实验设计与数据处理课程的教学改革探讨

　　[摘 要]本文针对实验设计与数据处理课程的现状与存在问题进行了分析，从教学实施过程中的教学内容、教学思想、教学方法、实践性环节及考核方式等方面进行了教学探讨。
　　[关键词]实验设计与数据处理；教学方法；教学改革
　　[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0042-03
　　实验设计与数据处理是关于实验设计以及实验数据处理的课程。本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（如确定最优工艺条件或配方，对产品性能进行优化，对产品质量、环境质量做出评价等）的目的。本课程具有理论性强、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[1][2][3]。教师如何讲好实验设计与数据处理课程，使学生更好地掌握理论知识，并应用到实践中，是本课程需要关注的问题。
　　本校的化学工程与工艺、能源化学工程、环境工程等专业都开设了实验设计与数据处理课程，学生们利用本课程所学的知识点很好的解决了专业实验和毕业论文中遇到的问题，取得了良好的教学效果。笔者结合本校实际教学情况，在教学过程中不断对教学大纲和教学方法进行改进和完善，转变教学观念，改革教学方法，以“学生”为核心，引导学生掌握本课程理论知识，培养学生自主学习能力，使学生最终能够灵活运用所学理论知识解决实际问题。通过教学方法和教学手段的改革，做好本校实验设计与数据处理课程的教学工作，以培养能解决实际问题的应用型人才。
　　一、合理组织教学内容，优化内容体系
　　实验设计与数据处理课程只有24学时。本课程涉及的计算公式较多，课程比较抽象，需要用微积分、统计学等数学知识来计算，计算过程比较复杂，在如此有限的时间内，要教好这门课程非常困难。为了降低学习难度，突出学习内容的实用性，需要对教学内容进行精心设置。
　　本课程的教学内容主要分为两大部分，一是实验设计，二是数据处理。其中实验设计方法主要包括优选法、正交实验设计、均匀设计、配方设计等；数据处理方法主要包括误差分析、表图表示方法、方差分析、回归分析等。在课程的结构层次上，使学生全面把握本课程的知识体系，区分各种实验设计方法和数据处理方法之间的区别和联系，理解本课程的基本理论知识，能够灵活应用基本理论解决实际问题，在应用中加深对理论知识的理解，做到理论知识与应用相互贯通，使学生在学习公式时不觉得枯燥，在应用时又有理论指导。如：正交实验设计和均匀设计是非常相似的实验设计，都需要借助经验表来安排实验，不同之处是均匀设计不考虑试验点的“整齐可比”，只考虑“均匀分散”，并需要引出相关的例子进行讲解。
　　我校化学工程与工艺、能源化学工程和环境工程专业使用的教材是化学工业出版社李云雁主编的《试验设计与数据处理》[4]，该书涵盖了我们要选择的内容，难度适宜，实用性强，每一章内容都用一定的篇幅介绍常用的数据处理工具Excel的应用。教材满足了各知识点的介紹，并且引入了计算机最新数据处理软件，在数据分析时提高了工作效率，有利于培养学生快速解决实际问题的能力。如对单因素试验进行方差分析时，需要计算出平均值、离差平方和、自由度、均方、F值，然后查F分布表，进行比较，得出结论，如果采用计算器计算，由于传递性误差导致结果准确度较低，并且计算量大。而采用Excel中分析工具库的“方差分析：单因素分析”，只需输入数据，选择所需要的选项，即可立刻得到方差分析表，误差小并且计算速度快。在学习实验设计方法中，掌握各个方法的使用范围，更能快速的采用合适方法来安排实验方案，确定最优方案。如，优选法适用于实验指标与因素间无法用数学形式表达或者表达式很复杂；正交实验设计适用于多因素的实验，因素的水平数较少时；均匀设计适用于实验因素变化范围较大，需要取较多水平时；配方实验设计适用于因素是配比（百分比、百分率等）时，因素一般是不独立的。
　　在数据处理过程中，涉及大量的数学理论公式和原理推导等，学生很难在有限的课时中深刻掌握其全部内容，更难以应用本课程的理论知识来解决实际问题。因此，每个知识点没必要都做到详细讲解，而是重点讲解数据处理和实验设计方法，并结合本专业相近的典型例子进行讲解，强调数据处理方法在实际生产中的应用，激发学生的学习兴趣，加深他们对数学处理方法的理解。如：利用正交实验设计原理对超滤处理高浊度原水系统运行的四个操作参数（浓缩口压力、进水口压力、运行时间、原水浊度）进行实验研究，找到较优的操作条件。
　　二、调整教学思想，改变教学手段
　　教学的目的是学以致用，如果脱离了在实践中的应用，也就背离了教学的最终目的。实践教学发现，学生认为原理公式太多，用处不大，课本上的习题虽然能够解答，但是应用原理知识灵活解决实际问题方面仍不知所措，主要原因是教材的理论知识与实际应用脱节。为了将学科的前沿知识和最新的科研成果融入课堂教学中，教师应该在图书馆或网上广泛搜集相关资料，以文献的形式穿插到教学体系。实例可选自各类教材、网络资源、期刊论文、学生实验及论文等。以经典的方差分析、回归分析、正交实验设计、均匀设计为基础，逐渐增加一些相关科研论文的讲解。例如，2017年第4期《安阳工学院学报》刊出的“方差分析在汽车主观评价中的应用”、2016年第9期《广西植物》刊出的“油棕鲜果穗产量构成因素的相关性和回归分析”、2017年第5期《中国现代中药》刊出的“正交试验设计筛选黄连总生物碱的提取纯化工艺研究”、2017年第17期《食品研究与开发》刊出的“均匀设计法优化超临界CO2萃取丁香精油工艺研究”。
　　在讲授基本概念时，可采用启发式教学。先提出解决问题的客观需要，再进行讲解概念的准确定义，并引入相关实例或例题加以讲解。通过老师的有效引导，促进师生互动讨论，激发学生主动思考和探索方法的兴趣，进而积极参与学习。通过教师一步一步的暗示和提示，学生慢慢领悟其中的原理。每次讲完一个知识点，教师通过提出探索性的问题引导学生积极思考，寻求解决问题的方法。启发式教学方法，可以有效的提高学生的学习兴趣，通过例子可以使学生更加深刻的理解和掌握理论知识。比如，在学习回归正交实验设计时，向学生提出“如果要在某因素的实验范围内选择适当的实验点，该如何确定最优方案”这样的问题，引出回归正交实验设计。前面学习的正交设计的最优方案不是一定实验范围内的最优方案，只是限制在已定的水平上，具有局限性。回归正交实验设计可以在因素的实验范围内选择适当的实验点，用较少的实验点建立回归方程，更好的解决实验优化问题。

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