn)-上機(jī)串聯(lián)授課

《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是一門以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，依據(jù)誤差理論、統(tǒng)計(jì)假設(shè)、方差分析、正交設(shè)計(jì)等原理指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)化的課程。該門課程三分之二學(xué)時(shí)為課堂理論授課，其余三分之一為上機(jī)課時(shí)，并未涉及實(shí)驗(yàn)課時(shí)，導(dǎo)致學(xué)生難以深刻理解理論對(duì)于實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐過(guò)程的指導(dǎo)意義，難以起到本門課程的真正作用，需要探索“課堂授課+實(shí)驗(yàn)操作+上機(jī)軟件分析”的新型授課方式。任課教師可以在課堂授課環(huán)節(jié)將統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)處理方法章節(jié)先行講述完畢，然后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生能夠結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及檢驗(yàn)；隨后開(kāi)展上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖作簡(jiǎn)要分析，并采用Excel或origin等數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)假設(shè)性檢驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)方法的可行性。以本科常規(guī)實(shí)驗(yàn)-大氣顆粒物PM2.5、PM10、TSP[5-6]測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可利用某指標(biāo)的多次監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析數(shù)據(jù)離群值和樣本均值，并參照當(dāng)天環(huán)境監(jiān)測(cè)站公布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，判斷自己的監(jiān)測(cè)方法是否存在較大的系統(tǒng)誤差；并且，可利用同一名學(xué)生基于不同測(cè)定方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行平均值檢驗(yàn)，判斷兩種測(cè)定方法是否存在顯著性差異。以污水處理實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)添加絮凝劑、沉淀劑或其他特定方法處理某工廠排放污水，依據(jù)處理前后的污水有害物質(zhì)含量，進(jìn)行不同時(shí)間間隔多次抽樣檢測(cè)，計(jì)算處理前后各時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)水樣處理前后污染物質(zhì)濃度差值的均值及差值標(biāo)準(zhǔn)差，從而進(jìn)行假設(shè)性檢驗(yàn)，判斷該污水處理方法是否有效。諸如此類，學(xué)生可以將課程所學(xué)數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果串聯(lián)起來(lái)，并采用合適的軟件繪制數(shù)據(jù)圖，作出相應(yīng)分析，有助于學(xué)生充分理解本門課程的實(shí)用性。

2.3 多樣化授課模式

《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》的課堂授課部分絕大部分與統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論和方法相關(guān)，導(dǎo)致該門課程課堂講述環(huán)節(jié)難免枯燥乏味，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，需要任課教師充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，多維度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用大學(xué)生常用的應(yīng)用搜索與課程相關(guān)的文件，例如，善用當(dāng)下大學(xué)生流行元素，將相關(guān)元素嵌入PPT課件制作，使課堂授課更加生動(dòng)有趣，活躍課堂氣氛，抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，提升學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的掌握力。同時(shí)，可以利用大學(xué)生常用的網(wǎng)站搜索案例相關(guān)視頻、origin操作實(shí)用教程、以及origin/SPSS等軟件[7]下載，結(jié)合當(dāng)下化工環(huán)保領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題與學(xué)生分享，補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容。授課教師可以結(jié)合自身科研背景，提出幾個(gè)簡(jiǎn)單的科學(xué)問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，依據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終繪制數(shù)據(jù)圖并做科學(xué)分析。采用這些新興的授課方式可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，結(jié)合自身基礎(chǔ)知識(shí)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以幫助學(xué)生盡早了解科學(xué)研究的整體流程。

2.4 研究型軟件輔助教學(xué)

由于本門課程涉及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，普通計(jì)算器難以滿足計(jì)算需要，需要借助Excel、Origin、SPSS等專業(yè)軟件，通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理模塊，如圖1所示，進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差等計(jì)算，Grubbs檢驗(yàn)、t-檢驗(yàn)和F-檢驗(yàn)[8]以及一系列科學(xué)繪圖。授課教師在課堂授課中，有必要演示上述軟件的簡(jiǎn)單操作，并在上機(jī)課時(shí)中親自指導(dǎo)，提高學(xué)生對(duì)軟件的掌握程度。這些軟件的使用不僅在《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程中極為重要，在研究生階段重要性更為突出，例如：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖/柱狀圖/扇形圖/點(diǎn)圖/線圖繪制、分光光度計(jì)吸光度與樣品濃度數(shù)據(jù)的線性/非線性回歸分析、X-射線光電子能譜結(jié)果分峰擬合、污染物吸附等溫線/吸附動(dòng)力學(xué)擬合、正交試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)曲面繪制及主次影響因素分析等。將研究型軟件的使用融入課堂教學(xué)，豐富課堂環(huán)節(jié)，有助于提升學(xué)生的動(dòng)手能力，能夠滿足學(xué)生簡(jiǎn)單的科學(xué)數(shù)據(jù)制圖需要，同時(shí)鍛煉學(xué)生的科研思維。

圖1 Microsoft Excel 數(shù)據(jù)分析模塊

2.5 本科-研究生課程有效銜接

一般來(lái)講，本科生課程注重專業(yè)知識(shí)概念的講授，使學(xué)生儲(chǔ)備更多更廣泛的基礎(chǔ)知識(shí)，涉及知識(shí)面廣而不專，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將各類知識(shí)系統(tǒng)性銜接，致使學(xué)生真正進(jìn)入工作或者從事科研時(shí)無(wú)法依據(jù)所學(xué)知識(shí)迅速的指導(dǎo)某特定實(shí)驗(yàn)過(guò)程。而研究生階段，一般默認(rèn)學(xué)生已經(jīng)掌握了系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)，能夠依據(jù)掌握的研究方法開(kāi)展創(chuàng)新性研究，而事實(shí)恰恰相反，一些學(xué)生進(jìn)入研究生階段后無(wú)所適從，難以把所學(xué)知識(shí)點(diǎn)快速應(yīng)用于科研研究中。對(duì)于《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程，本科階段已經(jīng)講述了如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，如何利用正交法指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析，而部分研究生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及繪制結(jié)果圖表等過(guò)程仍存在一定的困難，導(dǎo)致短期內(nèi)學(xué)習(xí)效率較低，需重新學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理的方法及過(guò)程，難以鍛煉其獨(dú)立從事科學(xué)研究的能力。如何消除本科階段

與研究生階段的斷層并使之有效銜接，對(duì)于研究生階段學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)換及創(chuàng)新科研思維培養(yǎng)至關(guān)重要。

《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程需要在課堂授課、實(shí)驗(yàn)以及上機(jī)課程中著重培養(yǎng)學(xué)生把理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和繪圖數(shù)據(jù)分析融會(huì)貫通的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。此外，本課程中的許多數(shù)值如樣本均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差等的計(jì)算極為重要，是研究生階段處理分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，例如根據(jù)某三次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制帶誤差棒的數(shù)據(jù)圖；而正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣也是研究生期間最為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)不同影響因素和各因素下不同水平來(lái)制定相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案，極大縮減實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可以幫助研究生多快好省的進(jìn)行科學(xué)研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是一門理論聯(lián)系實(shí)際且實(shí)用性很強(qiáng)的課程，兼顧嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)和科學(xué)的數(shù)據(jù)處理，極大提升從事科學(xué)研究、優(yōu)化工藝的工作效率。通過(guò)課程教學(xué)方式的深化改革，有助于激活學(xué)生創(chuàng)新性思維，鍛煉科學(xué)研究思維模式，提升獨(dú)立從事研究工作的能力，為化工環(huán)保領(lǐng)域培養(yǎng)高質(zhì)量的復(fù)合型人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。