新能源材料與器件專業《試驗設計與數據分析》教學方法淺談

倪世兵 肖婷 向鵬 楊學林 豐平

摘要：《試驗設計與數據分析》課程數學理論基礎知識要求較高，公式繁多，推導復雜，對學生的熟練掌握及靈活應用造成了較大困擾。從而筆者提出由簡入深、循序漸進，以例串點、融會貫通，反復強調、孰能生巧，分類引導、多重目標定位的教學思路，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：試驗設計與數據分析；新能源材料與器件；教學效果

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）45-0195-02

近年來，隨著社會的不斷進步和經濟的飛速發展，對能源的需求與消耗不斷增加，新型清潔、無污染能源的開發與利用變得尤為迫切。為適應社會發展需要，教育部2010年公布了新能源材料與器件專業作為我國戰略性新興產業相關專業，從2011年開始招生。目前，全國共有三十余所高校設立該專業，三峽大學作為第二批次獲批建設該專業的院校，于2012年首次招收本專業學生，已經擁有了4年辦學經驗。

該專業在注重培養學生理論基礎知識同時，對學生在試驗動手能力及實踐方面具有較高要求，在人才培養方案中直接體現為《材料制備綜合實驗》與《材料性能綜合實驗》兩門試驗核心課程以及諸多社會實踐環節[1]。而作為培養具有較強實驗及實踐能力學生的理論課程，《試驗設計與數據分析》顯得尤為重要。對其教學方法進行系統研究，將會對新能源材料與器件專業人才培養產生重要的促進作用。目前，開設《試驗設計與數據分析》課程的新能源材料與器件專業比較有限，而關于新能源材料與器件專業《試驗設計與數據分析》課程教學方法的系統研究尚未見報道。基于以上背景，本文擬以三峽大學新能源材料與器件專業為例，淺談在《試驗設計與數據分析》課程教學過程中的幾點體會。

在《試驗設計與數據分析》教學過程中，筆者所選教材為2008經典版李云雁，胡傳榮《試驗設計與數據處理》。該課程主要內容包括：試驗數據誤差分析、試驗數據表圖表示法、試驗的方差分析、試驗數據回歸分析、優選法、正交試驗設計等。主要特點為公式繁多、推導復雜，各章節及知識點之間相對比較獨立。學生在學習過程中記憶難度大，比較容易產生混淆、困惑，有的學生在學習中會產生畏難情緒，中途放棄。筆者通過多年的教學實踐，并廣泛聽取學生的反饋意見，針對該課程的具體特點，總結出了以下幾點教學方法，對學生學習興趣具有明顯提升作用，顯著增強了教學效果。

一、由淺入深，循序漸進

通過調研發現，大部分學生認為試驗就是一個簡單的做試驗的過程，而數據處理，則簡單的理解為把得到的數據做成圖形。學生所缺乏的在于對于試驗設計的理解，沒有接觸過試驗設計系統理論，更不清楚如何將這些理論用于具體試驗過程。在此背景下，筆者通過對教學方法的不斷探索及對比發現，先通過一個學生普遍比較熟悉的例子引入，通過引導學生思考，要怎么做試驗，要怎么呈現試驗結果，使得學生比較容易在腦子里面產生一個試驗、數據分析的總體概念。在此基礎上，針對做試驗的具體過程展開，引導學生思考做試驗的技巧，從而引出試驗設計，進一步系統闡述試驗設計思想及方法，讓學生對試驗設計有更深入的理解。同時，結合試驗中出現的具體問題，引導學生思考試驗所得到結果可能出現的不同問題，進一步引導學生思考應該如何判斷這些問題，從而在簡單作圖基礎上進一步拓展引出數據分析的概念。系統闡述數據處理的基本思想，具體方法。

二、以例串點，融會貫通

《試驗設計與數據處理》課程的一個鮮明的特點在于：所涉及的公式、概念繁多，推導公式比較復雜，且相關性不強。以誤差為例，所涉及的概念有絕對誤差，相對誤差，算數平均誤差，樣本方差，總體方差，樣本標準差，總體標準差等。若簡單的對每個誤差進行介紹，給出其公式并介紹其應用條件，學生往往會覺得十分枯燥，且繁多的公式會造成學生記憶困難。對比而言，如果通過一個具體例子，引導學生思考不同特殊情況下體現數據差別的因素，將誤差的概念逐層深入，便會使學生對于絕對誤差、相對誤差、算數平均誤差、樣本標準差的概念有深刻的理解。另外，各類誤差的檢驗方法是試驗設計與數據分析的基礎，也是學生最容易混淆的重要內容。如果按照傳統的方式進行授課，及先將繁瑣的公式推導，再介紹各種檢驗的簡單應用，教學效果往往不好。通過對比發現，先系統梳理不同檢驗的應用條件，使學生形成誤差檢驗的整理框架，再針對各類誤差的檢驗方法單獨介紹，往往會使學生留下較深刻的印象。最終，通過實例，將相關誤差檢驗的應用串起來，不僅可以給學生留下更深刻的印象，幫助學生記憶，還能培養學生靈活應用能力。

三、反復強調、熟能生巧

熟練掌握《試驗設計與數據處理》課程中相關誤差檢驗標準、方差分析等步驟以及具體公式推導過程對于靈活進行數據處理具有重要意義。然而，相關步驟及公式推導過程往往比較復雜，學生掌握起來通常比較困難。在此情況下，學生很容易產生畏難情緒，半途而廢。針對此情況，采取反復強強調的方式，通過重復的方式不斷加深學生對于相關內容的理解，最終使得學生可以靈活應用。在教學過程中，不斷鼓勵學生堅持學習，給他們明確信息，第一遍沒有聽懂的內容，在后續的教學過程中還有機會重復，只要一遍一遍反復練習，最終都能靈活應用。以方差分析為例，在介紹隨機誤差的F檢驗的時候，便會仔細介紹F檢驗的具體步驟，使得學生留下一定印象。在后續章節介紹方差分析的時候，便會指出其本質乃是F檢驗，引導學生回顧前面章節的F檢驗，通過重復的方式增強學生的理解。然后，對比F檢驗，進行擴展，由簡入深介紹方差分析的具體步驟。最終，通過實例的方式，將方差分析的具體步驟串起來。實例不僅有利于學生的整體記憶，也能幫助他們靈活應用所學各知識點。

四、分類引導、多重目標定位

通過多年教學總結發現，即使采取一些列教學方法改良，仍然有部分學生學習效果不理想，這可能與本身課程的復雜性及單調性有關。在此情況下，準確掌握《試驗設計與數據分析》課程的目標定位，針對學生的具體情況，提出合理的基本要求對于部分學習成績較差的學生學習具有較好的促進作用。學習此課程的主要目的在于能夠利用所學知識有效進行試驗設計及數據分析。通常，試驗設計部分主要集中于一些特殊的試驗方法，這部分不涉及復雜的公式推導過程，因此學生掌握起來相對容易。主要難點在于數據分析，尤其是學生通過分析計算來對試驗數據誤差進行檢驗或者對數據進行方差分析以及回歸分析。而這部分內容在教學過程中也會通過EXCEL進行軟件操作實施得到結論。相對而言，軟件操作更容易掌握，學生學習興趣更高。因此，在此部分教學過程中，明確提出，對于學生的基本要求在于能夠使用軟件操作得到信息，并能從中提出誤差分析、方差分析、回歸分析正確結論，這能顯著增強學生學習積極性。同時，鼓勵學生理解各種誤差分析、方差分析、回歸分析的基本原理，熟練掌握基本步驟及計算過程，這有利于學生對所學知識的靈活應用，這也是對學生的高級要求。

另外，在教學過程中應該盡量引入一些較生動的例子，減小課程教學過程中的單調與鼓噪，使課程本身具有更大吸引力。例如，在介紹課程名稱的時候，我引入實驗、試驗概念，讓學生思考兩者的差別及聯系，并通過幽默風趣的實例減弱學生對這門課程的枯燥印象。在介紹正交試驗設計時介紹日本經濟發展模式，闡述正交實驗設計對于科學研究以及工業生產的重要作用，激勵學生學習積極性。通過合理的技巧可以有效增強學生對《試驗設計與數據處理》課程的掌握，結合教學過程中的特殊風格及對學生的真誠鼓勵，有望顯著提升《試驗設計與數據處理》課程的教學效果。

五、結論

作為核心課程《材料制備綜合實驗》、《材料性能綜合實驗》重要基礎的《試驗設計與數據分析》課程在整個人才培養方案中占有重要地位。通過對《試驗設計與數據分析》教學過程中的具體問題進行深入分析發現，采取由簡入深、循序漸進，以例串點、融會貫通，反復強調、孰能生巧，分類引導、多重目標定位的教學方法能夠顯著改善學生學習積極性，增強教學效果。《試驗設計與數據分析》教學方法總結對于提升新能源材料與器件專業人才實驗動手能力具有重要意義，同時，也將對于其他專業相關課程的教學方法改良提供可行的思路和借鑒。

參考文獻：

[1]朱國斌，照亮，袁海泉，鄭洪河.基于能量轉換與存儲的新能源材料與器件專業試驗課程設置[J].試驗技術與管理，2015，（32）：204-211.