实验设计与数据处理课程的教学改革探讨

卢素红 范峥 黄风林 唐璇 牛梦龙

[摘 要]本文针对实验设计与数据处理课程的现状与存在问题进行了分析，从教学实施过程中的教学内容、教学思想、教学方法、实践性环节及考核方式等方面进行了教学探讨。

[关键词]实验设计与数据处理；教学方法；教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0042-03

实验设计与数据处理是关于实验设计以及实验数据处理的课程。本课程旨在培养学生合理设计实验，并对实验数据进行科学分析和处理的技能，最终达到提高学生分析问题和解决问题的能力（如确定最优工艺条件或配方，对产品性能进行优化，对产品质量、环境质量做出评价等）的目的。本课程具有理论性强、涉及面广、实践性要求高等特点，它以概率理论、数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，不仅要求培养学生的理论思维方式，更注重培养学生认识与解决工业实际问题的能力，是一门理论性与应用性并重的课程[1][2][3]。教师如何讲好实验设计与数据处理课程，使学生更好地掌握理论知识，并应用到实践中，是本课程需要关注的问题。

本校的化学工程与工艺、能源化学工程、环境工程等专业都开设了实验设计与数据处理课程，学生们利用本课程所学的知识点很好的解决了专业实验和毕业论文中遇到的问题，取得了良好的教学效果。笔者结合本校实际教学情况，在教学过程中不断对教学大纲和教学方法进行改进和完善，转变教学观念，改革教学方法，以“学生”为核心，引导学生掌握本课程理论知识，培养学生自主学习能力，使学生最终能够灵活运用所学理论知识解决实际问题。通过教学方法和教学手段的改革，做好本校实验设计与数据处理课程的教学工作，以培养能解决实际问题的应用型人才。

一、合理组织教学内容，优化内容体系

实验设计与数据处理课程只有24学时。本课程涉及的计算公式较多，课程比较抽象，需要用微积分、统计学等数学知识来计算，计算过程比较复杂，在如此有限的时间内，要教好这门课程非常困难。为了降低学习难度，突出学习内容的实用性，需要对教学内容进行精心设置。

本课程的教学内容主要分为两大部分，一是实验设计，二是数据处理。其中实验设计方法主要包括优选法、正交实验设计、均匀设计、配方设计等；数据处理方法主要包括误差分析、表图表示方法、方差分析、回归分析等。在课程的结构层次上，使学生全面把握本课程的知识体系，区分各种实验设计方法和数据处理方法之间的区别和联系，理解本课程的基本理论知识，能够灵活应用基本理论解决实际问题，在应用中加深对理论知识的理解，做到理论知识与应用相互贯通，使学生在学习公式时不觉得枯燥，在应用时又有理论指导。如：正交实验设计和均匀设计是非常相似的实验设计，都需要借助经验表来安排实验，不同之处是均匀设计不考虑试验点的“整齐可比”，只考虑“均匀分散”，并需要引出相关的例子进行讲解。

我校化学工程与工艺、能源化学工程和环境工程专业使用的教材是化学工业出版社李云雁主编的《试验设计与数据处理》[4]，该书涵盖了我们要选择的内容，难度适宜，实用性强，每一章内容都用一定的篇幅介绍常用的数据处理工具Excel的应用。教材满足了各知识点的介紹，并且引入了计算机最新数据处理软件，在数据分析时提高了工作效率，有利于培养学生快速解决实际问题的能力。如对单因素试验进行方差分析时，需要计算出平均值、离差平方和、自由度、均方、F值，然后查F分布表，进行比较，得出结论，如果采用计算器计算，由于传递性误差导致结果准确度较低，并且计算量大。而采用Excel中分析工具库的“方差分析：单因素分析”，只需输入数据，选择所需要的选项，即可立刻得到方差分析表，误差小并且计算速度快。在学习实验设计方法中，掌握各个方法的使用范围，更能快速的采用合适方法来安排实验方案，确定最优方案。如，优选法适用于实验指标与因素间无法用数学形式表达或者表达式很复杂；正交实验设计适用于多因素的实验，因素的水平数较少时；均匀设计适用于实验因素变化范围较大，需要取较多水平时；配方实验设计适用于因素是配比（百分比、百分率等）时，因素一般是不独立的。

在数据处理过程中，涉及大量的数学理论公式和原理推导等，学生很难在有限的课时中深刻掌握其全部内容，更难以应用本课程的理论知识来解决实际问题。因此，每个知识点没必要都做到详细讲解，而是重点讲解数据处理和实验设计方法，并结合本专业相近的典型例子进行讲解，强调数据处理方法在实际生产中的应用，激发学生的学习兴趣，加深他们对数学处理方法的理解。如：利用正交实验设计原理对超滤处理高浊度原水系统运行的四个操作参数（浓缩口压力、进水口压力、运行时间、原水浊度）进行实验研究，找到较优的操作条件。

二、调整教学思想，改变教学手段

教学的目的是学以致用，如果脱离了在实践中的应用，也就背离了教学的最终目的。实践教学发现，学生认为原理公式太多，用处不大，课本上的习题虽然能够解答，但是应用原理知识灵活解决实际问题方面仍不知所措，主要原因是教材的理论知识与实际应用脱节。为了将学科的前沿知识和最新的科研成果融入课堂教学中，教师应该在图书馆或网上广泛搜集相关资料，以文献的形式穿插到教学体系。实例可选自各类教材、网络资源、期刊论文、学生实验及论文等。以经典的方差分析、回归分析、正交实验设计、均匀设计为基础，逐渐增加一些相关科研论文的讲解。例如，2017年第4期《安阳工学院学报》刊出的“方差分析在汽车主观评价中的应用”、2016年第9期《广西植物》刊出的“油棕鲜果穗产量构成因素的相关性和回归分析”、2017年第5期《中国现代中药》刊出的“正交试验设计筛选黄连总生物碱的提取纯化工艺研究”、2017年第17期《食品研究与开发》刊出的“均匀设计法优化超临界CO2萃取丁香精油工艺研究”。

在讲授基本概念时，可采用启发式教学。先提出解决问题的客观需要，再进行讲解概念的准确定义，并引入相关实例或例题加以讲解。通过老师的有效引导，促进师生互动讨论，激发学生主动思考和探索方法的兴趣，进而积极参与学习。通过教师一步一步的暗示和提示，学生慢慢领悟其中的原理。每次讲完一个知识点，教师通过提出探索性的问题引导学生积极思考，寻求解决问题的方法。启发式教学方法，可以有效的提高学生的学习兴趣，通过例子可以使学生更加深刻的理解和掌握理论知识。比如，在学习回归正交实验设计时，向学生提出“如果要在某因素的实验范围内选择适当的实验点，该如何确定最优方案”这样的问题，引出回归正交实验设计。前面学习的正交设计的最优方案不是一定实验范围内的最优方案，只是限制在已定的水平上，具有局限性。回归正交实验设计可以在因素的实验范围内选择适当的实验点，用较少的实验点建立回归方程，更好的解决实验优化问题。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中明确指出：教育现代化，具体包括教育观念现代化、教育内容现代化、教育装备现代化、师资队伍现代化等。因此，在授课过程中，改变教学方法非常重要。制作的课件一定要易于理解，并注意知识点的输出与学生掌握能力的匹配，切忌内容太多，放映速度过快，导致学生应接不暇，思路难以跟上。公式推导应以板书为主，结合多媒体教学的优势，注重学生学习知识的惯性，追求深入浅出。整个教学过程中应始终以学生为本，时刻要考虑学生的接受能力。板书和多媒体要灵活运用，相互促进，最终达到学生对知识的深刻理解和掌握[5]。

三、改进教学方法，培养学生学习主动性

学生是学习的主体，如果在整个教学过程中，老师只注重教，不注意调动学生学习的积极主动性，学生将会觉得整个课程枯燥无味，进而失去了学习的快乐感，很难取得理想的教学效果。因此，应该时刻记住在整个教学过程中从学生的角度出发来改进教学方法，以学生为中心，设计和安排教学方法。

为达到更好的教学效果，应每节课利用十几分钟现堂布置一道练习题，并将结果计入考核成绩，在下次课时对上次布置的练习题做讲解。课堂练习的布置要具有针对性，能够反映本次课所学的重点内容。另外，习题的布置要能更好的帮助学生对课后习题进行解答，通过习题的练习更有利于学生对所学知识的掌握。同时，习题课可让学生自由上台发表意见，总结概括习题所反映的知识点，以发挥学生的积极性，调动学习主动性，活跃课堂气氛。学生之间充分讨论后，可由教师进行总结归纳，指出所用到的知识点，强调可能出错的地方及原因，讲解解题的关键，以此使学生对理论知识深入理解和熟悉掌握。例如，在学习“实验数据误差的统计检验”这一节内容时，随机误差和系统误差的检验方法容易混淆，可提醒学生只要掌握引起随机误差和系统误差的原因以及各个方法适用的条件就可以牢固掌握其检验方法。

将课程的网络化教学应用到本课程教学中，将其建成在线开放课程资源，并结合国内外相关优质课程资源实施翻转课堂、线上学习与线下课堂相结合的混合式教学模式，实现以学为主、课堂教学与课外教学相结合、结果评价与过程评价相结合。由于网络教学不受时间和空间的限制，有利于培养学生自我学习能力。同时，学生可以根据自己的學习进度提出问题，教师对学生提出的问题进行即时指导。

另外，可以尝试在教学过程中实施以教师为主导、以学生为主题的教学模式。教师根据课本各个知识点列出专题内容，让学生利用各种资源（图书馆及网络资源），查找相关的文献资料，并进行综合、归纳，最后完成撰写专题论文。老师在整个过程中引导学生快速查找相关文献资料，学习对文献资料进行筛选、分析和整理，精准获取相关知识，进而可以调动学生的积极性和主动性，激发学生的特长和潜能。学生用PPT讲解收集到的专题，并进行讨论。角色的转变可以提高学生学习本课程的兴趣和加深对知识点的理解，也锻炼了学生撰写专业论文的水平和语言表达能力，为以后的工作打下坚实的基础。

四、加强实践环节，培养能力

教学与科研是相互促进的，将科研与实验合理结合，对本课程教学质量的提高有很大好处。在教学过程中，教师可以从自己的科研中选取一部分内容比较新、与实际联系较紧密的成熟课题，让学生利用本课程所学的理论知识来设计实验和对试验结果进行处理，利用这种方法可以在一定程度上提高学生主动学习的积极性，激发学生的学习兴趣，进而开阔视野，取得较好的学习效果。另一方面，鼓励一些学习优秀的学生参与到教师的科研工作中，利用本课程的实验设计方法和数据处理方法进行一些科学研究[6]。这种教学模式可以引导学生灵活地运用理论知识去发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识，培养能力和锻炼思维。如，甲醛是室内重要的污染物之一，主要来自家具和装修材料，它是一种具有较高毒性的物种，长期接触低剂量的甲醛可引起呼吸道疾病、细胞核的基因突变、白血病等疾病，因此，选用催化剂来催化氧化甲醛，将其分解成CO2和H2O[7][8]，影响甲醛转化率的因素主要有反应温度、催化剂种类两个因素，每个因素的水平数为4，试用正交设计表来设计实验方案。这是一个典型的正交实验设计，并且与我们的日常生活紧密相连，这样可让同学们感受到学以致用的快感，从而加深对正交实验设计的理解，并灵活运用到实际中。

五、考核方式的改革

反馈教与学的有效途径是考试，选择合适的考试方式和方法将直接影响对教学质量和学生学习效果进行评价。完善的考核制度，不仅可以激励学生好好学习，还可以考察学生的学习成效，从而对教学成果做出客观的评价。传统的实验设计与数据处理的考核方式是闭卷考试，考题的内容涉及学生所学的理论和公式，考试的目的是了解学生对理论知识的理解和掌握情况，以及熟练运用程度。这就造成了学生为了考试而死记原理和公式，考试之后对各个知识点反而不会灵活的运用到平时的实验中。如，方差分析中求离差平方和的公式，这些公式已直接编码到程序中，因此，在考试过程中可以作为已知条件出现，考试内容应该着重体现学生解决问题的方法和思路，考查学生的应用能力。另外，可以让学生结合自己本专业所开设的实验课，运用本课程所学习的知识点来进行实验方案的设计和数据分析，该部分以课程论文的形式提交，同时占一定的考核分数。平时成绩由课堂提问、课堂分析和讨论等组成。考试成绩由试卷、平时成绩和课程论文组成，通过这些考核内容来考察学生的学习效果。

六、结论

实验设计与数据处理课程是一门实用性非常强的学科，同时也是一门与时俱进的学科。通过以上的教学改革和实践，可以有效地解决现阶段我校实验设计与数据处理教学过程常遇到的问题，使教师在缩短的课时里，激发学生学习本课程的积极主动性，灵活掌握本课程的学习方法，深刻理解本课程的理论知识，并较好的解决专业实验和毕业设计中遇到的问题，进而利于解决在今后工作中所遇到的问题，为培养实用型创新人才打下了很好的基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张素斌，刘燕芳.《试验设计与数据处理》课程的教学探讨[J].广东化工，2014（41）：120-122.

[2] 任永胜，段潇潇.大化工类研究生实验设计与数据处理课程教学实践与探索[J].广东化工，2012（1）：133-136.

[3] 吴学栋，胡芳.教学微案例设计及知识点萃取——以“实验设计与数据处理”双语课教学为例[J].黑龙江纺织，2016（3）：28-30.

[4] 李云雁，胡传荣.《试验设计与数据处理》（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2017.

[5] 符继红.多媒体在仪器分析教学中的应用[J].中国科技信息，2008（21）：264-267.

[6] 李元，李庆，吴会杰.浅谈《试验设计与数据处理》课程教学改革的实践与探索[J].教育教学论坛，2015（25）：158-159.

[7] 张长斌，贺泓，王莲，等.负载型贵金属催化剂用于室温催化氧化甲醛和室内空气净化[J].中国科学，2009（3）：278-286.

[8] 田华，贺军辉.氧化锰催化氧化甲醛的研究进展[J].化学通报，2013（2）：100-106.

[责任编辑：钟 岚]