基于Design-expert的試驗設計與統計課程研究生教學改革實踐

頓國強 姜新波

摘要 為實現農業機械化專業碩士研究生利用課程所學知識解決實際問題能力的培養目標，達到試驗設計與統計課程的教學目的，將Design-expert試驗設計分析軟件引入到試驗設計與統計的課程教學中，對教學內容、課程資源、教學模式及考核方式等方面進行了改革實踐，提出了翻轉課堂+報告+課程論文的教學考核模式。結果表明，課程改革激發學生學習興趣，調動學生自主性，降低學習難度，提升了學生使用Design-expert完成試驗設計與統計分析應用能力，并鍛煉了學生的文獻查閱、語言表達、寫作技能、科學研究等方面的能力，同時提升了學生的綜合素質，顯著提高了整體教學質量。

關鍵詞 試驗設計與統計;design-expert;農業機械化;研究生;教學改革

中圖分類號 G 642;G 643? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）21-0280-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.073

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Reform Practice of Test Design and Statistics Courses for Postgraduate Students Based on Design-expert

DUN Guo-qiang， JIANG Xin-bo

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract In order to achieve the goal of cultivating the ability of agricultural mechanization postgraduates to solve practical problems by using the knowledge learned in the course， and to achieve the teaching purpose of test design and statistics course， the design-expert test design analysis software was introduced into the teaching of test design and statistics course， reform and practice have been carried out in teaching content， curriculum resources， teaching mode and evaluation mode， the teaching evaluation mode of flipped classroom+report+course paper is put forward， the results show that the curriculum reform stimulates students interest in learning， mobilizes students autonomy， and reduce the difficulty of learning， it improves the students ability of using design-expert to complete the test design and statistical analysis，and exercises students literature review， language expression， writing skills and scientific research ability， at the same time， the comprehensive quality of students is improved， and the overall teaching quality is significantly improved.

Key words Test design and statistics;Design-expert;Agricultural machanization;Postgraduate;Educational reform

基金項目 東北林業大學教育教學研究項目（DGYYJ2020-2 DGYYJ2021-01）。

作者簡介 頓國強（1986—），男，黑龍江依蘭人，講師，博士，碩士生導師，從事農機裝備的設計研究及機械設計、試驗設計與統計教學工作。

收稿日期 2021-03-10

農業機械化（農業碩士）專業學位研究生[1-2]的碩士專業培養目標要求：研究生掌握農業機械化領域的基礎理論和專業知識，掌握解決農業問題的先進現代技術手段，具有創新意識，能夠獨立從事較高層次的農業技術研究、開發和推廣。試驗設計與統計作為東北林業大學農業機械化專業研究生的必修課，其教學目的是使學生通過課程學習能夠針對具體的科學試驗問題，正確設計試驗方案并對試驗結果進行統計分析，探尋其內在規律，獲得正確的試驗結論，為以后進行農業科學研究打好相應的基礎[3]。試驗設計與統計是一門多學科交叉且理論、實踐及應用性很強的課程，在以往的教學中發現，其具有教師難講、難教，學生難學、難懂、難用，教學效果不佳的問題，學生普遍認為該課是一門難度大、理解困難的課程[4]。隨著計算機技術的飛速發展，很多的試驗設計及統計分析可由統計分析軟件快速完成，統計分析軟件（Excel、SPSS、SAS、R軟件、S-Plus、Minitab等）亦在科研和工作中得到廣泛應用，因此有必要加強培養學生運用統計分析軟件的能力。因此，一些一線任課教師開展教學研究，嘗試如何將統計分析軟件應用到試驗設計與統計的課程教學中。例如，孫海艷等[5-8]將SPSS 統計軟件分別應用到生物統計及試驗設計、生物統計學、林業試驗設計和試驗設計與分析的課程教學中;鄭杰等[9]將R軟件應用到試驗設計與數據處理教學中;李彥杰等[10]進行了基于Minitab的生物統計實踐教學;劉旭華等[11]嘗試了應用Excel 軟件對試驗設計與分析進行輔助教學。上述軟件實踐教學皆取得了一定的教學效果，但統計分析軟件也存在各自的優缺點，如需要使用者具有一定的編程基礎、人機交互界面不友好、非專業試驗設計與統計軟件等。鑒于此，筆者將Design-expert試驗設計分析軟件引入到試驗設計與統計的課程教學中，對教學內容、課程資源、教學模式及考核方式等方面進行了改革實踐，提出了翻轉課堂+報告+課程論文的教學考核模式。

1 Design-expert軟件簡介

Design-expert軟件是一款基于Windows的專門面向試驗設計（DOE）及相關數據分析的工程軟件，由Stat-Ease公司設計出版和發行，可以在其官網上下載免費試用版本進行學習。與傳統的統計分析軟件相比，Design-expert更專注于試驗設計，軟件人機交互界面友好、使用簡單，不需要使用者具備扎實的數值分析、數理統計功底，就可設計出正確高效的試驗方案，并能夠對試驗數據進行專業、可靠的分析，獲得全面的可視化模型，并可對試驗結果進行優化[12]。Design-expert軟件常用的試驗方法包括：①一般析因試驗（General factorial design）;②正交試驗（Taguchi OA design）;③響應曲面試驗（Response surface design），包含中心組合設計（Central composite design，簡稱CCD，5水平試驗）和BOX設計（Box-Behnken Design，簡稱BBD，3水平試驗）等。Design-expert軟件的功能包括試驗設計（Design）、回歸分析（Analysis）和預測優化（Optimization）3部分，利用其對選擇的試驗進行試驗方法選擇，確定試驗的因素水平及試驗指標，對試驗結果進行數據分析，確定試驗因素與指標間的數學模型，進行方差分析，分析試驗因素水平變化對試驗指標的影響，通過設置優化準則，可優化確定最佳試驗組合（Numerical數值解）或區間（Graphical圖形解）。

2 課程簡介及教學改革實踐

試驗設計與統計是東北林業大學農業機械化農業碩士專業的必修課（32學時），每年秋季學期10～17周開課，每周1次課4學時，農業機械化專業擴招前每年的招生人數10名左右，根據新修訂農業機械化碩士研究生的培養方案，改進課程教學大綱，課程教學內容包括：①試驗設計基本理論知識;②Design-expert軟件應用;③單因素試驗的方差分析;④正交試驗;⑤響應面試驗。課程教材選用葛宜元主編的試驗設計方法與Design-expert軟件應用，哈爾濱工業大學出版社，課程參考書為其他試驗設計類相關教材、農業機械學報、農業工程學報。

2.1 課前教學資源準備

首先，選取農業工程學報、農業機械學報等高水平文章中具有代表性的試驗案例（包括單因素試驗2個、正交試驗2個、響應曲面4個），應用Design-expert對文章中的試驗案例進行重新分析，利用EV錄屏配以講解，錄制各類試驗案例的軟件應用講解視頻，保存Design-expert文件，以講解視頻+源文件+選用文章的組合方式對文件進行分類整理。其次，利用百度文庫下載試驗設計與統計、Design-expert軟件相關教學課件資源，對B站上的試驗設計類、Design-expert軟件講解類視頻教學資料，編輯整合視頻連接，制作教學資源連接Word文件。最后，課前7 d建立課程試驗設計與統計QQ群，群文件上傳以上的教學資源，要求每位同學課上準備安裝Design-expert軟件的筆記本電腦，課程要求前2章試驗設計基礎知識及Design-expert軟件應用由學生自學完成。

2.2 課中翻轉課堂教學

第1次課，由任課教師講解課程的基本情況、上課方式及考核形式，采用翻轉課堂+課堂討論+教師點評答疑的課堂教學方式，由抽簽的方式確定每位同學的課堂講授內容，要求學生針對抽取的講解內容，自制教學課件，選擇實際案例（自己的畢業設計內容或者農業工程學報及農業機械學報選擇的試驗研究類文章），利用Design-expert重新設計試驗并對試驗結果數據分析。以正交試驗為例，被抽學生從知網選擇下載正交試驗文章，采用增刪因素、水平、指標的方法對原試驗方案及結果進行修改，修改后要求至少2因素3水平、2試驗指標，利用Design-expert重新分析，獲得試驗結果的方差分析，因素對指標影響趨勢，優選最佳的試驗組合，結合上述案例及網絡資源（視頻、課件）制作正交試驗方法及案例軟件應用講解1個課件PPT，課上要求學生以教師的身份進行課堂講授，要求講課學生對其他學生及教師提出的問題進行回答，其他學生可以討論回答，然后由任課教師對課程內容的問題及難點進行答疑，最后根據學生的講課和回答質量，由學生及教師共同對授課同學進行打分。通過改進后的課堂教學，除了學會試驗設計，同時鍛煉了學生收集查閱資料文獻、制作PPT、語言表達、Design-expert軟件的實操等技能。

2.3 課程考核方式改革

傳統的試驗設計類課程的考核方式多采用平時成績+考試成績，且考試一般以筆試閉卷為主，考試內容過于注重理論知識和基本統計方法，無法反映學生利用所學知識解決實際問題的能力。因此，作者提出了過程考核+論文實踐的考核方式。其成績組成包括平時成績20%（考勤10分，課堂報告20分）+期末成績70%（大論文70分）的考核方式。從多個方面進行考核，提高過程考核比重，改變期末考試考核方式，考勤每缺勤1次扣2分，缺勤5次及以上則取消成績;制作課堂報告打分表（優秀18、良好16、中等14、及格12、不及格10、未作報告0），成績由老師及學生共同打出，取平均值整數部分;期末成績大論文考核要求如圖1所示，要求學生按照見刊發表文章要求（格式符合農業工程、機械學報模板要求），以自己畢業設計或知網下載文章為論文內容，選擇1種試驗方法（正交試驗或者響應曲面），完成

1篇基于Design-expert軟件分析的試驗研究類論文，并附以所有與論文數據、圖表相關的Design-expert軟件截圖，任課教師以審稿專家標準根據大論文完成質量，按投稿期刊要求給予成績評定，課程最后要求學生上交課堂報告及大論文的所有材料（大論文、報告PPT、Design-expert文件、案例文章）。

課程期末大論文撰寫是對學生課程知識掌握情況檢驗的最后環節，通過該過程的訓練，學生分析問題解決問題的能力、試驗設計及軟件應用的能力、論文撰寫的能力得到進一步提高，為研究生發表學術論文和撰寫學位論文打下堅實的基礎。東北林業大學農業機械化專業2018級8名碩士研究生采用了改革后的教授、考核方式，大論文中有6名選擇BBD試驗，2名選擇正交試驗，由于CCD試驗較難因此無人選擇，大論文存在一定的抄襲問題，硬性的軟件數據分析在一些細節知識上，仍存在知其然不知其所以然的問題，如響應面試驗回歸模型的失擬檢驗、參數優化的圖形解、試驗設計的編碼等問題，課程平均成績83.6分，標準差10.8，達到良好水平，其中優秀3名、良好3名、中等1名、及格1名，中等及及格成績的學生課程報告和大論文皆存在一定的問題。經調查，該級研究生直至畢業，有3名參與過文章發表，畢業學位論文中有7名研究生用到單因素試驗、正交試驗和響應面試驗，并由Design-expert進行的數據分析，做到了將所學的知識用到解決實際問題當中。

3 結語

為實現試驗設計與統計的教學目的，激發學生學習興趣，調動學生自主性，降低學習難度，培養學生利用課程所學知識解決實際問題的能力，將Design-expert試驗設計分析軟件引入到農業機械化專業研究生試驗設計與統計的課程教學中，對包括教學內容、課程資源、教學模式及考核方式等方面進行了改革實踐。實踐結果表明，利用Design-expert完成試驗設計與統計分析，可改善學生知識結構，提升學生應用能力，同時課程的改革實踐鍛煉了學生的文獻查閱、語言表達、寫作技能、科學研究等方面的能力，提升了學生的綜合素質，整體教學質量顯著提高。但是，要使Design-expert與試驗設計與統計有機結合，促進課程教學水平的持續提升，尚需在今后的教學研究中進一步深入探索，建議其他兄弟院校可結合Design-expert軟件進行試驗設計類課程教學，因為學生需要掌握實際的試驗設計與數據處理的能力，而非單純的理論知識。

參考文獻

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