《試驗設計與數據處理》課程教學研究

陳彰旭，李先學，傅明連

（莆田學院 環境與生物工程學院，福建 莆田 361100）

《試驗設計與數據處理》是一門應用領域相當寬廣的現代技術課程，主要介紹工程技術和科研試驗中常用的試驗設計與數據處理方法.通過對本課程的學習，學生能夠掌握試驗設計和數據處理的基本原理和方法，為后續教學環節如專業試驗、畢業論文和今后在工作中開展產品工藝優化、質量管理等工作的順利進行打下良好基礎.該門課程教學內容主要包括兩個方面：試驗設計和數據處理.試驗設計部分主要是讓學生掌握設計試驗的方法，能做到在有限的試驗條件下，用最少的試驗量獲得盡可能多的信息；數據處理部分主要是讓學生學會對實驗結果采用合理、有效的分析方法，從而發掘出潛在的、有用的信息[1].由于《試驗設計與數據處理》課程內容涉及大量的數學公式、計算以及理論推導，學生極易對該課程產生畏懼，尤其是數學基礎較差的學生.如何提高學生學習本門課程的興趣，提高教學效果，是一個亟待研究的課題.

1 與其他課程的聯系

《試驗設計與數據處理》與應用化學專業的其他課程不同，它隸屬于統計學，是將理論和實踐相結合、實用性很強的課程.該門課程又以概率論、線性代數和數理統計為基礎[2]，相應的統計軟件和計算機軟件為工具，如Excel、Origin、正交試驗設計助手等.此外，大量的實例貫穿整個課程始終，這要求學生應該在化工基礎課程和專業課程的學習之后學習本門課程.

2 科學組織教學內容，突出應用性和實用性

2.1 科學教學

應用性本科培養的是運用科學理論從事高技術工作的應用型專門人才，在培養規格上以行業需求為本位，注重知識的復合性、現時性和應用性.培養出的人才應具備綜合運用理論知識和方法解決實際問題的綜合能力和實踐能力，并兼備技術創新能力[3].因此，在教學內容組織和知識側重點的處理上應以結合專業特色、適應行業需要為主旨.試驗設計與數據處理是以統計學原理為基礎的學科，其原理部分涉及到高等數學、概率論和線性代數的知識，這部分內容在基礎課程中已有詳細講述.因此，教學重點放在各種試驗設計方法和數據處理方法的具體應用上，而方法的理論推導過程可以作為學生自學內容.如講解方差分析時，將重點放在方差分析的具體步驟上，而偏差平方和分解過程的推導則作為自學內容；在正交試驗設計及分析部分，教學側重點主要放在如何使用正交表及如何對正交試驗結果作恰當的分析上，而對于正交表的構成原理、特點僅作簡要介紹.

2.2 分析教學對象，合理組織教學內容

2.2.1 分析教學對象

面對眾多的內容，授課者必須了解學生的實際情況，分析社會對學生素質的需求，針對學生自身的實際條件和學校的要求，突出重點.確切了解本科生需要掌握的科學技能，有助于在課程內容安排中突出重點.對于應用化學專業的本科生來講，其主要的科研工作包括簡單的試驗設計、收集和分析實驗結果，主要用到的統計學方法只有t檢驗、方差分析、卡方檢驗、一元線形回歸和正交試驗設計等.因此，在實際教學當中，首先應選用或編寫比較實用的教材，適當刪減不合適的內容，同時對于學生在今后的學習和工作中需要經常用到的內容，如數據比較和正交試驗設計等，應該適當增加課時兩，進行強化和突出.而對于一般教材中涉及比較多的多元線性回歸、多樣本參數檢驗、聚類分析等實踐涉及比較少內容無須分配過多課時.對于生物工程專業或農林專業學生而言，需要采用用不同的試驗設計方法解決實際工作中所遇到的不同問題.應用最廣泛和最具典型性的試驗設計方法有區組設計、正交設計、參數設計、回歸設計、均勻設計等[4]，其中回歸設計、均勻設計應該重點講授和實踐.

2.2.2 合理組織理論教學內容

課程內容應主要包括以下三個部分：一是試驗設計部分，主要講授試驗設計的幾種方法.二是試驗數據分析部分，包括試驗數據的誤差分析，直觀分析和方差分析.在講授的時候，要把兩部分結合起來.按照教材，具體內容包括：誤差的基本知識；單因素優選法；方差分析法；正交試驗設計；正交試驗設計結果的直觀分析；正交試驗設計結果的方差分析；正交試驗設計中正交表的靈活運用；回歸分析；均勻試驗設計.有關顯著性檢驗的知識會在方差分析中講解.三是介紹部分計算機數據處理軟件，主要就是Excel在數據處理過程中的應用.這部分內容在所選教材中被列在最后一章.正交試驗設計是本專業的重點，數據處理有相關的軟件：正交試驗設計助手.

3 優化教學方法，提高教學效果

3.1 多媒體教學與傳統教法相結合

多媒體教學，如PowerPoint等的應用豐富了教學內容，使授課生動活潑，條理清晰，易于學生做課堂筆記.試驗設計與數據分析課程理論性強，公式多，例子中表格復雜，用板書表達速度慢.多媒體教學應用于試驗設計與數據分析課程，可迅速將多種圖表直觀生動地投射給學生，使復雜的理論更加容易講解.同時，多媒體教學可以將教師從繁瑣的板書中解脫出來，使教師有更多時間講授理論知識，充分發揮教師在教學活動中的主導作用，調動學生的思路，從而產生較好的課堂效果.同時，多媒體教學使數據處理軟件的演示和講解成為可能，為課程的應用化和實用化提供了有效的平臺.在多媒體教學中，可以利用數據分析軟件處理具體事例，并將其操作全過程在幻燈片上演示，利于學生模仿練習.

但是在進行某些理論推導的時，傳統板書教學仍有不可替代的優勢，它可以引導學生跟隨教師的思路一步一步前進，使學生對原理的理解更清晰透徹.因此，在數學公式和理論性知識較多的試驗設計與數據分析課程教學中，傳統的板書教學也不能少.應以多媒體教學為主，同時在適當時候輔以傳統板書，以期得到事半功倍的效果.

3.2 結合其他課程的實驗處理和應用實例，提高學習的實用性

3.2.1 課堂教學實例化

課堂教學實例化具有理論聯系實際的特點，可以對工業生產、生活活中的典型案例作重點剖析，以闡述原理，剖析問題，從而加深學生對教學內容的理解，并能讓學生學會用理論知識去分析、判斷和解決問題[5].試驗設計與數據分析的理論部分邏輯性強，公式復雜繁多，抽象而難于理解.這就需要教師列舉大量的實例加以充實，開闊學生的眼界，調動課堂的氣氛，同時加強學生的對統計學理論的理解.只有老師在教學過程中經常聯系、滲透生活中應用統計知識解決問題的例子，學生就自然感覺到統計知識的應用是無處不在、無時不在的.而這些例子的選擇也應盡量符合學生的專業方向，屬于學生比較了解的領域.如對于應用化學高分子方向的學生，課堂例題應該多涉及高分子涂料配方設計與工藝優化的數據處理；而對于應用化學化學與工程方向的學生，課堂講授可以結合化工仿真軟件進行工程設計和數據處理.結合學生專業方向進行授課，一方面可以集中學生的注意力而使之專注于教師講授問題的解決，另一方面可以增加學生對本專業的了解與解決本專業實際問題的經驗和能力.

3.2.2 教學與專業實驗課程相結合

試驗設計與數據分析是科學研究的工具，其實用價值來源于科研實踐.應用化學專業的基礎實驗如有機化學實驗等，專業實驗課程如精細化工實驗等均可以得到大量的數據，充分利用課堂上講到的數據處理方法加以分析練習，是增強本科學生對這一工具的熟練掌握的良好途徑.但是，當前多數實驗課程重點是注重培養學生對實驗技能的掌握，而對數據的收集和處理工作要求并不十分嚴格.這種教學模式不利于培養學生嚴謹的科學態度，也不利于增強學生實際分析解決問題的能力.因此，在建議實驗課程注重數據處理過程之外，試驗設計與數據分析課程的講授應與至少一門專業實驗課程相聯系，即把此實驗課程同時作為試驗設計與數據分析課程的實驗課程.學生同時將實驗報告遞交給試驗設計與數據分析課程教師，以此不斷訓練和督促學生實際處理和分析數據的能力.

3.2.3 仿真與設計結合

除了課堂教學和上機實踐操作外，可結合《化工方針實習》、《化工原理課程設計》、《有機合成單元課程設計》等課程，增加一些開放性的設計研究性的化工實驗，如一氧化氮中低變轉換、乙醇內循環無梯度轉化乙烯等，進一步鞏固掌握《試驗設計與數據處理》課程的精髓.

3.3 強化上機實驗

試驗數據的處理計算量很大，完全依靠手算既浪費時間又容易出錯.而現在有多種軟件，它們可以對數據作各種分析，并能夠在短時間內得到準確的結果.因此，應重視上機環節，要求學生至少掌握1種統計軟件的使用方法，學會用軟件繪圖、計算，并能正確理解分析結果.例如SPSS是一個功能全面的統計分析軟件，操作界面友好，易學易用，廣泛應用于自然科學、社會科學領域[6].在教學過程中安排適當學時進行上機操作，要求學生能夠使用軟件進行平均數假設檢驗、方差分析、多重比較、回歸分析等操作，不僅能增強知識的掌握程度，還可以激發學生的學習興趣，獲得良好的教學效果.

在工業生產中，影響試驗指標的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素與因素之間還存在交互作用，因此，合理設計實驗、對實驗所測測數據進行分析和處理，獲得研究對象的變化規律，達到研究目的，是每個應用化學專業學生需要解決的問題[7].這些知識的訓練通過強化上機可以較快實現.

由于試驗設計與數據分析課程的特有的應用性和實用性，其理論部分考核應該以解決和分析具體問題為主，而不應拘泥于以往固定而復雜的試卷模式.加強學生對軟件的操作能力，上機實驗課后應注意對學生進行上機考核.試驗設計與數據分析是一門實用的工具性課程，需要在學生頭腦中建立理論化的體系，才能使之融會貫通，運用自如.因此，教師在理論授課和上機實驗之余，應給學生不間斷進行系統化復習和練習，使學生對課程所涉及的理論和方法產生整體印象，進而掌握課程的脈絡和具體的統計方法.教師應注意與學生交流，注意加強重點和難點的講述和練習，同時要布置一定數量的習題，幫助學生加強理解，鞏固所學.

4 結束語

應用化學專業所研究的對象涉及到多因素的復雜化工過程，如何通過試驗設計和數據處理來減少試驗次數，節約成本、高效準確獲取可靠信息，實現目標最優化是一個工程技術人員必須掌握的現實問題.《試驗設計與數據處理》課程教學將使應用化學專業學生受益匪淺，為其解決工程的設計、研發、分析與總結奠定良好基礎.《試驗設計與數據處理》課程教學應適應當前社會、科技的發展及應用型人才培養的需要，注重學生的主體性，以培養思維能力、提高實踐能力為主要目的，不斷改革教學模式.

〔1〕李云雁,胡傳榮.實驗設計與數據處理[M].北京:化學工業出版社,2008.

〔2〕楊瑞云,銀小玲,覃江克,等.有機化學多媒體教學的實踐與思考 [J].中國現代教育裝備,2010(2):36-38.

〔3〕徐理勤，顧建民.應用型本科人才培養模式及其運行條件探討[J].高教探索,2007(2):57-60.

〔4〕葉其培.試驗設計與數據處理在農林生產中的應用[J].現代農業科技，2010(10):41-42.

〔5〕宋秀英.淺談農業類院校概率論與數理統計課程的教學[J].科技信息,2008（6）:139,168.

〔6〕薛薇.SPSS統計分析方法及應用[M].北京:電子工業出版社,2004.

〔7〕蔣長興.試驗設計與數據處理課程改革探索[J].輕工科技,2012(3):146-147.