基于科研驱动为目标的《实验设计与数据分析》课程教学改革与实践

丁昌江 宋智青 陈浩 贾芸

摘要：《实验设计与数据分析》课程能够有效指导学生进行科学实验设计和实验结果统计分析，具有很强的实用性和实践性。本文结合教学现状，提出以科研驱动为目标，从教学内容，教学方案和案例教学等几方面入手，对《实验设计与数据分析》研究生课程进行理论与实践融合、实例设计与分析以及多元实践等方面的教学改革。经过教学实践，提高了教学效果。

关键词：实验设计与数据分析；科研驱动；多元实践教学

1 概述

《实验设计与数据分析》是关于实验设计以及实验数据处理的课程，旨在培养学生合理设计实验，并对实验数据进行科学分析和处理的技能，最终达到提高学生分析问题和解决问题的能力的目的，具有理论性强、涉及面广、实践性要求高等特点，它以概率理论、数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，不仅要求培养学生的理论思维方式，更注重培养学生认识与解决工业实际问题的能力，是一门理论性与应用性并重的课程，对研究生的创新意识和创新能力的培养是至关重要的。现在许多高校都开设了《实验设计与数据分析》课程，且各高校都进行了相应的教学改革和实践，取得了一定的研究成果[1-9]。内蒙古工业大学将《实验设计与数据分析》课程作为一门专业选修课，面向物理学硕士研究生进行开设。经过多年的教学探索和文献调研，发现该课程存在一些问题，需要进一步改进。

随着社会的发展，对人才数量和质量的需求也越来越高。《实验设计与数据分析》课程作为培养理工科人才非常重要的一部分，对其教学要求和水平也越来越高。与本科阶段的《实验设计与数据分析》课程教学目的不同，研究生开设该课程更应该注重综合素质和科研能力的培养，加强实践动手能力的训练。因此，进一步深化《实验设计与数据分析》教学改革，构建现代化的《实验设计与数据分析》教学体系和教学模式，能够激发研究生学习兴趣，提升学生独立思考、分析问题和解决问题的综合能力，培养研究生的创新意识和创新能力，具有非常重要的意义。

2 《实验设计与数据分析》教学过程中面临的问题

（1）考取内蒙古工业大学物理学的研究生，本科院校差异非常大。且大多研究生对本科阶段学过的《高等数学》、《数理统计》等基础课程内容掌握不扎实，造成研究生的统计基础薄弱。当教学过程中涉及到统计理论知识时，不少学生感觉该课程难度较大，学习上感到吃力。

（2）现在教学主要以理论为主，对实践部分重视不够，缺少实际案例的讲解，使研究生即使学习了《实验设计与数据分析》课程，仍然不能在实际科学研究中进行应用，理论分析和实际应用严重脱节。在科学研究和撰写论文中仍不能将实验设计思想与数据分析方法进行熟练应用，使得论文中还存在较多的相关错误，这大大降低了物理学研究生的培养质量。

（3）目前该课程仍然“以教师为中心”和“灌输式”教学方法为主的传统教学模式，学生被动地接受知识，教学手段单一。这造成课堂教学过于理论化，加上研究生自身的数学和统计基础相对薄弱，从而使学生高涨的学习热情在学习过程中逐渐消退，难以体现该课程的实践性和应用性特点。

针对教学过程中存在的问题，内蒙古工业大学理学院以科研应用为驱动，从教学内容，教学方案和案例教学等几方面入手，对《实验设计与数据分析》课程进行理论与实践融合、实例设计与分析以及多元实践等多方面的教学改革，取得了一定的教学成果。本文介绍了《实验设计与数据分析》研究生课程的改革思路，总结了我校开展的教学探索、实践和取得的效果，为提高教学效果提供一定的线索。

3 《实验设计与数据分析》课程教学改革

3.1 理论与实践融合

针对《实验设计与数据分析》课程教学中存在的问题，对课程教学模式和内容改革，使之更好地为提升教学效果服务。课程内容主要做了以下几点修改：

（1）将统计原理、公式推导、统计计算等学生难以理解的教学内容进行精简，重点讲解各种实验设计和数据分析的基本方法和理论，让学生能够运用这些知识对实际问题进行简化和建立数学模型，提高其分析问题和解决问题的能力，加强创新能力培养。

（2）利用四学时讲解Endnote，Origin和Excel等几种常用软件的部分内容，在讲解过程中增加Origin和Excel等软件在实验设计与数据分析方面的应用举例。

（3）在教学过程中，将统计与实践之间关系的思想灌输给学生，重点讲解正交实验设计和数据分析，让学生能够真正运用统计学解决实际问题。

3.2 实例设计与分析训练

针对实践部分重视不够的问题，以科研项目为导向，将教师团队在科研过程中的一些实验设计和数据分析方法作为实际案例介绍给学生。主要做法有：

（1）对教师自身科研过程中采用的科学思想、实验方法、数据分析和结果讨论等方面逐一进行讲解。指出随着科技的进步，人们越来越重视实验结果的真实性和可靠性，也就要求我们做科研时拿出更科学的实验设计方案和数据处理方法。重点讲解如何利用数据结果来系统地揭示实验现象和规律，从理论上和数据上探索实验本质。

（2）最近几年主讲教师指导了三项本科生国家级大学生创新项目，一项内蒙古自治区级大学生创新项目和一项内蒙古自治区级研究生创新项目。在完成这些项目过程中，学生遇到了各种实验设计和数据分析方面的问题。在《实验设计与数据分析》教学中，将这些项目作为案例分享给学生，分析他们是如何遇到和解决实验设计和数据分析问题的方法，并指出本科生能够做到的，研究生一定也能做到。

（3）將教师在投稿过程中遇到的问题，特别是审稿人对实验方案和数据分析产生疑问的审稿意见，拿出来作为特殊案例进行重点讲解和分析，让学生知道如何解决和回答审稿人的疑问，并使他们认识到实验设计与数据处理的重要性。

（4）把前期研究生的成功案例放到教学中，让研究生亲身体会本课程的重要性。

通过这些案例，让研究生更形象的充分理解统计理论，将理论联系实际思维方式潜移默化的传递给学生，激发学生的学习兴趣，提升课堂学习效果。

3.3 多元实践教学

针对教学手段单一的问题，改变“以教师为中心”和“灌输式”教学方法，结合多媒体技术，以及现场的软件实例操作，在课堂上进行研究生讲解和讨论式多元化实践教学，转变成“以学生为中心”的教学模式。主要措施有：

（1）教师课上讲解查文献方法和文献管理软件Endnote的用法。让研究生课后完成一定量的相关作业，查阅一些相关文献，结合所学内容和自身科研经历，分析文献中实验设计思想和统计分析方法的合理性。

（2）让一个研究生作为主讲，在课堂上对其课下查找的相关文献进行讲解和分析，其他研究生作为听众，对所讲内容不懂的地方进行提问，让研究生之间产生互动。让研究生对所学内容有更系统和深入的理解，提高了主动学习的热情和科研兴趣。

（3）通过课堂师生间的互动学习，达到教学相长，活跃课堂气氛。

4 结论

经过多年教学改革，取得了一系列较满意的结果，上过《实验设计与数据分析》课程的研究生获得内蒙古自治区研究生创新项目1项，内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目1项；发表科研论文27篇，其中SCI检索18篇（一区top2篇），EI检索2篇；获得内蒙古工业大学校级优秀毕业论文8篇，内蒙古自治区优秀毕业论文2篇。通过《实验设计与数据分析》课程教学模式的系统改革，提高了学生们的学习兴趣，受到了研究生的好评，为培养高质量复合型人才奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 王鸣，薛艳. 环境科学专业“数据分析与实验设计”课程教学改革探讨[J]. 实验技术与管理，2020， 37（2）： 164-167.

[2] 汪冬冬，楚化强. 实验设计与数据处理课程的多元协同教学[J]. 安徽工业大学学报（社会科学版），2019， 36（5）： 86-87.

[3] 冯春来，芮蒙杰，戈延茹. 基于“以学生为中心”的实验设计与数据处理课程教学改革与实践[J]. 教育教学论坛，2019（36）： 98-99.

[4] 廖寅飞. 新工科背景下《试验设计与数据处理》研究生课程的教学改革与实践[J]. 教育教学论坛，2019（32）： 118-120.

[5] 易庆平，王劲松，朱德艳，等. 基于创新能力培养的实验设计与数据处理课程改革与实践[J]. 高教学刊，2019（3）： 28-29.

[6] 卢素红，范峥，黄风林，等.实验设计与数据处理课程的教学改革探讨[J].大学教育，2018， （7）： 42-44.

[7] 齐铁月，安山龙.《实验设计与数据处理》 课程教学改革与探索[J]. 广东化工，2022， 50（17）： 187-188.

[8] 党丹，赵盈盈，孙万鹏，等. 实验设计与数据处理课程教学改革[J].中国冶金教育，2022， （6）： 49-50.

[9] 刘叶凤，李延芬，丁杰，等.《实验设计与数据处理》课程教学实践与探索——应用型本科院校化工类[J].广东化工，2021， 48（17）： 225-226.

基金项目： 内蒙古工业大学研究生教育教学改革项目（ YJG2020028和YJG2021011）；内蒙古自治区研究生教学改革项目（JGCG2022089）；内蒙古自治区教育科学研究“十三五”规划课题（NGJGH2019095）；内蒙古工业大学教学改革项目（2021239）

作者简介： 丁昌江（ 1978—   ） ，男，內蒙古呼伦贝尔人，博士，教授，主要从事《大学物理实验》、《近代物理实验》、《实验设计与数据分析》和《高电压与放电等离子体应用》等课程的教学工作和电磁场技术与应用、放电等离子体应用方面的科研工作。