新工科背景下化工專業(yè)“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”教學(xué)改革與實踐

黨 丹 劉文舉 申艷敏

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 鄭州 450001)

教育部自2017年起連發(fā)多項通知,目的是應(yīng)對新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn),培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才,改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè),滿足產(chǎn)業(yè)需求,面向未來發(fā)展,服務(wù)“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家重大戰(zhàn)略,在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的基礎(chǔ)上,對工程科技人才提出了更高要求,工科類院校迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新[1,2]。同時在教育教學(xué)質(zhì)量方面提出了開展多維度的教育教學(xué)質(zhì)量評價的要求?！皩嶒炘O(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程作為一門工程科技人才必須掌握的工具課,在工科類高校培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才中發(fā)揮著重要作用,不斷發(fā)展和創(chuàng)新該課程的教學(xué)體系,對新工科人才全面能力的培養(yǎng)意義重大。

“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程是基于自然科學(xué)研究方法論領(lǐng)域的通用技術(shù),是國內(nèi)外許多大學(xué)化工、機(jī)械、食品、醫(yī)藥等專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是能夠在化工研究、化工設(shè)計、化工計算等工作中開發(fā)或選用合適的儀器裝備、信息資源、化工模擬軟件等現(xiàn)代工具協(xié)助解決復(fù)雜工程問題,并能夠理解這些現(xiàn)代工具的局限性。通過學(xué)習(xí)本課程,學(xué)生能夠掌握科學(xué)的方法去設(shè)計實驗、處理數(shù)據(jù)、預(yù)測結(jié)果、優(yōu)化方案,利用所學(xué)方法對專業(yè)實驗和畢設(shè)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析、建立模型,并能在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+、學(xué)科競賽等比賽中熟練運用,逐漸增強(qiáng)科研創(chuàng)新能力和技術(shù)應(yīng)用能力。該課程的特點是公式多、計算量大、知識點多、邏輯性強(qiáng)、計算機(jī)軟件運用多等,以數(shù)理統(tǒng)計和概率論為基礎(chǔ),內(nèi)容多且枯燥,課時較少。以我校化工專業(yè)為例,“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”理論教學(xué)僅為10學(xué)時,上機(jī)實踐僅為8課時。如何在課時少、內(nèi)容多的條件下培養(yǎng)學(xué)生熟練應(yīng)用這門工具課,提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力和工程思維能力,是該課程教學(xué)改革需要解決的主要問題。

1 教學(xué)中存在的問題

1.1 教學(xué)理念

以往的教學(xué)中,過多關(guān)注學(xué)生的考試及格率,缺乏對學(xué)生主體性的認(rèn)識,對學(xué)生興趣及主動性重視不夠,缺乏對教學(xué)行為的反思。教學(xué)內(nèi)容僅限于課本上的案例分析,多學(xué)科交叉融合的理念不夠深入,導(dǎo)致學(xué)生處理實際問題的能力得不到提升。

1.2 教學(xué)模式

教學(xué)模式相對單一,主要采用傳統(tǒng)的教師傳遞-學(xué)生接受式,教師直接控制教學(xué)過程,學(xué)生處于被動接受狀態(tài)。盡管這種模式能夠在較短時間內(nèi)快速傳遞給學(xué)生較多的內(nèi)容,但學(xué)生吸收消化的知識有限,且不能與教師產(chǎn)生良好互動,難以達(dá)到預(yù)期效果。

1.3 教學(xué)方法

由于課時少,教學(xué)方法通常采用講授法,教師通過采用PPT課件講解基本概念、推導(dǎo)過程、例題分析等進(jìn)行教學(xué),速度較快,效率較高。但這種方法的弊端也很明顯,由于本門課程的內(nèi)容較多且枯燥,學(xué)生容易走神,甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒。多樣化教學(xué)改革是提高教學(xué)效率和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的必要途徑。

1.4 課程評價

目前的課程評價主體較為單一,主要由平時作業(yè)(30%)和期末考試成績(70%)組成。這種評價方式只能看到學(xué)生解決問題的結(jié)論,而沒有重視學(xué)生得出結(jié)論的過程,難以全面評價學(xué)生的能力提升情況。

2 課程設(shè)計

2.1 課程目標(biāo)設(shè)計

2.1.1 知識目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計實驗,并結(jié)合學(xué)科特點對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和處理的能力。學(xué)生能夠理解實驗設(shè)計的科學(xué)原理,掌握正交試驗設(shè)計方法,以及對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。具體來說,掌握實驗誤差來源、分類和誤差分析方法,能對實驗中存在的各種誤差進(jìn)行分類討論,并了解減少各類誤差的不同方法;掌握單因素、雙因素?zé)o重復(fù)和雙因素重復(fù)實驗結(jié)果的方差分析步驟;掌握最小二乘法對實驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析的方法,建立模型,并對模型進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)檢驗,判斷影響因素主次順序,并能利用模型對同類實驗進(jìn)行預(yù)測,指導(dǎo)具體方案的實施;掌握正交試驗設(shè)計的數(shù)學(xué)原理和多因素實驗的正交試驗設(shè)計,能利用直觀分析法確定單指標(biāo)和多指標(biāo)實驗的優(yōu)選方案;熟練掌握實驗設(shè)計的基本原理和方法,能根據(jù)實際情況,獨立設(shè)計正交試驗并分析實驗結(jié)果;能夠熟練使用Excel、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件對實際案例進(jìn)行分析和判斷。

2.1.2 能力目標(biāo)

通過課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠利用所學(xué)知識對專業(yè)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,靈活融合不同學(xué)科的知識,并能夠在畢業(yè)設(shè)計實驗中根據(jù)導(dǎo)師要求進(jìn)行實驗方案的設(shè)計和數(shù)據(jù)處理;能夠在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+等比賽中,熟練運用所學(xué)知識完成比賽,具備團(tuán)隊協(xié)作和實踐創(chuàng)新能力;增強(qiáng)學(xué)生邏輯思維、創(chuàng)造思維、批判性思維和系統(tǒng)思維能力。

2.1.3 素質(zhì)目標(biāo)

使學(xué)生在化工專業(yè)的學(xué)習(xí)中能夠具備專業(yè)素養(yǎng),包括科學(xué)思維方法、科學(xué)研究方法、開拓創(chuàng)新意識和工程思維能力。

2.1.4 價值塑造

課程的教學(xué)將加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)責(zé)任感和使命感,強(qiáng)化學(xué)生的工程倫理和職業(yè)道德教育;培養(yǎng)學(xué)生正確的“三觀”、踏實務(wù)實的專業(yè)精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、精益求精的大國工匠精神和科技創(chuàng)新精神。

2.2 課程內(nèi)容設(shè)計

按照化工專業(yè)“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”大綱要求設(shè)計,見表1。

表1 教學(xué)大綱內(nèi)容及學(xué)時分配

2.3 課程思政設(shè)計

在教學(xué)過程中通過隱形滲透式、專題嵌入式和延伸學(xué)習(xí)式等方法,將教學(xué)內(nèi)容與課程思政進(jìn)行融合,加強(qiáng)學(xué)生的工程倫理教育,培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神,激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)[3-5]。例如,在本課程的發(fā)展歷史中,我國數(shù)學(xué)家王元和方開泰首先提出了均勻設(shè)計,使得能用較少的實驗點獲得最多的信息,極大降低了時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。激勵學(xué)生提升創(chuàng)新能力,培養(yǎng)專業(yè)自信心和愛國情懷。在學(xué)習(xí)實驗誤差時,給同學(xué)們介紹在化工生產(chǎn)過程中由于個人操作失誤導(dǎo)致的生產(chǎn)事故,提醒學(xué)生要加強(qiáng)求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度,生產(chǎn)過程無小事,強(qiáng)化安全生產(chǎn)意識。在講授正交試驗設(shè)計時,鼓勵學(xué)生采用科學(xué)方法,敢于創(chuàng)新,以最省的成本投入獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。引導(dǎo)學(xué)生在工程實踐中挖掘影響性能的因素,對影響因素進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn),培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神。

2.4 教學(xué)方法設(shè)計

不同于以往以教師為主體的講授方式,該課程采用以學(xué)生為主體,采用自學(xué)-輔導(dǎo)式、引導(dǎo)-啟發(fā)式、情境-陶冶式、小組討論式、團(tuán)隊協(xié)作式等方法充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在上課前,將一些艱澀難懂的基本概念以微課的形式放到超星學(xué)習(xí)通上,設(shè)置任務(wù)點,讓學(xué)生提前自學(xué)相關(guān)內(nèi)容,上課時隨機(jī)提問同學(xué),根據(jù)預(yù)習(xí)效果調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。以實際案例為切入點,引導(dǎo)學(xué)生自主思考,根據(jù)學(xué)生的互動情況,啟發(fā)進(jìn)一步思考和總結(jié)。例如,在學(xué)習(xí)回歸分析時,用化工生產(chǎn)中常見的合成氨過程,引導(dǎo)學(xué)生思考影響轉(zhuǎn)化率的主要因素有哪些?溫度和壓力是如何影響轉(zhuǎn)化率的?對回歸模型如何進(jìn)行方差分析?通過啟發(fā)式提問,逐步引導(dǎo)學(xué)生思考回歸分析的完整步驟。在大作業(yè)環(huán)節(jié),要求學(xué)生分組完成,使用以往做過的專業(yè)實驗數(shù)據(jù),采用正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在翻轉(zhuǎn)課堂上分享團(tuán)隊合作成果,提升學(xué)生的成就感,增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動性。

2.5 教學(xué)手段設(shè)計

借助多媒體播放PPT、原理動畫和傳統(tǒng)板書有機(jī)結(jié)合,并在智慧課堂上進(jìn)行Excel、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件的操作演示,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。利用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂、QQ學(xué)習(xí)討論群等進(jìn)行線上自學(xué)、提交作業(yè)、簽到、測驗和答疑等手段,全方位幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容,拓展學(xué)習(xí)能力。針對學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+等比賽中遇到的問題,采用專題討論的方式,與同學(xué)們一起探索討論,提高學(xué)生解決實際問題的能力。

2.6 課程考核設(shè)計

提高平時成績和大作業(yè)的比例,降低理論考試成績占比,其中,平時作業(yè)20%、課堂討論10%、大作業(yè)20%、期末考試50%。加強(qiáng)過程考核,全面系統(tǒng)地考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,提高學(xué)生的綜合素質(zhì),鼓勵學(xué)生合理分配課程的學(xué)習(xí)時間。

3 改革成效

通過以上幾點教學(xué)實踐,在教學(xué)資源上完成了線上線下混合教學(xué)資料庫的籌備,形成了微課、實際案例、專題討論等教學(xué)資源體系,使課程教學(xué)內(nèi)容更加豐富,化工專業(yè)學(xué)科融合性更強(qiáng),實現(xiàn)了化工專業(yè)中該課程的教學(xué)目的。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有了極大提升,對化工專業(yè)其他學(xué)科的學(xué)習(xí)有了更深入的認(rèn)識,真正掌握了這門工具課。教師通過不斷創(chuàng)新和總結(jié),教學(xué)能力和指導(dǎo)能力有了顯著提升,能夠?qū)⑿录夹g(shù)、新成果有效地融入教學(xué)過程,真正實現(xiàn)了師生共同成長的愿景。

4 結(jié)語

在新工科背景下對化工專業(yè)“實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”的教學(xué)改革探索,提高了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣,加強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,提升了學(xué)生的工程實踐能力。同時,使學(xué)生意識到新工科中的學(xué)科交叉、科教融合的教育理念,培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維和創(chuàng)新意識,達(dá)到了本課程改革的教學(xué)效果。