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

1、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：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(wèn)題進(jìn)行了分析，從教學(xué)實(shí)施過(guò)程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思想、教學(xué)方法及實(shí)踐性環(huán)節(jié)這幾個(gè)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)改革實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理旨在培養(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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力（如確定最優(yōu)工藝條件或配方）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(wèn)題的能力，是一門理論性與應(yīng)用性并重的課程1-3

2、。教師如何講好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程、學(xué)生怎樣高效的學(xué)以致用，探討這一問(wèn)題有助于對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，因此是非常值得研究的問(wèn)題。筆者結(jié)合本校實(shí)際教學(xué)情況，改革傳統(tǒng)教學(xué)觀念，強(qiáng)調(diào)以“學(xué)生”為中心，引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程的基本原理和應(yīng)用方法，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力；力爭(zhēng)通過(guò)教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，把本校實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)工作開(kāi)展好，培養(yǎng)能解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用型人才。1、 合理組織教學(xué)內(nèi)容，整體優(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(lái)計(jì)算，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，在如此有限的時(shí)間內(nèi)，要教學(xué)好這門課程。為了降低學(xué)

3、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，我們需要理清不同內(nèi)容間的區(qū)別和聯(lián)系，使學(xué)生能夠全面把握課程的整體構(gòu)架，正確理解本課程的基本概念，能夠靈活應(yīng)用基本原理解決實(shí)際問(wèn)題，做到原理和應(yīng)用相互呼應(yīng)，使學(xué)生對(duì)公式的學(xué)習(xí)不覺(jué)得枯燥，在應(yīng)用時(shí)又有據(jù)可依。我校化學(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

4、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。如對(duì)雙因素重復(fù)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，由于誤差傳遞性導(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：可重復(fù)雙因素分析”，只需輸入數(shù)據(jù)，選擇所需要的選項(xiàng)，即可立刻得到方差分析表，速度快且準(zhǔn)確。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(lái)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)與因素間不能用數(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

5、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)因素變化范圍較大嗎，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），因素一般是不獨(dú)立的。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，涉及大量的數(shù)學(xué)理論公式和原理推導(dǎo)等，學(xué)生難以在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)充分理解，掌握其全部?jī)?nèi)容，更難以將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于分析實(shí)際問(wèn)題。因此，不必對(duì)教材內(nèi)容面面俱到地講授，重點(diǎn)講解分析步驟和公式的應(yīng)用，并結(jié)合化工、環(huán)工等各專業(yè)的特點(diǎn)多講解例題，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。2、 調(diào)整教學(xué)思想，豐富教學(xué)手段，貫徹“以應(yīng)用為主要目的”的教學(xué)思路學(xué)以致用，教學(xué)如果脫離了應(yīng)用，也

6、就脫離了其發(fā)展土壤。實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)原理公式太多，用處不大，雖然依照實(shí)例能夠解決某些問(wèn)題，但是在靈活應(yīng)用原理解決實(shí)際問(wèn)題方面不夠理想，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到課堂教學(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。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(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)期刊“方差分析在汽車主觀評(píng)價(jià)中的應(yīng)用”、2016年第9期廣西植物期刊“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)代中藥期刊“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選黃連總生物堿

7、的提取純化工藝研究”、2017年第17期食品研究與開(kāi)發(fā)期刊“均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化超臨界CO2萃取丁香精油工藝研究”。三、改進(jìn)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要中明確指出：教育現(xiàn)代化，具體包括教育觀念現(xiàn)代化、教育內(nèi)容現(xiàn)代化、教育裝備現(xiàn)代化、師資隊(duì)伍現(xiàn)代化等。因此，在授課過(guò)程中，教學(xué)方法的現(xiàn)代化非常重要。在教學(xué)中，應(yīng)始終以學(xué)生為本，無(wú)論是在課堂教授中，還是在課件制作中，時(shí)刻要考慮學(xué)生的感受，是否能接受，是否聽(tīng)得懂。制作的課件一定要生動(dòng)活潑、易于理解；并注意信息輸出速率與思維速度匹配問(wèn)題。充分運(yùn)用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，輔以傳統(tǒng)板書教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)和條理。板書和多媒體誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣仍然存在爭(zhēng)

8、論，但學(xué)習(xí)效率和激發(fā)了多少腦部興奮區(qū)域有關(guān)，手、眼、口、耳都參加的活動(dòng)肯定比坐著光用眼睛看的學(xué)習(xí)更有效率，更加印象深刻。多媒體包括了彩色文字、圖片、動(dòng)漫、視頻等現(xiàn)代表現(xiàn)手段，能充分調(diào)動(dòng)同學(xué)們的好奇心和求知欲。故在教學(xué)過(guò)程中，充分運(yùn)用多媒體信息量大、方式多樣、圖文并茂的特點(diǎn)使同學(xué)們對(duì)此有更直觀的認(rèn)識(shí)；同時(shí)，輔以必要的板書，尤其在重要的公式推導(dǎo)過(guò)程中使用板書，取得較好的教學(xué)效果5。啟發(fā)式教學(xué)對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)質(zhì)量往往能達(dá)到事半功倍的效果。在講授基本概念時(shí)，可以先提出解決問(wèn)題的客觀需要，再講解概念的準(zhǔn)確定義，并結(jié)合實(shí)例或例題加以說(shuō)明。這樣的教學(xué)方式可以在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，加深他們

9、對(duì)基本概念的理解。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(wèn)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)的優(yōu)方案只能限制在已定的水平上，而不是一定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)方案。回歸正交實(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)建立回歸方程，能解決實(shí)驗(yàn)優(yōu)化問(wèn)題。為達(dá)到更好的教學(xué)效果，每二到三節(jié)課，利用數(shù)分鐘至十分鐘都布置一道課堂練習(xí)題，并且在下次課時(shí)對(duì)上次布置的練習(xí)題作講解。這些練習(xí)與課后布置的習(xí)題起到相輔相成的作用，進(jìn)一步加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握。同時(shí)，習(xí)題課采用討論式，讓學(xué)生自由上臺(tái)發(fā)表意見(jiàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性，

10、發(fā)揮學(xué)生的積極性，活躍課堂氣氛。學(xué)生之間充分討論后再由教師進(jìn)行總結(jié)歸納，講解解題的關(guān)鍵，指出所用到的知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)可能出錯(cuò)的地方及原因嗎，以此加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。例如，在學(xué)習(xí)“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)”這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的檢驗(yàn)其方法容易混淆，只要掌握引起隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的原因以及各個(gè)方法適用的條件就可以牢固掌握其檢驗(yàn)方法。四、加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)，強(qiáng)化能力的培養(yǎng)教學(xué)與科研是相輔相成的，將科研與實(shí)驗(yàn)很好地結(jié)合起來(lái)，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有很大好處。我們從教師的科研中選取一部分較成熟的內(nèi)容，加強(qiáng)了工藝類的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。由于這一類的實(shí)驗(yàn)是科研的一部分，內(nèi)容比較新，與實(shí)際聯(lián)系較緊密

11、，盡管有時(shí)影響因素較難控制，但學(xué)生做起來(lái)很感興趣，在一定程度上提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，開(kāi)闊視野，取得較好的學(xué)習(xí)效果。另一方面，吸收一些學(xué)有余力的學(xué)生參與教師的科研工作，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行一些科學(xué)研究6。如，甲醛是來(lái)自家具和裝修材料中最嚴(yán)重的污染物，它是一種具有較高毒性的物種，長(zhǎng)期接觸低劑量的甲醛可引起呼吸道疾病、細(xì)胞核的基因突變、白血病等疾病，因此，選用催化劑來(lái)催化氧化甲醛，將其分解成CO2和H2O7，影響甲醛轉(zhuǎn)化率的因素主要有反應(yīng)溫度、催化劑種類兩個(gè)因素，每個(gè)因素的水平數(shù)為4，試用正交設(shè)計(jì)表來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，這是一個(gè)典型的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并且與我們的日常生活緊密相連，這樣讓同學(xué)們感受到學(xué)以致用的

12、快感，從而加深對(duì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理解，并靈活運(yùn)用到實(shí)際中。五、結(jié)論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程是一門實(shí)用性非常強(qiáng)的學(xué)科，同時(shí)也是一門與時(shí)俱進(jìn)的學(xué)科。通過(guò)以上的教學(xué)改革，較好的解決了現(xiàn)階段我校實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理教學(xué)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，使同學(xué)們?cè)诳s短了的教學(xué)時(shí)段里，掌握本課程的中心內(nèi)容及解決實(shí)際問(wèn)題所必須具備的方法技巧，更是同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中，不感到枯燥乏味，始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望，為培養(yǎng)實(shí)用型創(chuàng)新人才打下了有利的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1張素斌，劉燕芳試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)探討J廣東化工，2014，4（41）：120-1222任永勝，段瀟瀟大化工類研究生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)實(shí)踐與探索J廣東化工，2012，40（1）：133-1363吳學(xué)棟，胡芳教學(xué)微案例設(shè)計(jì)及知識(shí)點(diǎn)萃取以“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”雙語(yǔ)課教學(xué)為例J黑龍江紡織，2016，3：28-3