《試驗設計與數據處理》的實踐教學改革

王延敏，韓永芹，張如良

(山東科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266590)

無論是科學研究還是生產實踐，通過科學的試驗設計可以用較少的試驗次數，在較短的時間范圍內達到預期的試驗目標，對試驗產生的大量數據進行合理的分析和處理，可以獲得研究對象的變化規律，達到指導科研和生產的目的。《試驗設計與數據處理》就是學習如何進行試驗設計和數據處理的一門實用的課程[1]。學生學習并熟練掌握這門課程的內容，對之后進行的畢業設計、畢業論文以及今后的工作無疑都是大有裨益的。我校高分子材料與工程專業開設了《試驗設計與數據處理》這門選修課程，它是一門理論和實踐結合緊密、實用性很強的工具課、方法課和試驗技能課。

該門課程教學內容主要包括三個方面：(1)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；(2)數據處理部分主要是讓學生學會對試驗結果采用合理、有效的分析方法，從而發掘出潛在的、有用的信息；(3)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、正交設計助手的使用和SPSS的應用等。如何讓學生在較少的課時量內讓學生牢固快速掌握多種數據分析方法，熟練運用各種試驗設計方法去獨立設計試驗，以及借助先進的計算機軟件進行數據處理和試驗設計？這是丞待解決的關鍵教學問題。本人針對此專門對《試驗設計與數據處理》的實踐教學方面進行了探索性的改革，主要包括構建互動式教學平臺、研究型論文學習、專業問題的探究、加強上機試驗操作以及試卷的綜合性題目等。

1 構建互動式教學平臺

互動式教學平臺可以通過形象直觀、互動演示的全新教學模式,有助于學生對試驗設計及統計學基本理論的理解,并熟練掌握試驗設計常用方法及計算機軟件統計分析功能的實際操作使用技能。該教學平臺包括一個由 Power Point 制作的 ppt 主文件和若干鏈接子文件。ppt 主文件的各演示頁包括課堂教學內容的文本和圖表；而 鏈 接 子 文 件 包 括 viewletcam 制作的視頻文件。該互動式教學平臺的特色之處在于:(1)通過動畫演示,并結合文本和圖表,使學生能對試驗統計中一些抽象的概念和原理有直觀的感受和理解,激發他們的學習熱情。(2)通過視頻演示軟件的使用操作,在播放視頻的同時向學生形象直觀地講解各種統計參數的計算和不同統計方法的區別與使用,避免在教學中由于教師忙于親自操作演示而疏于講解及強調實際使用中可能出現的誤操作。制作的視頻有暫停的功能,學生可以在觀看時隨時提出問題,與教師交流,很好的實現教學互動[2]。

2 研究型論文的學習

針對高分子材料與工程專業的學生，精心挑選并下載中英文學術網站上的經典期刊文章和優秀的本碩論文，結合課本章節的具體內容，將對應的研究型論文講解給學生，從試驗設計到數據處理，系統地分析每個步驟所用的方法以及具體的研究思路，使得學生分析和解決科學問題時有初步的認識和思路，并且加深對課本知識的理解和運用。如在講授“均勻設計”這一章時， 講解均勻設計的基本內容之后，可以增加部分研究型論文，如 2015 年第 2 期 《化工進展》 論文“均勻設計法研究聚四氫呋喃的陽離子開環聚合制備工藝”、 2008 年第 5 期 《現代涂料與涂裝》 論文 “聚醋酸乙烯酯醇解反應影響因素的均勻設計研究”等。通過研究型論文的學習，拓展了學生的知識面，將所學知識和專業知識形成有機的結合。

3 專業問題的探究

在學習試驗設計方法之后，給學生出高分子材料與工程專業試驗問題，讓學生試著用學過的方法對進行試驗設計。單因素優選法主要包括均分法、分數法、黃金分割法和均分分批試驗法等。學習單因素優選法這一章的時候，選取了“通過懸浮聚合法制取分子量在100～150萬范圍的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)”的專業試驗，研究溫度、引發劑濃度、反應時間對聚合物分子量的影響情況。在給定試驗條件最佳點的基礎上，讓學生采用分組討論的方式分別用這幾種方法針對不同的反應條件進行試驗設計。討論式的教學方式可以讓學生積極思考，在各抒己見的激烈討論中碰撞出的“火花”會給學生帶來更多的靈感，討論之后得出集思廣益的最佳答案，同時可以調動學生學習的積極性，提高團結協作能力和用書本知識解決實際問題的實踐能力。

4 加強上機實踐操作

4.1 與時俱進引入新穎軟件

除了常用到的Excel軟件，目前統計數據時用到的較新穎的軟件有SPSS、Origin、Mat-lab、Design-expert等。其中，和Excel相比，SPSS操作簡單，通用性強，易于學習和掌握，結果中圖表清晰，參數明了齊全，目前是非統計專業人員應用最多的統計軟件[3]。在課程教學中采用其進行試驗數據的方差分析和回歸分析等數據處理，能很好完成教學中的數據處理任務。另外，“正交試驗設計助手”是針對正交試驗設計和數據處理開發的一款軟件，軟件中不僅有大多數常見的等水平正交表，專業版還提供了編輯混合表的功能。通過直觀分析結果可以直接得到因素的主次關系和最優化水平，而通過方差分析可以直接判斷出各因素對試驗結果影響的顯著性。學生使用這些軟件可以使很多復雜的試驗設計和數據處理變得簡便易操作，可以省時省力的解決問題，掌握利用現代計算機技術解決問題的方法，對教學起到了很好的推動作用。

4.2 安排可操作性強的上機實習

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。本課程涉及到試驗數據的方差分析、回歸分析等統計分析以及正交試驗設計等試驗設計方法，學生在掌握基本概念和基本理論的基礎上，尚需學會使用相關軟件的應用，所以上機實習環節顯得尤為重要。安排教學任務時，有針對性地安排可操作性強的上機實習，來專門學習和熟練剛學過的與教學內容相關的計算機軟件操作，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。

原來上機試驗平臺的教學能力差，學生上機試驗基本上是按照課本的例題進行計算機學習，缺乏案例試驗設計的平臺，對實踐能力、解決問題的能力及創新能力等方面的培養缺乏行之有效的方法。通過加強上機實踐操作培養學生的解決實際問題的能力。根據專業特點以最新文獻為依據設計有一定挑戰性的上機實踐作業，在規定的時間內讓學生完成，所得分數以一定比例計入總成績，可以督促學生積極學習軟件操作。

5 試卷的綜合性題目

期末考試試卷以綜合性題目為主。試驗設計部分的考察以“通過環加成反應合成聚丙二醇二縮水甘油醚型環狀碳酸酯( 5CC-PPGDGE)”為主題，考慮催化劑 D296 用量、反應時間、反應溫度、反應壓力以及催化劑的活化時間等5個因素對 PPGDGE 轉化率的影響，在給定各因素試驗范圍的情況下，讓學生分別用正交試驗設計法、均勻設計法和回歸正交試驗設計方法設計試驗，并明確試驗方案。通過解答這個綜合性題目，學生應該能掌握對同一個試驗用不同的方法進行試驗設計，開闊思路的同時為下一步的畢業設計打下堅實的基礎。數據處理部分重點考察了正交試驗設計的多指標直觀分析和一次回歸分析，分別選取了“提取金銀花藥材中的綠原酸和木犀草苷的轉化率”和“建立溶聚丁苯橡膠( SSBR) 基復合材料的阿克隆磨耗量與100% 定伸應力的函數關系”兩個主題綜合性題目，提高了學生解決實際問題的能力，讓他們更好地掌握兩種數據處理方法的規范步驟。

綜上所述，通過實踐教學改革《試驗設計與數據處理》這門實用性較強的課程，讓學生增加了學習的興趣和積極性，更迅速掌握常用的試驗設計和數據處理的方法去解決專業問題，了解和熟練運用先進的計算機軟件更高效科學地進行試驗設計和數據處理，從而為今后的科研或工作提供了實用的方法和開闊的思維空間。