强化实验设计与数据处理课程信息化教学

林雪彬 李志伟 邹 峥

集美大学机械与能源工程学院 福建厦门 361021

1 信息化强化教学的必要性及现状

能源与动力工程等理工科的专业课学习、毕业设计、读研深造、未来工作都会涉及实验和观测运行数据以及优化实际运行工况条件[1]。通过实验设计与数据处理课程的学习，可以采用科学的方法减少实验次数，对实验结果进行进一步的数据处理、回归分析，寻找实验参数对结果的变化影响规律，对中试实验、实际生产达到节能减排等起到指导作用。但该课程一个显著的特点是涉及大量的数学公式、原理、计算，求解步骤烦琐，容易出错。

为了简化误差分析、曲线回归等计算过程以及减少出错，不同高校的师生采用不同软件工具设计开发了不同的实验数据处理系统程序，包括大学物理实验[2-5]、化工基础课程[6]、分光计实验[7]、综合实验数据处理[8]等数据处理系统。但是，这些计算程序通常存在两个共同的缺点。第一，所采用的开发软件往往不具有通用性，在使用之前还要再次安装相关的程序，导致使用不方便；第二，开发的系统往往针对某些具体实验，对于其他类型的实验，则不能适用。

教学过程中发现学生参考教材采用Excel进行数据分析时，往往只会操作，但对运行结果不理解，即“只知其表，不知其义”。此外，教材中对于部分曲线拟合的Excel操作介绍有些烦琐，不够简单明了；进行图表制作时，也经常会出现格式不规范、细节不够完善等问题。因此，强化该课程的信息化教学，使学生对实际数据处理问题能够举一反三，能够熟练应用Excel软件进行相应的分析，是本课程从理论知识转向实际应用的重要过程。此外，为适应部分对图表制作、曲线拟合有更高要求的应用场合，课程教学还需拓展Origin软件的制图以及曲线拟合教学。

2 教学内容改革

2.1 突出求解原理 弱化公式推导和数据计算步骤过程

数据处理和分析的过程中涉及很多的计算公式和步骤，要记下所有公式和计算步骤显得比较困难、烦琐，相关工作可采用计算机软件完成。因此，教学过程中只要让学生掌握计算原理即可。例如，在讲授最小二乘法时，重点介绍其原理是求解一条直线方程，使所有的实验数据yi(i=1，2，…，N)和直线的距离的平方和(离差平方和)达到最小。具体的方程求解过程只需了解即可，重点掌握采用Excel软件操作求解线性方程。

2.2 压缩理论教学内容 增加实践教学

本课程内容多，但教学计划却只安排24学时。教学过程中对原有的课堂教学内容和课时进行适当的调整，压缩误差分析、因素方差分析、回归分析的理论教学课时，增加实践教学课程。例如，对于非线性方程的回归，除了讲授教材介绍的通过线性变换转化成线性方程进行求解外，增加讲授“采用制作散点图+添加趋势线+显示拟合公式”，显示相关系数R求解。后者可以实现实验数据和回归曲线显示在同一个图上，回归方程是否合理，一目了然。同时可以通过观察相关系数R值的大小来挑选最佳的回归方程。此外，拓展Origin软件制图以及曲线拟合等教学内容。课程教学向上机实践以及实际应用倾斜。

2.3 强调软件运行结果的查看分析

课程教学采用李云雁等人编《试验设计与数据处理》作为教材，该书介绍了利用Excel的图表绘制功能以及数据分析功能包进行相关的数据误差处理、图表制作、因素方差分析、数据回归、正交实验结果的计算分析等[9]。由于课程设置问题，学生对数理统计的内容掌握不熟练，导致学生在实际操作过程中，往往会出现对Excel各种数据处理计算结果的各项指标的具体含义不清楚，教材里的相关说明也不够简单明了，对计算结果“只知其表，不知其义”。因此，除了相关的计算操作以外，有必要让学生掌握理解各种计算结果的含义，才能对具体问题的求解有全面的掌握。例如误差检验、因素方差分析的实践教学强调对Excel计算结果的分析，要求学生熟练掌握通过查看对比F统计值与临界值，或者显著性值(Excel的数据分析结果通常用P表示)等参数的大小判断分析误差的大小以及因素对实验指标的影响程度。在Excel进行多元线性回归求解后，要求学生列出相应的方程式，对方程的显著性进行判断(包括相关系数法和F检验法)，以及不同因素对实验结果影响的主次顺序。上机考核不但要求学生能够进行相关的运行计算，还要根据运行结果进行简要的文字说明。

2.4 强调制图规范化

采用Excel软件自带制图模板绘制相关数据图，往往存在制图规范不符合毕业论文、专业杂志的排版要求，还需要进一步修改。图表制作授课时，尤其强调图例、坐标轴标题及单位、图表标题等细节的修改，使制作的图表格式符合规范以及相关出版要求。

2.5 拓展学习Origin软件的制图以及曲线回归功能

Origin软件作为专业的科学制图软件，其制图和曲线拟合的功能相比Excel软件更加强大。例如，该软件可进行多坐标轴、三维、矢量制图等；曲线拟合除了可以通过选择标准数学模型进行拟合外，还可以自己设置拟合方程的公式进行拟合，并同时给出拟合方程和F检验报告。目前大部分专业杂志论文发表以及部分高校的毕业论文制图都要求采用该软件进行制图。通过本部分的拓展学习，可以为部分对制图和曲线拟合有更高要求的学生提供更多的选择。

3 教学方法改革

3.1 改变实践教学模式

由于课时的限制，教学大纲中的上机学时只有2个学时，剩余22学时为多媒体教学，因学校机房的排课较为紧张，在现有的课程时间安排内，很难保证学生上机实践操作的质量。另外，随着经济水平的提高，目前大学生计算机普及率较高，基本上可以达到人均一台计算机，根据这个特点，在第一次上课便要求学生在各自的计算机上安装相关的计算软件包。在日后的教学过程中，根据课程内容需要，要求学生上课携带笔记本电脑，当场进行相应的操作练习。例如，在讲授方差分析时，理论内容的讲授从原来的2学时压缩到1.5学时，留最后的半个学时给学生进行相应的例题操作练习。实践教学过程中还发现一个突出的问题：由于学生计算机通常安装的是最新的Office操作系统(例如2013版、2015版)，而教材里的例题操作讲解还停留在Office 2004版本，使得相关操作细节有所不同，相关问题在课堂上当场解决，教学效果更佳。

3.2 增加课后上机练习

利用当今学生计算机普及率比较高的特点，将部分误差分析、图表制作、因素方差分析、回归分析、正交实验设计的课后习题布置成课后上机作业，用Excel软件完成。通过增加课后习题上机练习的训练，使原有的教学计划中的上机实践学时无形中大大延长。

3.3 制作课后习题参考答案

根据教学改革内容制作了课后习题参考答案，尤其是很多习题的参考答案都提供常规计算和通过Excel软件求解2种解题方法，以供学生参考。

3.4 改革考试和考核方法

把教学计划中2课时的上机实践练习改成上机测验课，督促学生能够在课外的上机练习保时保量。将原有30%的平时成绩+70%的期末试卷成绩改为20%的平时成绩+20%的上机测验成绩+60%的期末试卷成绩。此外，期末笔试试卷中增加Excel求解相关数据处理问题运行结果的简要分析。不但要求对相关问题能够进行上机操作，还要熟悉掌握对运行结果的理解，以便能灵活采用Excel软件分析和解决实际数据处理问题。图表制作除了制作基本的图形外，考核的时候，更加注重对图表细节的修饰，严格要求按照毕业设计论文图表格式要求进行相关格式修改。

4 结语

通过课程改革发现，由于增加了上机实践的师生互动时间和加强课后上机练习，在期末上机考核的时候，学生的操作明显比较熟练，并能对相关的数据处理运行结果进行简要的分析，绝大部分学生的考核成绩为优良。此外，通过跟踪部分学生毕业设计发现，学生撰写毕业论文时，能够综合采用Excel和Origin软件进行数据处理分析和规范的图表制作，能将所学理论知识灵活应用在具体的实践问题上。