“化工实验规划与数据处理”课程教学改革提升学生实践创新能力的探索

管玉雷

（西北大学，陕西 西安 710069）

“化工实验规划与数据处理”是化工及相关专业一门指定选修课程，它以概率论和数理统计为理论基础，科学规划试验，并对试验数据进行合理分析处理，揭示出变量间内在联系，从而高效获得正确结论或优化方案的一门应用技术学科[1]，其具有理论性强、内容涉及广、计算公式抽象、实践要求高等特点。化工类专业需要通过试验来寻找研究对象变化规律，并通过对规律研究达到提效、降耗、优质、高产等成效。西北大学的化学工程与工艺、能源化工、制药工程等本科专业均开设了“化工实验规划与数据处理”课程，通过本课程的学习，力求使学生能合理选择试验设计方法规划试验，科学分析处理试验数据，进而探究出较优工艺条件或配方。

“化工实验规划与数据处理”课程不仅对数学知识要求高，还需要学生储备专业知识和具备计算机使用能力，例如试验设计中的“明确试验目的，确定评价指标”以及“选因素，定水平”主要基于专业领域知识和实践经验；试验数据分析须使用计算程序和软件以提高处理效率。此外，本课程在化工专业实验和本科毕业论文环节作用凸显，不仅有助于学生加深对课程知识的理解，而且通过具体实践使知识得到进一步巩固拓展[2]。因此，西北大学化学工程与工艺专业在第7 学期开设本课程36 学时，其中上机实践12 学时。

基于工程教育专业认证的教育产出理念[3]，结合实验规划与数据处理课程特点，教学团队通过持续课程内容优化和教学方法改革，增强实践教学环节，以提升学生分析和解决化工复杂问题的能力。

一、创新教学内容与方法

（一）勾勒课程发展，激发学习兴趣

每个学科都有发展历程，在讲解课程知识点时，融入相关科学史内容，使学生对这一知识点有更全面、深刻的理解，进而激发学生学习欲望，培养学生勇于探索、敢于批判的科学思维。实验规划与数据处理学科自创立已经历100 余年的研究和实践，成为当代科研和技术人员必备的基础理论知识。1918 年，英国生物统计学家费歇尔建立了基于生物统计的遗传学，发展出著名的方差分析法，在试验设计与数据处理方面做了开创性工作，是现代统计科学的奠基人之一。费歇尔主要从事植物播殖研究，希望通过尽量少的试验次数，得到尽量多可靠的试验数据，他发展出变异数分析理论和假设检验方法，提出随机化原则，使得试验可以同时进行多参数检测，从此试验设计成为统计科学的一个重要分支。日本统计学家田口玄一于1951 年出版其第一本介绍正交表书，为试验设计的应用和普及作出了巨大贡献。然而正交设计起初仅影响到中国台湾和印度，许多美国统计学者质疑正交设计法，诟病集中于其缺乏严密的理论支撑，直到1980 年，田口玄一拜访美国贝尔实验室，成功的实验结果让田口方法在贝尔实验室得到认可。鉴于正交设计在诸多行业已有许多成功案例，随之很多美国大型企业开始采用正交设计进行产品改良与工艺优化。在20 世纪50 年代，我国组织正交设计方法的研究，在正交设计的理论和方法上都有革新，编制出一套适用的正交表，简化了试验程序和试验结果分析。我国著名数学家华罗庚先生在20 世纪50 年代末思考如何利用数学为国家建设服务，由“向上”探索转为“向下”应用，在国内积极倡导和普及统筹法和优选法，从而使试验设计的思想在我国工农业、国防和科学研究中得到推广。1978 年，第七机械工业部在导弹研发中，面临一个多因素多水平问题，优选法和正交设计均不适用。中科院应用数学研究所方开泰与王元教授协同攻关，创立了均匀设计方法，并阐释出均匀设计与因子设计、最优设计、超饱和设计的内在关联。后来均匀设计理论也得到国际统计学家的重视与肯定，在航空、航天、化工、制药、汽车等行业领域已有大量成功的实际应用。此外，随着电子信息技术迅速发展，编译开发了多种实验规划与数据处理的程序和软件，使得数据分析的效率大幅提高，促进了本学科的发展和推广[4]。

（二）优化课程内容结构，多媒体辅助教学

课程内容结构是根据专业特点构建的。化学工程与工艺专业通常需要以试验的方式获取研究对象的规律，尤其在研究新产品，开发新工艺，解决新问题的试验过程中，不确定因素很多，需要通过大量试验来揭示隐藏的机制，这就要求实验者不仅要对研究领域有深刻的认知，还需掌握科学的试验设计方法来规划试验，优化实验过程。然而，科学的试验设计只是达到实验目的的前提，没有对试验数据有效的分析，也无法从试验数据中获取规律性信息。此外，在数据分析处理过程中，常需要通过繁复的计算和综合分析才能获得有效的结果，有时又需要将数据有条理地整理在表格内，或者将试验结果通过图直观表达出来，此时应用数据处理软件能大大提高工作效率，达到事半功倍的效果。

因而“化工实验规划与数据处理”课程内容由下述三部分构成。（1）数据处理部分。讲授概率论和数理统计基础，误差分析评判试验数据可靠性，试验数据的表图表达方法，方差分析评价因素对试验结果影响的显著性，回归分析建立变量间函数关系等。（2）试验设计部分。讲授从经典的由华罗庚先生创立的优选法，到国内外广泛使用的正交设计和均匀设计，直到近代发展并在诸多领域成功应用的单纯形配方设计、回归正交设计、响应面法等，重点阐释不同试验设计方法的理论支撑、特点及适用性。（3）计算软件应用。介绍Excel、Origin、SPSS、正交设计助手、Expert-Design 在试验设计和数据处理过程中的强大功能，包括图表规范制作、误差分析、方差分析、回归分析、规划求解、假设检验分析、试验设计上机练习，引导学生进行化工案例扩展性学习。

在讲授“化工实验规划与数据处理”课程时，采用纯板书或纯多媒体教学方式都无法全面透彻展现课程信息。教学内容包含大量方程和图表，如果采用纯板书授课，将花费大量课堂时间用于公式推演和图表绘制，而多媒体教学在公式推导方面留给学生思考的时间太少，学生很难跟上教师思路和课堂节奏。鉴于此，须将板书和多媒体技术结合起来，通过板书方式进行公式推导，让学生有充分的时间思考，理解公式的基本原理；而多媒体具有形象直观、信息量多、重复性好等特点，能浓缩课堂教学，提高教学效率，图表采用多媒体教学方式进行，学生一目了然，印象深刻，既掌握了理论知识，又增强了感性认识。针对本课程内容多、公式图表多、课时有限的特征，笔者将板书和现代多媒体技术有机结合起来，增加课堂教学密度，使得教学内容重点突出。

（三）增强实践环节，强调实践创新能力培养

“化工实验规划与数据处理”是以概率论和数理统计为基础的课程，涉及大量公式。目前，课堂教学非常重视讲授基本原理及公式推导，却忽视了学生分析问题能力和试验设计能力的培养[5]。实验规划与数据处理是实践应用型课程，更应做到学以致用，在实践应用中获得增长知识的兴趣。在课程内容多、课时有限的情况下，教学内容的安排应重点培养学生的实践创新能力。因此，在讲授课程各章节时，教学内容的侧重点应有所不同。如在讲授方差分析时，应侧重阐释方法的理论依据、公式推导，使学生理解和掌握总离差平方和、各因素离差平方和、误差离差平方和、自由度及均方等概念和计算方法。如果在方差分析的学习中，学生已经深刻理解单因素和多因素方差分析的理论内涵，掌握了方差分析流程，就容易接受正交设计的方差分析能用来判断各因素及因素间交互作用对实验结果影响的显著性。方差分析涉及复杂的计算过程，此时如果演示Excel 或Origin 软件通过函数功能对试验数据进行方差分析，将使学生体会到掌握计算软件在数据处理中的重要性。回归分析也是课程重点内容，构建函数关系、均匀设计、回归正交设计和配方设计都涉及到回归分析。由于回归分析具有数据点多、公式多等特点，亟需培养学生使用程序软件进行回归分析的能力。为了激发学生学习计算软件的积极性，设置对比教学环节，引入一组数据，通过体验式教学，首先让学生通过计算器计算获得回归模型，然后针对同一组数据，采用Origin 软件的回归功能瞬间获得拟合结果，学生的学习热情迅速被点燃，学习主动性被调动起来。这充分表明将理论教学和统计分析软件结合，达到了教与学相长，增强学生应用现代技术分析、解决问题的能力。

此外，试验设计与数据处理方法的种类很多，不同方法有其自身特点，须结合特定的研究问题选择合适方法[6]。笔者通过引入具体实验项目，引导学生积极思考，寻求分析解决问题合理的方法。比如：讲述正交设计、均匀设计、配方设计后，引入一个多因素多水平案例，让学生采用不同试验设计方法处理相同问题，通过比较不同方法处理过程和结果，归纳出各试验设计方法的适用性（正交设计使试验点在试验范围内排列整齐，均衡分散，适用于多因素且因素的水平数较少的实验；均匀设计只考虑试验点均匀分散，不考虑整齐可比，适用于因素宽域变化，水平数较多的实验；配方设计适用于因素是配比且不独立的实验），增强学生合理选择试验设计方法能力；再比如完成数据处理软件介绍后，在上机实践环节，引入具体的数据处理案例，鼓励学生用不同软件完成同一案例，探索它们在数据处理方面的特征和适用性，使学生在学习过程中分析解决问题的能力得到大幅提升，创新能力得以提高。

（四）突出中国元素，肩负实践创新使命

课程教学中突出中国元素，介绍中国科学家对试验设计方法的贡献，使学生树立民族自信心和自豪感。例如，在讲授优选法时，阐述世界著名数学家华罗庚先生两次在国家多难之时毅然回国，与国同行，开创中国数学学派，并带领达到世界水平。数学是十分高深的科学，深入研究的大有人在，但把数学应用到实践中的人却很少。20 世纪50 年代末期，华罗庚在从事数学理论研究的同时，努力寻找一条数学和工农业实践相结合的道路，著有科普作品《优选法评话及补充》《统筹法评话及补充》等，到全国各地组建“推广优选法、统筹法小分队”，掀起了科学实验的群众性活动。统筹法改变了很多工农生产无头苍蝇式的蛮干局面，利用数学理论对生产进行合理的安排和管理。优选法主要利用黄金分割法通过尽量少的实验次数选出最优方案，取得了很大的经济效益和社会效益。在讲授均匀设计时，阐述我国数学家方开泰与王元在特定应用背景下对发展均匀设计的贡献，并引导学生理解辩证思维在均匀设计学习中的重要性。针对七机部在导弹设计研发过程中，提出一个五因素，每个因素的水平数多于10，而又要求试验次数不超过50 的试验，方开泰与王元经过数月共同研究，将“数论”和“统计试验设计”创造性结合，发展出了均匀设计方法，开创了一个新的试验设计研究方向。之后均匀设计的基础理论也得到了世界统计学家的认可，美国福特汽车公司采用均匀设计发展了新型汽车发动机，并将其作为公司电脑仿真实验的常规方法之一。在讲授正交设计分析多个因素对试验结果的影响时，根据学生的专业特点，以中国首位诺贝尔医学奖得主屠呦呦钟情科学，向医而行，对祖国医学探求，成功提取天然产物—青蒿素，解决了长期困扰的抗疟失效难题，挽救了全球特别是发展中国家数百万人的生命，为中医药科技创新和人类健康事业作出了卓越贡献为背景，探究溶剂种类、温度、时间和搅拌速度四个因素对青蒿素提取率的影响，强调试验设计方法在科学研究中的应用，增强了课堂互动交流，活跃了课堂气氛。这表明在课堂教学中构建适合化工专业的教学内容，既可以加深学生对“化工实验规划与数据处理”课程知识的理解，又可以在潜移默化中将本课程知识与专业知识有机结合，提升学生在化工行业进行科学试验设计及合理数据处理的能力。通过以上我国在本学科领域典型人物介绍，能激发学生的爱国情怀，促使学生树立高远理想，将个人前途和国家发展紧密联系，将所学所思践行于报效国家的行动中。

二、构建多元考核方式

加强和完善“化工实验规划与数据处理”的考试、考查方式。考核是是教学的重要环节，是促使学生对课程知识吸收内化，找出薄弱环节，客观评价教与学成效的重要方法。考核方式改革的目的是要适应实践创新人才培养的过程考核理念，结合本课程特点，在考核方式上实行多元考核，综合考查学生对课程知识的掌握程度。考核方式主要由四部分组成：（1）平时成绩，由课堂互动参与度与平时作业的完成情况决定，课后作业侧重考查学生对本课程知识点的概念和基本原理的理解与掌握。（2）期中成绩（小论文），是一个学以致用检验环节，是对知识深层次认识的阶段。以“××软件在化工实验规划与数据处理中的应用”为题目，具体介绍软件的发展历史、开发公司及版本，软件功能概述，化工领域具体举例，展望，附参考文献，检验学生能否结合本专业所学知识，采用相关软件针对实际化工案例进行实验规划及数据处理。（3）开卷笔试，侧重于检验学生合理选择试验设计方法及对试验数据进行有效分析的能力，并能对结果进行归纳得出可靠结论，考查学生对知识点的掌握程度和灵活运用能力，考题内容涉及较多公式，开卷考试化解了公式死记硬背与实践应用的矛盾。（4）上机操作考试，考查学生对实验规划与数据处理中相关软件的应用程度，促使学生不得不下定决心，注重平时上机练习，从而提高学生使用计算机进行试验设计和数据处理的能力。

通过四种侧重点不同的考核方式，强化学生对平时学习的投入，避免考前突击性应试学习，以便全面了解学生对本课程的掌握程度，对教学效果作出客观评价，及时调整教学方法和内容，促进教学效果和质量的提升。

三、结语

“化工实验规划与数据处理”是一门理论与实践应用紧密结合的课程。基于“以教育产出为导向，学以致用，知行合一”的教学理念，通过阐述课程发展史，充分调动学生的求知欲和探究精神；基于化工专业背景优化课程内容结构，突出中国元素，培养学生科学思维和实践创新能力；构建和完善多元评价方式，综合考查学生对本课程的掌握程度，促使学生对课程知识消化吸收。通过以上教学持续改革与实践，使理论和实践教学有效融合，从而达到提高教学质量，提升本课程培养学生实践与创新能力的目的。