實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)改革探討

　　[摘 要]本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的現(xiàn)狀與存在問題進(jìn)行了分析，從教學(xué)實(shí)施過程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思想、教學(xué)方法、實(shí)踐性環(huán)節(jié)及考核方式等方面進(jìn)行了教學(xué)探討。
　　[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理；教學(xué)方法；教學(xué)改革
　　[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）07-0042-03
　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的課程。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和處理的技能，最終達(dá)到提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力（如確定最優(yōu)工藝條件或配方，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量做出評(píng)價(jià)等）的目的。本課程具有理論性強(qiáng)、涉及面廣、實(shí)踐性要求高等特點(diǎn)，它以概率理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不僅要求培養(yǎng)學(xué)生的理論思維方式，更注重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)與解決工業(yè)實(shí)際問題的能力，是一門理論性與應(yīng)用性并重的課程[1][2][3]。教師如何講好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程，使學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)，并應(yīng)用到實(shí)踐中，是本課程需要關(guān)注的問題。
　　本校的化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、環(huán)境工程等專業(yè)都開設(shè)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程，學(xué)生們利用本課程所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)很好的解決了專業(yè)實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文中遇到的問題，取得了良好的教學(xué)效果。筆者結(jié)合本校實(shí)際教學(xué)情況，在教學(xué)過程中不斷對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)和完善，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改革教學(xué)方法，以“學(xué)生”為核心，引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生最終能夠靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題。通過教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，做好本校實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)工作，以培養(yǎng)能解決實(shí)際問題的應(yīng)用型人才。
　　一、合理組織教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化內(nèi)容體系
　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程只有24學(xué)時(shí)。本課程涉及的計(jì)算公式較多，課程比較抽象，需要用微積分、統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)學(xué)知識(shí)來計(jì)算，計(jì)算過程比較復(fù)雜，在如此有限的時(shí)間內(nèi)，要教好這門課程非常困難。為了降低學(xué)習(xí)難度，突出學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)用性，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)置。
　　本課程的教學(xué)內(nèi)容主要分為兩大部分，一是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，二是數(shù)據(jù)處理。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要包括優(yōu)選法、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)等；數(shù)據(jù)處理方法主要包括誤差分析、表圖表示方法、方差分析、回歸分析等。在課程的結(jié)構(gòu)層次上，使學(xué)生全面把握本課程的知識(shí)體系，區(qū)分各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)處理方法之間的區(qū)別和聯(lián)系，理解本課程的基本理論知識(shí)，能夠靈活應(yīng)用基本理論解決實(shí)際問題，在應(yīng)用中加深對(duì)理論知識(shí)的理解，做到理論知識(shí)與應(yīng)用相互貫通，使學(xué)生在學(xué)習(xí)公式時(shí)不覺得枯燥，在應(yīng)用時(shí)又有理論指導(dǎo)。如：正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)是非常相似的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，都需要借助經(jīng)驗(yàn)表來安排實(shí)驗(yàn)，不同之處是均勻設(shè)計(jì)不考慮試驗(yàn)點(diǎn)的“整齊可比”，只考慮“均勻分散”，并需要引出相關(guān)的例子進(jìn)行講解。
　　我�；瘜W(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程和環(huán)境工程專業(yè)使用的教材是化學(xué)工業(yè)出版社李云雁主編的《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》[4]，該書涵蓋了我們要選擇的內(nèi)容，難度適宜，實(shí)用性強(qiáng)，每一章內(nèi)容都用一定的篇幅介紹常用的數(shù)據(jù)處理工具Excel的應(yīng)用。教材滿足了各知識(shí)點(diǎn)的介紹，并且引入了計(jì)算機(jī)最新數(shù)據(jù)處理軟件，在數(shù)據(jù)分析時(shí)提高了工作效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生快速解決實(shí)際問題的能力。如對(duì)單因素試驗(yàn)進(jìn)行方差分析時(shí)，需要計(jì)算出平均值、離差平方和、自由度、均方、F值，然后查F分布表，進(jìn)行比較，得出結(jié)論，如果采用計(jì)算器計(jì)算，由于傳遞性誤差導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度較低，并且計(jì)算量大。而采用Excel中分析工具庫(kù)的“方差分析：?jiǎn)我蛩胤治觥�，只需輸入�?shù)據(jù)，選擇所需要的選項(xiàng)，即可立刻得到方差分析表，誤差小并且計(jì)算速度快。在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中，掌握各個(gè)方法的使用范圍，更能快速的采用合適方法來安排實(shí)驗(yàn)方案，確定最優(yōu)方案。如，優(yōu)選法適用于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與因素間無法用數(shù)學(xué)形式表達(dá)或者表達(dá)式很復(fù)雜；正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)適用于多因素的實(shí)驗(yàn)，因素的水平數(shù)較少時(shí)；均勻設(shè)計(jì)適用于實(shí)驗(yàn)因素變化范圍較大，需要取較多水平時(shí)；配方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)適用于因素是配比（百分比、百分率等）時(shí)，因素一般是不獨(dú)立的。
　　在數(shù)據(jù)處理過程中，涉及大量的數(shù)學(xué)理論公式和原理推導(dǎo)等，學(xué)生很難在有限的課時(shí)中深刻掌握其全部?jī)?nèi)容，更難以應(yīng)用本課程的理論知識(shí)來解決實(shí)際問題。因此，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)沒必要都做到詳細(xì)講解，而是重點(diǎn)講解數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合本專業(yè)相近的典型例子進(jìn)行講解，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深他們對(duì)數(shù)學(xué)處理方法的理解。如：利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)超濾處理高濁度原水系統(tǒng)運(yùn)行的四個(gè)操作參數(shù)（濃縮口壓力、進(jìn)水口壓力、運(yùn)行時(shí)間、原水濁度）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，找到較優(yōu)的操作條件。
　　二、調(diào)整教學(xué)思想，改變教學(xué)手段
　　教學(xué)的目的是學(xué)以致用，如果脫離了在實(shí)踐中的應(yīng)用，也就背離了教學(xué)的最終目的。實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為原理公式太多，用處不大，課本上的習(xí)題雖然能夠解答，但是應(yīng)用原理知識(shí)靈活解決實(shí)際問題方面仍不知所措，主要原因是教材的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。為了將學(xué)科的前沿知識(shí)和最新的科研成果融入課堂教學(xué)中，教師應(yīng)該在圖書館或網(wǎng)上廣泛搜集相關(guān)資料，以文獻(xiàn)的形式穿插到教學(xué)體系。實(shí)例可選自各類教材、網(wǎng)絡(luò)資源、期刊論文、學(xué)生實(shí)驗(yàn)及論文等。以經(jīng)典的方差分析、回歸分析、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，逐漸增加一些相關(guān)科研論文的講解。例如，2017年第4期《安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)》刊出的“方差分析在汽車主觀評(píng)價(jià)中的應(yīng)用”、2016年第9期《廣西植物》刊出的“油棕鮮果穗產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性和回歸分析”、2017年第5期《中國(guó)現(xiàn)代中藥》刊出的“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選黃連總生物堿的提取純化工藝研究”、2017年第17期《食品研究與開發(fā)》刊出的“均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化超臨界CO2萃取丁香精油工藝研究”。
　　在講授基本概念時(shí)，可采用啟發(fā)式教學(xué)。先提出解決問題的客觀需要，再進(jìn)行講解概念的準(zhǔn)確定義，并引入相關(guān)實(shí)例或例題加以講解。通過老師的有效引導(dǎo)，促進(jìn)師生互動(dòng)討論，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考和探索方法的興趣，進(jìn)而積極參與學(xué)習(xí)。通過教師一步一步的暗示和提示，學(xué)生慢慢領(lǐng)悟其中的原理。每次講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師通過提出探索性的問題引導(dǎo)學(xué)生積極思考，尋求解決問題的方法。啟發(fā)式教學(xué)方法，可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過例子可以使學(xué)生更加深刻的理解和掌握理論知識(shí)。比如，在學(xué)習(xí)回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，向?qū)W生提出“如果要在某因素的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)點(diǎn)，該如何確定最優(yōu)方案”這樣的問題，引出回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。前面學(xué)習(xí)的正交設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案不是一定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)方案，只是限制在已定的水平上，具有局限性�；貧w正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以在因素的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)點(diǎn)，用較少的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)建立回歸方程，更好的解決實(shí)驗(yàn)優(yōu)化問題。

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