《实验设计与数据处理》课程教学改革与探索*

齐铁月，安山龙

(华北电力大学环境科学与工程系,燃煤电站烟气多污染物协同控制河北省重点实验室，河北 保定 071003)

《实验设计与数据处理》是为化工、环境、材料相关专业高年级开设的专业选修课。主要论述实验数据的处理方法和方案设计方法，是数理统计基本原理在化学分析、环境监测、生产设计等领域中的具体应用。课程利用统计学方法，通过科学设计具体实验过程，并对实验结果进行统计处理分析，提升学生对于特定问题，设计解决方案并分析的能力，旨在培养化工环保领域高质量的综合型人才，为以后走上工作岗位从事科研和生产打下良好基础。

1 《实验设计与数据处理》课程开设改革必要性

随着我国教育的快速发展，大学生的数量也越来越多。在新的时期背景下，我国对于高等人才提出了更高的要求，要把高等人才由原先只重视数量和规模，到现在提出了更加重视人才的人才质量建设。《实验设计与数据处理》是一门科学有效地指导实验设计并正确合理分析实验数据，最终得到最优方案的一门课程。而科学设计方案和处理分析数据是科研工作者和化工类高级技术人才必须具备的一项技能，本门课程虽是一门专业选修课，却在实际工作中发挥重要的作用。

党的十八大、十九大报告分别指出“着力提高教育质量，推动高等教育内涵式发展”和“加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展”[1-3]。可见，内涵发展即质量建设是我国高等教育今后的发展道路与发展模式。而高校本科生课程中基于学生的创新能力、实际问题处理能力、科学素养等的培养对于人才质量建设至关重要。《实验设计与数据处理》课程通过讲述科学实验设计原则，使学生熟练设计和制定合适的实验方案，利用统计分析方法进行数据的处理与分析，减少试验误差，从而得出正确的结论。目前，我们采用的教材是化学工业出版社刘振学老师出版的《实验设计与数据处理》第二版，包括误差和数据处理、有限数据统计处理、方差分析、正交实验设计、多因素序贯实验设计、响应曲面设计、回归分析与聚类分析初步、大型统计软件SPSS简介等共十二章节。其中，基于统计学的数据处理和实验设计的理论授课部分覆盖前九章内容，而相关实用性软件实操课程仅有一个章节。由于该门课程以往主要以知识传授为主，迫切需要融合创新元素，加强理论联系实际，开展教学方式方法的改革与创新，为高质量人才的培养奠定基础。

2 人才培养-教学改革

2.1 案例式教学

长时期以来，高等教育人才培养结构与社会需求契合度不够，产教融合、科教融合的体制机制尚不健全。伴随着大学越来越走进社会的中心，必须提升服务区域经济社会发展的意识和能力，加快科技成果转化的力度，为区域经济社会发展提供源源不断的思想、技术和人才支撑。新的时代背景下，单纯理论教学已经难以满足高校毕业生与社会融合的真实需求。因此，针对环境科学专业，《实验设计与数据处理》课程迫切需要结合专业特色，以实际发生的案例进行分析，例如，气态污染物SO2/NOx/CO等日常监测指标数据异常值剔除、水质监测指标数据统计、燃煤电厂脱硫废水COD[4]指标检测数据准确度判断、某特定催化剂制备工艺筛选正交实验设计等。采用案例式教学，课程融入实际，使学生充分理解本专业与本门课程的紧密关联程度，深入体会课程在今后工作与科研中的应用价值，为学生今后直接就业或研究生阶段提供坚实基础。

2.2 授课-实验-上机串联授课

《实验设计与数据处理》是一门以统计学为基础，依据误差理论、统计假设、方差分析、正交设计等原理指导实验改进优化的课程。该门课程三分之二学时为课堂理论授课，其余三分之一为上机课时，并未涉及实验课时，导致学生难以深刻理解理论对于实验等实践过程的指导意义，难以起到本门课程的真正作用，需要探索“课堂授课+实验操作+上机软件分析”的新型授课方式。任课教师可以在课堂授课环节将统计学数据处理方法章节先行讲述完毕，然后开展实验课程，使学生能够结合具体的实验数据进行数据分析及检验；随后开展上机实验，学生可以根据之前的实验数据进行绘图作简要分析，并采用Excel或origin等数据分析软件进行数据假设性检验，判断数据或实验方法的可行性。以本科常规实验-大气颗粒物PM2.5、PM10、TSP[5-6]测定实验为例，学生可利用某指标的多次监测结果，分析数据离群值和样本均值，并参照当天环境监测站公布的实时数据，判断自己的监测方法是否存在较大的系统误差；并且，可利用同一名学生基于不同测定方法测得的实验结果，进行平均值检验，判断两种测定方法是否存在显著性差异。以污水处理实验为例，通过添加絮凝剂、沉淀剂或其他特定方法处理某工厂排放污水，依据处理前后的污水有害物质含量，进行不同时间间隔多次抽样检测，计算处理前后各时间节点时水样处理前后污染物质浓度差值的均值及差值标准差，从而进行假设性检验，判断该污水处理方法是否有效。诸如此类，学生可以将课程所学数据处理方法和实验结果串联起来，并采用合适的软件绘制数据图，作出相应分析，有助于学生充分理解本门课程的实用性。

2.3 多样化授课模式

《实验设计与数据处理》的课堂授课部分绝大部分与统计学的理论和方法相关，导致该门课程课堂讲述环节难免枯燥乏味，难以调动学生积极性，需要任课教师充分发挥主观能动性，多维度提升学生的学习兴趣。采用大学生常用的应用搜索与课程相关的文件，例如，善用当下大学生流行元素，将相关元素嵌入PPT课件制作，使课堂授课更加生动有趣，活跃课堂气氛，抓住学生的兴趣点，提升学生对课堂内容的掌握力。同时，可以利用大学生常用的网站搜索案例相关视频、origin操作实用教程、以及origin/SPSS等软件[7]下载，结合当下化工环保领域热点问题与学生分享，补充教学内容。授课教师可以结合自身科研背景，提出几个简单的科学问题，指导学生独立设计实验方案，开展并完成整个实验过程，依据自己的实验数据进行分析处理，最终绘制数据图并做科学分析。采用这些新兴的授课方式可以引导学生发散思维，结合自身基础知识指导实验过程，最后分析实验数据，可以帮助学生尽早了解科学研究的整体流程。

2.4 研究型软件辅助教学

由于本门课程涉及大量实验数据的计算和处理，计算过程较为繁琐，普通计算器难以满足计算需要，需要借助Excel、Origin、SPSS等专业软件，通过导入数据处理模块，如图1所示，进行均值、标准偏差、方差等计算，Grubbs检验、t-检验和F-检验[8]以及一系列科学绘图。授课教师在课堂授课中，有必要演示上述软件的简单操作，并在上机课时中亲自指导，提高学生对软件的掌握程度。这些软件的使用不仅在《实验设计与数据处理》课程中极为重要，在研究生阶段重要性更为突出，例如：实验数据折线图/柱状图/扇形图/点图/线图绘制、分光光度计吸光度与样品浓度数据的线性/非线性回归分析、X-射线光电子能谱结果分峰拟合、污染物吸附等温线/吸附动力学拟合、正交试验结果响应曲面绘制及主次影响因素分析等。将研究型软件的使用融入课堂教学，丰富课堂环节，有助于提升学生的动手能力，能够满足学生简单的科学数据制图需要，同时锻炼学生的科研思维。

图1 Microsoft Excel 数据分析模块

2.5 本科-研究生课程有效衔接

一般来讲，本科生课程注重专业知识概念的讲授，使学生储备更多更广泛的基础知识，涉及知识面广而不专，导致学生无法将各类知识系统性衔接，致使学生真正进入工作或者从事科研时无法依据所学知识迅速的指导某特定实验过程。而研究生阶段，一般默认学生已经掌握了系统的专业知识，能够依据掌握的研究方法开展创新性研究，而事实恰恰相反，一些学生进入研究生阶段后无所适从，难以把所学知识点快速应用于科研研究中。对于《实验设计与数据处理》课程，本科阶段已经讲述了如何设计实验方案，如何利用正交法指导实验设计与结果分析，而部分研究生在自主设计实验、开展实验、分析总结实验结果及绘制结果图表等过程仍存在一定的困难，导致短期内学习效率较低，需重新学习实验设计及数据处理的方法及过程，难以锻炼其独立从事科学研究的能力。如何消除本科阶段

与研究生阶段的断层并使之有效衔接，对于研究生阶段学习模式的转换及创新科研思维培养至关重要。

《实验设计与数据处理》课程需要在课堂授课、实验以及上机课程中着重培养学生把理论知识、实验过程和绘图数据分析融会贯通的能力，培养学生发现问题并独立解决问题的能力，培养学生的科学研究素养。此外，本课程中的许多数值如样本均值、标准偏差、方差等的计算极为重要，是研究生阶段处理分析数据的基础，例如根据某三次平行实验结果可绘制带误差棒的数据图；而正交实验设计同样也是研究生期间最为基础的实验设计方法，可以根据实验不同影响因素和各因素下不同水平来制定相应实验方案，极大缩减实验次数，可以帮助研究生多快好省的进行科学研究。

3 结 语

《实验设计与数据处理》是一门理论联系实际且实用性很强的课程，兼顾严谨的方案设计和科学的数据处理，极大提升从事科学研究、优化工艺的工作效率。通过课程教学方式的深化改革，有助于激活学生创新性思维，锻炼科学研究思维模式，提升独立从事研究工作的能力，为化工环保领域培养高质量的复合型人才奠定坚实的基础。