农业工程类研究生《试验设计与统计分析》教学案例库建设

王瑞丽，白晓虎，魏利华

（沈阳农业大学，沈阳 110866）

农业工程类专业学位研究生的培养面向农业工程领域的专业需求，旨在培养出具有坚定理想信念、高尚道德情操和健全人格，具备综合运用所学农业工程专业理论知识和实践技能，能解决工程实际中有关技术问题能力的应用型高层次的工程技术人才。试验设计与统计分析是在科研实践中获取科学数据的主要手段，是研究生开展科学研究、撰写科研论文的主要方法。为了培养研究生的试验设计与数据分析的能力，沈阳农业大学开设了《试验设计与统计分析》课程，并在案例教学方面进行了探讨。

1 课程特点及案例教学思路

《试验设计与统计分析》课程主要讲授试验设计理论、试验设计方法和试验结果分析应用，是培养和提高学生有效使用统计方法和原理进行科学试验的必修课程。该课程以概率论、数理统计为理论基础，并结合科研实践，科学安排试验方案、整理试验数据和分析试验结果，同时明确回答研究项目所提出的问题和尽快获得最优方案[1-2]。课程内容实践性较强，由于学生在开展课题研究之前对具体的科学研究或生产实际调研不深入，在教学中出现了对试验理论理解困难、学习枯燥的情况，而在进行课题的试验设计时又束手无策、无法解决。目前在教学实践中仍采用传统的教学方式，理论讲述比较抽象，实践与理论未有效结合。

案例教学在高等农业院校研究生培养和课程教学中至关重要。沈阳农业大学在研究生课程中设置了3个以上的教学案例，用以培养研究生的实践和创新能力。通过精选案例、讨论分析和总结点评来提高研究生的教学水平和培养质量，同时不断积累与完善课程案例库以保证开展案例教学[3]。

《试验设计与统计分析》课程教学案例库将以大量源于科研实践的试验案例来引导研究生主动获取专业知识，并锻炼其试验设计与统计分析能力，改变了传统的依靠教师讲授的单一模式，促进了师与生、生与生互动。以案例为基础，通过呈现案例的真实工程情境，将理论与实践紧密结合，并引导研究生从案例中学会发现、分析和解决问题，进而使其掌握理论、形成观点、提高实践能力[4]。

2 案例库总体设计和典型案例

2.1 《试验设计与统计分析》案例库总体设计

农业工程试验设计与统计分析主要研究机具或部件等结构参数和工作参数等的优化设计，包括因素试验和数据分析。根据科学试验的递进关系，在《试验设计与统计分析》课程中设置了3 类教学案例，包括单因素试验、正交试验和回归组合试验设计与统计分析，共10学时[3]。结合研究生课程考核，对近5 a发表在农业工程类权威期刊的应用试验设计方法进行科学研究的文章进行归纳、分类和分析讨论，并按试验设计方法整理形成案例库。

2.2 《试验设计与统计分析》典型案例分析

分析案例主要内容包括试验目的、试验因素指标确定、试验方法确定、试验结果分析与讨论。

2.2.1 单因素试验设计 在教学实践和科研过程中，常用单因素试验设计与统计分析来确定影响试验指标的因素和因素的取值范围，从而为进行多因素试验提供依据[5]。选取发表在农业工程类权威期刊上的3～5篇文章作为教学案例：如发表在《农业工程学报》上的文章“甜瓜贴接嫁接机切削装置工作参数优化与试验”，其通过单因素试验，确定了试验因素“切削角度、切削半径和切削高度”对试验指标“接穗切削面角度”和“接穗切削位置”的影响显著，因而切削角度取值范围为-10°～10°，切削半径取值范围为36～42 mm，切削高度取值范围为24～32 mm[6]。

2.2.2 正交试验设计 通过正交试验设计可确定两个以上的试验因素对试验指标的联合影响作用。选取发表在农业工程类权威期刊上的5～10篇文章作为教学案例：如发表在《农业工程学报》上的文章“胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验”，其通过三因素三水平正交试验设计，确定了因素“盘刀类型、转子转速和刀底间隙”对试验指标“单位耗能产量”的影响，同时利用直观分析法和方差分析法确定了影响胡萝卜微粉碎单位耗能产量的主次因素依次为盘刀类型＞转子转速＞刀底间隙，单位能耗产量最大时因素水平最优组合为齿式盘刀、转子转速为1 455 r/min、刀底间隙为7 mm[7]。

2.2.3 回归组合试验设计 结合正交试验设计和回归分析的优点，以追求正交性、旋转性和通用性等优良特性为目标，通过设计试验方案、建立回归关系、进行二元分析和优化求解等步骤来获得试验指标最优时试验因素的最优取值，并通过试验来验证最优取值的合理性。选取发表在农业工程类权威期刊上的5～10篇文章作为教学案例：如发表在《农业机械学报》上的文章“喂入调节式秸秆破包揉丝机设计与试验”，其采用回归组合试验的方法建立了试验指标和试验因素之间的回归模型，并通过方差分析确定出试验指标“标定单位功率生产率”的影响因素的主次顺序依次为电机输出转速、喂入间隙、筛孔直径，最优工作参数组合为电机输出转速1 353 r/min、筛孔直径47 mm、喂入间隙12 cm，验证试验表明整株秸秆的标定单位功率生产率均值满足设计要求[8]。

3 案例教学的实施和效果分析

教学案例库已在我校农业工程与信息技术专业学位硕士研究生课程《试验设计与统计分析》教学中使用了5 a，并根据科研实践持续增加和完善项目案例库。

3.1 教学案例的实施

教学案例的分析和讨论主要体现在课堂讲授、科研实践和课程考核等教学环节，各环节密切联系、相辅相成。通过课前布置任务，要求同学们结合导师团队的科研任务，查阅在农业工程领域利用单因素、正交和回归组合试验设计进行研究的公开出版成果，并精读和分析1～2篇具有代表性的文献。

课堂讲授主要讲解3种试验设计方法的概念、原理和分析步骤。

科研实践主要分析典型文献利用3 类试验设计方法进行机具或工艺优化的过程，重点结合导师科研实践来设计试验方案、参与试验过程并进行试验结果的分析。科研实践要求研究生记录试验全部过程，包括说明试验目的、确定试验指标和试验因素、选择试验设计方法和分析试验结果。

课程考核分为两部分，一是调查并统计当年农业工程学科权威期刊中应用试验设计方法的所有文章，统计文章的标题、摘要、试验设计方法、数据分析软件和结论。近5 a 完成了2012 年以来农业工程类权威期刊论文的统计并建立了案例库。二是在所统计的权威期刊中选择典型案例进行试验设计的再现和分析。利用Excel 辅助计算和DPS、SPSS、Design expert等数据分析软件中的一种进行数据分析，并查找研究生分析结果和原文结论的不同之处及原因。

3.2 案例教学效果

通过案例的分析与再现教学可使研究生的试验设计与统计分析能力、科研创新能力和科技论文撰写能力不断提升。

3.2.1 增强课堂教学活力，促进教学相长 案例教学的精髓在于模拟情境与学习体验，通过课堂讲授案例使研究生深刻体会到试验设计与统计分析对研究生科研的重要性，使其做到认真听讲、踊跃发言、研讨科学试验方法，从而实现师生互动、生生互动。

3.2.2 提高科研创新能力，增加科研成果 通过案例分析、案例再现和课程考核，研究生在科研试验方面的能力得到提升。在进行论文开题时能利用课程所学理论和方法来确定研究对象的试验优化设计方案、开展试验，并对初步试验结果进行分析。在知网查询可知从2010年以来沈阳农业大学研究生通过案例学习和实践，并结合自己课题，与其导师团队发表的有关应用试验优化设计与分析方法的中文文献达260篇，其中学位论文87篇，期刊论文166篇，会议论文7篇；其中发表在各类期刊的论文比例为农业工程学报20%、农业机械学报24%、沈阳农业大学学报34%、其他期刊22%。

3.2.3 提高学生学习能力和工作能力 通过与专业密切相关的典型案例的分析与再实践，使得学生把课程内容和专业科研实践结合起来，有助于提高研究生对专业知识的学习能力，并提高其工作能力。案例教学效果调查问卷结果表明，案例教学使得学生对课程的理解更深刻，其学习能力和学习效果得到显著提升，对研究生毕业后继续进行科研和工作帮助很大。

4 结论

《试验设计与统计分析》是一门多学科交叉的、理论性和实践性都很强的农业工程与信息技术专业学位研究生课程。以试验方法的工程应用为案例来开展教学可再现案例的真实工程情境，培养学生实践能力、设计能力和分析能力。教学实践及调查问卷表明，《试验设计与统计分析》案例教学得到了研究生的普遍认可，激发了学生的学习兴趣。案例有效弥补了课内学习的不足，具有覆盖面广和可拓展性强的优势，提高了农业工程类研究生学习《试验设计与统计分析》课程的兴趣，同时提高了研究生的就业竞争力。