淺談專業(yè)實例在實驗設(shè)計課堂教學(xué)中的應(yīng)用

試驗設(shè)計是工科院校學(xué)生必須掌握的基本實驗技能。立足于課堂教學(xué)的基本模式，著重闡述了如何結(jié)合專業(yè)實例，提高實驗設(shè)計各階段的課堂教學(xué)效果。強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中突出專業(yè)特色，加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng)。

試驗設(shè)計專業(yè)實例教學(xué)效果試驗設(shè)計內(nèi)容豐富，涉及自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，而具體的試驗設(shè)計方法種類很多。如單因素試驗設(shè)計、多因素試驗設(shè)計、拉丁方設(shè)計、正交試驗設(shè)計、均勻試驗設(shè)計、回歸設(shè)計、穩(wěn)健設(shè)計、可靠性設(shè)計等；數(shù)據(jù)的分析處理有直觀分析、方差分析、回歸分析，等等。因此，在課堂教學(xué)內(nèi)容組織和知識側(cè)重點的處理上，應(yīng)結(jié)合各專業(yè)特色、突出重點，進(jìn)而提高課堂教學(xué)效果。

一、統(tǒng)計檢驗基礎(chǔ)的教學(xué)方式

統(tǒng)計檢驗是試驗設(shè)計的基礎(chǔ)，應(yīng)從以下幾個方面講授：

首先，是基本概念，如總體、個體、樣本、統(tǒng)計量、參數(shù)估計、抽樣檢驗等。

其次，是統(tǒng)計檢驗的基本思路和方法，如原假設(shè)、顯著水平、小概率事件等。

再次，是總體均值檢驗和方差檢驗。如U檢驗、T檢驗、F檢驗等，其中T檢驗F檢驗是課程的重點。講授T檢驗時，筆者選用的實例是“某礦井選煤廠原煤按礦車計量，礦車的標(biāo)稱容量為1噸，抽查了10個礦車，實際容量為：1.05，0.98，1.08，0.97，0.88，0.92，0.95，0.94，0.89及0.96噸。試問實際容量與標(biāo)稱之間有無差異？”講授F檢驗時，選用了“某選煤廠推行全廠技術(shù)改造前，某月的123批精煤灰分的平均值=5.39%，標(biāo)準(zhǔn)差s1=0.211%；實行技術(shù)改造后的一個月份抽取100批精煤，灰分的平均值=5.89%，標(biāo)準(zhǔn)差s2=0.160%。試檢驗前后精煤質(zhì)量的穩(wěn)定性是否有顯著性改善?！睘閷嵗?。這兩個例子與本專業(yè)緊密結(jié)合，突出了實用性。采用這樣的課堂教學(xué)方式，學(xué)生既掌握了兩種統(tǒng)計檢驗方法，同時也進(jìn)一步了解了煤炭行業(yè)的技術(shù)特點。

二、單因素試驗的教學(xué)內(nèi)容

單因素試驗設(shè)計是理工科學(xué)生常用的設(shè)計方法；特點是簡單、快捷。其中，常用方法有平方法、均分法、黃金分割法、斐波那契分?jǐn)?shù)法及分批試驗設(shè)計法。課堂講授時能引用的例子很多。但如果結(jié)合本專業(yè)特點，引用專業(yè)科研實例，學(xué)生的認(rèn)知性會更高。例如，講授黃金分割法時可以舉以下實例以豐富教學(xué)內(nèi)容：“某選礦廠研究磨礦細(xì)度x對選礦金屬回收率的影響。已知磨礦細(xì)度范圍為小于200網(wǎng)目含量為80%～95%。要求利用黃金分割試驗設(shè)計尋求最佳磨礦細(xì)度。”通過本例，可以使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到磨礦技術(shù)指標(biāo)的具體要求。

三、回歸分析的教學(xué)應(yīng)用

回歸分析是應(yīng)用極其廣泛的數(shù)據(jù)分析方法之一。它基于觀測數(shù)據(jù)建立變量間適當(dāng)?shù)囊蕾囮P(guān)系，以分析數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，并可用于預(yù)報、控制等問題。課堂上，僅把一元線性回歸作為主要講授內(nèi)容，其他如內(nèi)容可讓學(xué)生自學(xué)。由于回歸分析難于理解，可結(jié)合專業(yè)特色，讓學(xué)生利用專業(yè)試驗中的數(shù)據(jù)分析來應(yīng)用回歸方法。選用的例子如下：“某煤化所發(fā)現(xiàn)，煤炭的發(fā)熱量與煤炭含灰量間往往有很好的線性關(guān)系，表1中是該所對某礦井的十個煤樣灰分Af%與發(fā)熱量QfDT（MJ/Kg）的實測數(shù)據(jù)，試求出QfDT對Af%的回歸方程，并檢驗QfDT對Af%有無顯著的線性關(guān)系?！?/p>

該例子讓很多學(xué)生認(rèn)識到，煤炭的灰分與發(fā)熱量有一定的線性關(guān)系，而且，通過回歸分析可以建立變量之間的模型，對今后的專業(yè)實驗有很好的指導(dǎo)性。

四、正交試驗設(shè)計的教學(xué)模式

正交試驗設(shè)計是處理多因素試驗的一種科學(xué)的試驗方法，是多因素優(yōu)化試驗設(shè)計中最典型的試驗方法之一，它從全面試驗中挑選出部分有代表的試點進(jìn)行試驗，使之具有“均衡”和“整齊”的特點，是拉丁方試驗設(shè)計方法的進(jìn)一步擴(kuò)展和推廣，因而具有很高的效率及廣泛的應(yīng)用。

該內(nèi)容是整個試驗設(shè)計課程的教學(xué)重點，也是學(xué)生必須掌握的試驗設(shè)計方法之一。因此，課程的教學(xué)模式更應(yīng)該結(jié)合實際，以提升學(xué)生的設(shè)計能力和應(yīng)用能力。教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋以下方面：正交表的介紹、正交試驗設(shè)計基本方法、有交互作用的正交試驗設(shè)計、多指標(biāo)的正交試驗設(shè)計、水平不等的正交試驗設(shè)計、重復(fù)試驗與重復(fù)取樣的正交試驗設(shè)計的方差分析。

在講授正交試驗的方差分析時，選用了“煤炭灰化試驗”為實例，考察升溫方式、通風(fēng)方式和最終溫度三個因素水平的變化對灰化指標(biāo)效果優(yōu)劣的影響。利用方差分析，確定各因素對試驗結(jié)果影響的顯著程度大小和影響的變化規(guī)律，進(jìn)而確定最佳實驗方案。

為了培養(yǎng)學(xué)生的主動設(shè)計能力，我們結(jié)合專業(yè)特點，為學(xué)生安排了一項“選煤廠煤泥浮選工藝條件優(yōu)化”實驗。要求用正交試驗設(shè)計在精煤灰分穩(wěn)定的前提下，以精煤產(chǎn)率最大化為試驗指標(biāo)，尋找最優(yōu)浮選工藝條件。第一步，篩選試驗因素；建議學(xué)生從中選出3～5個主要因素，如礦漿濃度、捕收劑、起泡劑加入量、充氣量、攪拌時間等。第二步，確定因素水平；為了減少試驗量，建議學(xué)生在試驗初期選取2～3個水平數(shù)為宜。第三步，選正交表，確定正交試驗方案；建議兩水平試驗首選L8（27），三水平的可選L9（34，），如考慮交互作用，一定要把交互作用列放到指定的列上，這樣就確定了一個正交試驗方案。按照正交表中的各因素水平的搭配條件，正確完成每一個實驗。為提高實驗精度，要求每個實驗重復(fù)一次。第四步，數(shù)據(jù)處理，建議采用有重復(fù)的正交試驗方差分析方法，確定各因素的顯著性水平及對精煤產(chǎn)率指標(biāo)影響程度的主次順序，最終找出最優(yōu)的實驗條件，并給出后續(xù)的優(yōu)化方向。

通過這種訓(xùn)練，學(xué)生不但進(jìn)一步掌握了試驗設(shè)計的基本方法，而且通過專業(yè)試驗發(fā)現(xiàn)：浮選過程中不僅捕收劑、起泡劑及礦漿濃度等因素對產(chǎn)品指標(biāo)有顯著影響，捕收劑與起泡劑之間的交互作用也是不可忽視的影響條件。這對提升了學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)知性有很大的幫助。

五、序貫試驗設(shè)計的教學(xué)方法

在多因素多水平的情況下，為了減少試驗工作量，經(jīng)常應(yīng)用多因素序貫試驗設(shè)計。單因素試驗時，序貫設(shè)計的優(yōu)越性一般不明顯，因為專業(yè)試驗中，每一工藝條件所需考查的水平數(shù)一般不會很多，采用序貫設(shè)計雖可適當(dāng)減少試點數(shù)，卻會增加試驗批次，試驗進(jìn)度不一定會加快。多因素組合試驗時，全面試驗的工作量很大，采用序貫試驗法就可明顯地減少試點總數(shù)，縮短試驗周期。

序貫試驗設(shè)計包括登山法和消去法兩類。登山法中，課堂主要講授最陡坡法，而調(diào)優(yōu)運算和單純形調(diào)優(yōu)法可讓學(xué)生自學(xué)。消去法有0.618法和分批實驗法，可著重講授分批實驗法。

通過這樣典型的專業(yè)實例引用，使序貫試驗的教學(xué)效果得到明顯的改善。

六、結(jié)束語

試驗設(shè)計一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程，實用性很強(qiáng)。如何在有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握其中的主要內(nèi)容，是每一個教師所面臨的問題。因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)根據(jù)不同的學(xué)科和專業(yè)選取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，同時要體現(xiàn)出相應(yīng)的專業(yè)特色，注重實例的選取、注重實踐應(yīng)用，這樣才能進(jìn)一步提升學(xué)生的設(shè)計能力，改善試驗設(shè)計課程的教學(xué)效果。

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