化学工艺专业《实验设计与数据处理》课程教学改革探索

＊王静静 徐冬梅

（山东科技大学化学与生物工程学院 山东 266590）

引言

化学化工及其相关专业是以实验为基础的学科，需要通过大量的实验和观测获得研究对象的变化规律[1-2]。实验设计与数据处理是化学工艺专业的一门核心专业课，是利用现代统计学理论知识解决实验过程问题，使实验过程更加有效的学科。如实验方法的设计、参数显著性检测、产品性能显著性评价、产品性能的优化等均涉及到对实验的有效设计和实验数据的合理高效处理[3-5]。此外，日常生活中也有很多实验设计与数据处理的应用，如如何寻找最近的路线，如何确定植物生长所需的合适水量和光照量，如何设置商品的售价以获得更高的收益，如何调控烘焙时间和温度以获取口感更好的甜点等。由于课程中涉及到的统计学概念较为抽象，晦涩难懂，学生通常感觉枯燥，学习兴趣不大[6-8]。同时经典教材的理论深度很大，但是实际应用的案例并不丰富，存在理论与实际联系并不紧密的问题，学生又容易对其实用性产生质疑。经过多年的留学生实验设计与数据处理教学工作，同时结合化学工艺来华留学生的实际情况和需求，在教学过程中不断地进行调整，总结出如下的教学方法。教学实践证明，这些教学方法能有效提高学生的兴趣，帮助学生掌握更多的实验设计方法，为将来应用奠定基础。

1.案例法教学法

实验设计与数据处理是实验实践与统计学理论相结合的产物，应用于生产和生活的多个方面，主讲人以专业实验和生活中的实验作为切入点，易于学生对于抽象概念的理解，帮助同学们理解课程涉及到的复杂的统计学理论。教学中注重从形象思维到抽象思维、循循善诱的教学方法，培养和锻炼学生的抽象思维能力和运用数学工具解决工程中遇到的实验设计与数据处理问题的能力。

首先，在教材选择上，基于理论深度和理论联系实际兼顾的原则，选择两本教材进行课程的讲解。首先选择案例较多的教材[9]作为主教材（该教材的设计模式非常实用，每章节都是从实例开始，讲解一种实验设计或者数据处理的方法，然后拓展其应用，同时配有课后习题供学生练习），同时结合经典教材[10]对部分理论知识内容进行解释（该教材是实验设计方面的经典教材，理论深度高，与统计学理论结合密切），辅助深入理解相关的统计学理论。在内容安排上，遵循从易到难，循序渐进的方式，并及时进行阶段性总结。例如，在讲授析因分析这一章节时，先以生活中常见的爆米花的实验作为例子，设计因素为2的析因实验，通过简单的数据结果对析因设计进行讲解，同时将析因设计与实验中常用的单因素实验方法进行对比，说明仅增加少量实验，就可以获得更多的信息。并且可以对未来的实验参数选择进行预测。学生了解实验设计的方法和思路后，再引入化工专业实验案例，这样的教学安排，使学生有一种“循序渐进”的感觉，便于轻松掌握课堂知识点。

课程涉及到晦涩难懂的统计学原理，通过互动，简化原理的推导过程，着重于讲解和讨论统计学原理如何应用于实验设计的实例中，并有效解决实验设计的实际问题。举例说明：在统计学与实验设计相结合的有效性检验学习过程中，提出用样本均值直接代表总体均值是不合理的，容易造成巨大的误差。在此过程中，结合学生身边的例子进行解释，假设9个学生正在饭店吃饭，此时一个千万富翁来饭店参观，如果此时选择餐厅里所有人作为样本进行收入统计，就会发现，样本的均值（人均月收入）由原本的0元，而变为了百万。由于这种异常值的存在，学生会发现用样本均值直接代表总体均值是一件非常荒谬的事情，从而深入理解有效性检验的必要性。化学工艺专业的基础实验和专业实验为实验数据处理提供了大量的案例。结合学生正在进行的实验数据，通过Excel，Origin，Design Expert等软件对数据结果进行处理，能够增强学生对本课程的掌握程度。

教学中结合典型的化工实验设计实例、科研成果，穿插讲解实验设计与数据处理在不同学科前沿领域的应用，重视对学生专业兴趣的培养和引导，一旦学生对专业方向产生了浓厚的兴趣，就会大大调动学生学习的自觉性，发挥出他们的潜能。例如响应面法求取最优解章节学习中，就引入了期刊中发表的最新文献成果，与学生进行探讨。海洋溢油是今年来频发的海洋污染事件，作为海滨城市的青岛，学生们经常去海边活动，对这种案例很亲切，从而消除了高端研究带来的距离感。文献首先根据专业经验，筛选出了可能影响海洋溢油水体处理的几个因素，然后利用部分析因设计对这些因素进行了实验设计。根据设计方法对含油水体进行处理，对结果进行有效性检验，即可筛选出显著性更高的因素。利用这些因素进一步进行实验结果的优化设计，最终获得显著性因素的最有水平，指导含油污水的处理。列举文献中关于海洋溢油的研究成果，既能结合学生学过的环境保护方面的知识，又能充分说明实验设计和数据处理的有效性。同时在课程完成时给学生布置相关思考题，让学生去查找文献中相似的资料，后续课程中以书面报告的形式上交，这样学生在学习过程中就会主动寻找答案和提出问题。

通过案例教学，一方面，教师积极引导学生，启发学生发现问题，引导学生提出类似的生活案例；另一方面，对综合性的案例引导学生利用教材、文献和网络资源等资料，进行分析讨论、总结，并撰写报告，开展课堂讨论。通过教师与学生、学生与学生之间的互动式交流，将传统教学模式下的学生被动学转变为“我要学”，调动学生的学习积极性，加深学生对相关知识点的理解和掌握。

2.互动式教学法

留学生实验设计与数据处理教学与国内本科生情况有所不同[11]。首先，留学生人数普遍不多，一般为十人左右，是典型的的小班教学，而小班教学为采取互动式教学提供了便利条件。同时根据前面的教学经验，由于语言习惯问题、思维模式的区别，传统的Lecture-BasedLearning（LBL）教学法[12-13]很难引起学生的兴趣，也就造成学习效果欠佳的结果。基于如上原因，在实验设计与数据处理教学中采用互动式教学方法，每节课都通过一个生活中常见的实验实例开始，鼓励学生发散思维，对实验实例发表自己的看法。教学过程中以学生为课堂主体，强化学生参与意识，采取提出问题法导入课程，让学生带着问题、带着兴趣进入学习，适当设置疑问并引导学生在课程讲授过程中来找寻问题的答案。例如讲授为什么需要采用实验设计时，首先跟学生交流最近都做了什么实验，并采用大家都熟悉的实验展开讨论：比如我们开车时，如何设计实验，使油耗降到最低；工厂生产的产品如何将次品率降到最低；新上市的药物如何能够无偏差的进行药效对比实验；如何考察因素之间的交互作用对实验效果的影响等。这种教学方案的设计形象生动，易于学生对于抽象概念的理解，还有利于学生工程理念的培养[14-15]。

与国内大学生相比，留学生很难维持相对较长的有效听课时间而不走神，但是他们非常乐意分享自己的观点，同时可适当引导他们小组讨论、一对一帮扶等方式。一方面充分调动了课堂气氛，基础好的学生通过分享和帮助基础相对薄弱的同学，对知识理解更为深入，而基础较为薄弱的同学也能达到基本掌握课堂教学内容。在互动式教学过程中，教师提出的问题应紧扣教学大纲，根据教学内容选择，所选案例具有典型性、代表性、综合性和启发性，遵循目标明确、有趣、由浅入深的原则[16-17]。

另一种互动方式学生汇报环节的设置。实验设计与数据处理课程的绪论部分，可以分为两大部分进行课程的讲解，分别为实验设计方法部分和数据处理与最优化部分。在完成几种常用实验设计方法的学习后，要求学生们自选案例，并结合实验设计的方法进行分析，以课件的形式呈现出来。在学生汇报环节，师生互换位置，学生是整个课堂的主导，可进行讲解，也可进行课堂互动。汇报式教学方法的实施，成功实现了以讲促学，以学促讲的良性循环，学生的学习兴趣、参与课堂讨论的兴趣明显高涨。

汇报部分也加入了最后成绩的考核中，占约10%的比例，增加这种考核的目的是提升留学生对知识实际掌握以及灵活应用的能力，而不是简单的知识记忆。同时，留学生通过参与汇报过程，获得更多解决实际问题的思路与方法。经过几年的学生汇报，发现学生对课程的理解程度明显加深，理论结合实际的能力也大大提高。

3.思政渗透教学法

我国历来重视来华留学生教育，留学生教育是衡量一个国家国际化、教育水平和人才培养质量的重要标志。近年来，来华留学规模持续扩大，我国已是亚洲最大留学目的国。由于教学背景，思想观念的巨大差异，留学生教育中，思政教育也具有更加重要的意义，同时也符合现代高等教育的导向要求[18]。在课程涉及的实例分析中，加入中国的法律法规，行业标准，以及中国的教育政策的部分内容。另外增加中国科学家的故事，传达中国科研工作者的科研精神。如在讲解实验设计与数据处理发展历史部分内容时，讲解中国科学家华罗庚提出的统筹法，该方法就是利用统计学的知识，解决实际生产生活中的问题，真正提高效率，极大促进了当时生产力的进步。通过该案例的讲解，传达谋定而思动的思想和理念。同时，科学家华罗庚的数学人生也极富戏剧性，早年便因出色的数学才能被聘到清华大学执教，自学英语、法语、德语等语言，赴国外进行系统的学习。1937年，抗战爆发，正在剑桥大学攻读学位的华罗庚立即决定放弃学业，尽快回国，支持祖国的建设。他对祖国的这种信仰，对科学的积极探索精神，以及科学与生产结合的能力都值得学生的学习。

注重科学观和思维方式的培养[19]。实验设计与数据处理课程是统计学在实验实践中的应用，根据课本上每个章节的知识体系，总结出一般的实验设计思路。即首先分析实际的实验问题，选择合适的设计方法，根据设计方法进行方案的设计，然后随机化进行实验，最后利用统计学的方法进行结果分析（如利用有效性检验的方法，根据样品的参数对整体参数做出合理的预测）。结果解析将为进一步的实验指明方向。这种科学的思维方式的提炼渗透在课程讲解的每个阶段，不断地对学生的思维方式进行训练，进而使课程不只停留在知识层面，而是深入到思维方式和科学观培养的层面[20-21]。

4.总结

综上所述，留学生专业课程教学中，通过案例教学法和互动式教学法相结合的教学方式和手段，能够充分调动学生的学习积极性，学生的学习能力和创新思维得到激发，为今后其它专业课程如专业综合实验和毕业设计等环节的学习打下了良好的基础。同时将思政元素融入课堂教学过程中，着重培养学生的科学思维和价值观，获得了来华留学生的一致认可。学生后续无论选择继续在中国深造，或者选择回国做贡献，都实现了一带一路留学生培养中提到的“知华、友华、爱华”的目标，具有一定的推广价值。