农业硕士“试验设计与统计”课程考核方式的改革实践

顿国强

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

农业硕士（Master of Agriculture） 专业[1]学位教育作为我国培养农业类人才的一种重要途径，旨在培养能运用农业与管理科学理论解决实际问题的应用复合型人才。其专业培养目标[2]要求研究生掌握农业机械化领域的基础理论和专业知识，掌握解决农业问题的先进现代技术手段，能够独立从事较高层次的农业技术研究、开发和推广。“试验设计与统计”作为学校农业硕士研究生的必修课，其教学目的是使学生通过课程学习能够针对具体的科学试验问题，正确设计试验方案并对试验结果进行统计分析，探寻其内在规律，获得正确的试验结论，为以后进行农业科学研究打好相应的基础[3]。“试验设计与统计”作为一门多学科交叉，理论、实践及应用性很强的课程，在以往的教学中发现，具有难讲、难教、难学、难懂、难用，教学效果不佳的问题，学生普遍认为该课程难度大、理解困难[4]。为此，针对上述问题，结合学校“试验设计与统计”的教学实践，修改教学内容，将Design-expert 软件引入到课程的全教学过程，提出新的教学模式及考核方式，改革考试方式是该课程开课以来最有效的方法，考核作为教学活动的重要组成，正确恰当的考核方式对学生的学习和实践具有引导、激励和促进作用[5-6]，因此，结合学校农业工程2018 级、2019 级两级学生，对“试验设计与统计”课程考核方式的持续改进进行讨论和分析，以期能为相关一线任课教师提供一点参考。

1 课程简介及教学改革

“试验设计与统计”是东北林业大学农业硕士农业机械化专业2018 级及农业工程与信息技术专业2019 级（国务院学位委员会[1]对专业进行改名及调整后） 研究生的必修课（32 学时），每年秋季学期10～17 周开课，每周一次课4 学时，农业硕士2020年扩招前的招生人数10 名左右，根据修订后的研究生培养方案，修改课程教学内容，以达到培养研究生利用课程知识解决实际问题的能力，课程内容包括试验设计基本理论知识、Design-expert 软件应用、单因素试验的方差分析、正交试验、响应面试验5 个部分。课程教材选用葛宜元主编的《试验设计方法与Design-expert 软件应用》，哈尔滨工业大学出版社，课程参考书包括化学工业出版社出版，由李云雁、胡传荣主编的《试验设计与数据处理》、北京科学出版社出版，由徐向宏、何明珠主编的《试验设计与Design-expert、SPSS 应用》等其他试验设计类相关教材、农业机械学报、农业工程学报。

1.1 试验设计与分析软件Design-expert 引入教学

随着计算机技术的飞速发展，很多试验设计及统计分析可由统计分析软件快速完成，统计分析软件（Excel、SPSS、SAS、R 软件、S-Plus、Minitab等） 亦在科研和工作中得到广泛应用，因此有必要加强培养学生运用统计分析软件的能力[7]。课程引入的Design-expert 软件是一款基于Windows 的专门面向试验设计（即DOE） 及相关数据分析的工程软件，由Stat-Ease 公司设计出版和发行，与传统的统计分析软件相比，其更专注于试验设计，人机交互界面友好、使用简单，不需要使用者具备数理统计功底，就可正确设计出高效的试验方案，并能够对试验数据进行专业可靠的分析，获得全面的可视化模型，并对试验结果进行优化[8]。Design-expert 软件常用的试验方法包括一般析因试验（General factorial design）、正交试验（Taguchi OA design）、响应曲面试验（Response surface design），包含中心组合设计（Central composite design，简称CCD，5 水平试验）和BOX 设计（Box-behnken Design，简称BBD，3 水平试验） 等，软件功能包括试验设计（Design）、回归分析（Analysis） 和预测优化（Optimization） 3 个部分。对应用Design-expert 软件的学位论文进行检索统计得出，2011—2021 年10 年内，学位论文中应用Design-expert 的农业、林业、农林院校的数量分别是3 091，690，733 篇，平均每年有451 篇学位论文用到该软件，对于农业工程领域的国内顶级期刊农业工程学报、农业机械学报，其10 年发文量10 100，6 834 篇，使用软件文章数386，313 篇，占比分别3.82%，4.58%，由以上软件使用统计结果可知，无论从学位论文还是期刊论文，Design-expert软件提供的试验方法及功能可完全满足“试验设计与统计”课程对农业硕士研究生培养目标要求。因此，将Design-expert 引入到课程的全部教学及考核过程。

1.2 课前准备

课前4 周建立课程“试验设计与统计”QQ 群，要求每位学生课上准备安装Design-expert 软件的笔记本电脑，课程要求前两章试验设计基础知识及Design-expert 软件应用由学生自学完成，群文件上传以下教学资源：①选取农业工程学报、农业机械学报等高水平文章中具有代表性的试验案例（包括单因素试验2 个、正交试验2 个、响应曲面4 个），应用Design-expert 对文章中的试验案例进行重新分析，利用EV 录屏配以讲解，录制各类试验案例的软件应用讲解视频，保存Design-expert 文件，以讲解视频+源文件+选用文章的组合方式对文件进行分类整理；②利用百度文库下载试验设计与统计、Design-expert 软件相关教学课件资源，对B 站上的试验设计类、Design-expert 软件讲解类视频教学资料，编辑整合视频连接，制作教学资源连接Word 文件；③课程的教学大纲（课程要求、教学内容及学时分配、授课方式、教材及参考书、考核方式等）。

1.3 课中教学

首次上课，由任课教师讲解课程的基本情况、上课方式及考核形式，采用翻转课堂+ 课堂讨论+教师点评答疑的课堂教学方式[9]，由抽签方式确定每位学生的课堂讲授内容，要求学生针对抽取的讲解内容自制教学课件，选择实际案例（自己毕业设计内容、农业工程学报或农业机械学报选择的试验研究类文章），利用Design-expert 重新设计试验并对试验结果数据分析，这里以响应曲面试验为例：被抽学生从知网选择下载正交试验文章，采用增删因素、水平、指标的方法对原试验方案及结果进行修改，修改后要求至少两因素、三水平或五水平，两试验指标，利用Design-expert 重新分析，获得试验结果的方差分析，因素对指标影响应面趋势分析，优选数值解及图形解，结合上述案例及网络资源（视频、课件） 制作响应曲面试验方法及案例软件应用讲解课件PPT 一个，课上要求学生以教师的身份进行课堂讲授，要求讲课学生对其他学生及教师提出的问题进行回答，其他学生可以讨论回答，由任课教师对课程内容的问题及难点进行答疑，最后根据学生讲课及回答质量，由其他学生及教师共同对授课学生进行打分。改革后的课堂教学，学生除了学习试验设计及数据分析的基本知识，同时锻炼了学生收集查阅资料文献、制作PPT、语言表达、Design-expert 软件的实操等技能。

2 课程考核改革

传统的试验设计类课程“试验设计与数据处理”“食品试验设计与统计分析”“试验设计与统计”“试验设计与优化”“试验设计与统计分析”等考核方式[10-14]多采用平时成绩+上机考试+考试成绩，考试一般以笔试闭卷为主，无上机考试的期末成绩一般占比60%～90%，有上机考试的上机占比30%～40%，期末占比30%～50%，皆出现期末占比较高、平时占比较少的情况，期末考试内容过于注重理论知识和基本统计方法，上机仅仅是软件的操作技能，平时成绩基本以课堂表现及考勤为主，现有的考核方式无法反映学生利用所学知识解决实际问题的能力。

针对上述现有课程考核现状，结合改进后的教学方式，针对2018 级农业机械化专业，提出了过程考核+论文实践的考核方式，成绩组成包括平时成绩20%（考勤10 分，课堂报告20 分） + 期末成绩70%（大论文70 分） 的考核方式，从多方面进行考核，提高过程考核比例，改变期末考试考核方式，考勤每缺勤一次扣2 分，缺勤5 次及以上，取消成绩；制作课堂报告打分表（优秀18 分，良好16 分，中等14 分，及格12 分，不及格10 分，未作报告0 分），成绩由教师及学生共同打出，取平均值整数部分，要求学生按照见刊发表文章要求（格式符合农业工程、机械学报模板要求），以自己毕业设计或知网下载文章为论文内容，选择一种试验方法（正交试验或者响应曲面），完成一篇基于Design-expert软件分析的试验研究类论文，并附以所有与论文数据、图表相关的Design-expert 软件截图，任课教师以审稿专家标准根据大论文完成质量，按投稿期刊要求给予成绩评定，课程最后要求学生上交课堂报告及大论文的所有材料（大论文、报告PPT、Design-expert 文件、案例文章）。

期末大论文考核要求见图1。

图1 期末大论文考核要求

课程期末大论文撰写是对学生课程知识掌握情况检验的最后环节，通过该过程的训练，学生分析问题和解决问题的能力、试验设计及软件应用的能力，论文撰写的能力得到进一步提高，为研究生发表学术论文和撰写学位论文打下坚实的基础。学校农业机械化专业2018 级硕士研究生8 名，首次采用改革后的教授、考核方式。其中，大论文6 名选择BBD 试验，2 名选择正交试验，由于CCD 试验相对较难而无人选择，且大论文存在一定的抄袭问题，依样画葫芦，硬性的软件数据分析，在一些细节知识上，仍存在知其然不知其所以然的问题，无法利用数据分析的结果指导生产实际，如响应面试验回归模型的失拟检验、参数优化的图形解、试验设计的编码等问题，其一部分原因仍是对Design-expert软件的实际操作存在问题，与理论知识的理解存在差异，课程平均成绩83.6 分，标准差10.8，达到良好水平。其中，优秀3 名，良好3 名，中等1 名，及格1 名，中等及及格成绩学生的课程报告和大论文皆存在一定问题，经调查，该级研究生直至毕业，有3 名研究生参与过文章发表，毕业学位论文中，有7 名研究生用到单因素试验、正交试验和响应面试验，并由Design-expert 进行的数据分析，做到了将所学的知识用到解决实际问题当中。

针对2018 级教学过程中出现的问题，对农业工程与信息技术2019 级的考核进行再次改革，将平时成绩中的课堂报告的20 分进行再次拆分，除了抽签抽选的课堂报告14 分外，需要学生在完成单因素试验方差分析后，上交小论文6 分，用以实践训练学生应用Design-expert 对基础数理统计知识的实操技能，小论文内容自选（实际问题或知网资源），以单因素试验的方差分析为例，至少选定2 个因素，1 个试验指标，以小论文方式撰写研究报告，注意利用Design-expert 软件，要求题目、摘要、关键词、试验的目的意义、试验因素、指标、试验方案及结果、方差分析、变化趋势分析及结果优化，参考文献，附件Design-expert 软件截图，根据报告的实际完成质量给定成绩（优秀6 分，良好5 分，及格4 分，不及格3 分，未交小论文0 分）。2019 级硕士研究生10 名，大论文8 名选择BBD 试验，2 名CCD 试验，课程平均成绩85.4 分，标准差7.4，成绩略高于2018 级，平均达到良好水平。其中，优秀4 名，良好4 名，中等2 名，成绩分布相对2018 级更趋于集中，最低成绩也处于中等水平，在以后的教学中，硬性的分配大论文试验类型选择，或者给类型占比较少的学生给以鼓励加分的激励，以达到试验类型全覆盖培养及检验的教学目的。

3 结语

为激发学生学习兴趣，调动学生自主性，降低学习难度，培养学生利用课程所学知识解决实际问题的能力，将Design-expert 软件及翻转课堂教学引入到农业硕士研究生试验设计与统计的课程教学中，提出了平时成绩+课堂报告+小论文+大论文的考核方式，并对考核方式进行了持续改进。结果表明，两级学生的平均成绩达到良好的水平，再次改进提高了学生的平均成绩，成绩分布更趋于集中，课程考核改革锻炼了学生的文献查阅、语言表达、写作技能、科学研究等方面的能力，提升了学生利用Design-expert 软件完成试验设计与统计分析的应用能力，提升了学生的综合素质，整体教学质量显著提高。但是，在实际教学过程仍存在一些实际问题，要使课程教学水平持续提升，尚需在今后的教学研究中进一步深入探索新的教学模式及考核方式。