能源類專業本科教學階段開設試驗設計與分析課程的探討

黨鉀濤 趙淑蘅 岳建芝 王偉 馬曉然

關鍵詞：試驗設計與分析;作用;學習成效

進入21世紀以來，我國經濟社會飛速發展，新產品、新技術大量涌現，在研發和生產新產品的過程中，不可避免地需要開展系統的試驗工作，而且科學合理地安排試驗，并對相關數據進行分析是理、工、農、經等學科師生與工程技術人員必須掌握的方法。試驗設計與分析是利用數理統計學相關知識，將試驗設計與數據分析兩部分知識融合在一起的學科，自20世紀初期誕生以來，在指導工農業發展與經營管理，節約能源與社會成本，促進現代技術進步方面，始終起著非常重要的作用。在當前碳中和、碳達峰大背景下，利用試驗設計與分析的相關知識，可有力地指導各領域實現節能減排。試驗設計與分析課程主要培養學生科學合理地安排試驗，系統收集并統計分析數據的能力，在理論知識與實踐活動之間擔當橋梁。在教學過程中，由于學生之前接觸相關知識少，通過結合現實試驗案例，改變枯燥單一的教學環節，提高學生學習熱情，可以取得良好的教學效果。結合課程開設前期的準備工作與實踐教學中的體會，筆者認為在能源、能源動力等專業本科教學環節開展試驗設計與分析課程是十分必要的，在教學中也發現并總結了對一些問題的思考。

1試驗設計與分析課程介紹

試驗設計與分析最初由英國數學家、統計學家費舍爾提出，初期主要用于生物、農業等領域田間試驗的設計與規律總結。利用該方法大幅減少了所需試驗次數，顯著縮短了工作周期，從而降低成本、節約投入、提高作物產量，取得了矚目的成果。在隨后的100多年間，試驗設計與分析內容不斷發展，出現了正交設計、均勻設計、穩健設計、模擬設計等新的理念與方法，幾乎在社會各領域都有大規模的應用。試驗設計與分析在教學中主要講解方差分析、回歸分析、試驗誤差、正交試驗分析方法、均勻設計方法等內容，強調學生理解運用知識的能力，是將數學理論應用到實踐的典型課程。因為是由數學、統計學等學科發展而來，試驗設計與分析課程中有大量的數學知識與公式，學生難以理解與記憶，另外對于抽象的概念如何應用到實踐工作中，學生也難以掌握，這些問題影響了學生的學習效果。

2試驗設計與分析課程對本科生的影響

隨著社會形態的不斷變化與科學技術的飛速發展，大學生不僅要有寬廣的知識儲備、扎實的理論基礎，還要具有將理論應用到實踐的能力，同時能將實踐經驗升華沉淀為科學規律。課程設置僅完成知識的傳授已經不能滿足新形勢新需求，需要開設更多具有啟發性、引導性，可以促進學生自發獲得知識的內循環型課程。試驗設計與分析對本科階段的學生來講，其實用性體現在學生掌握了一種根據課題任務，自行設計試驗方案，進而獲得結論的方法。筆者對比了本科階段學過試驗設計與分析課程與沒有學過該課程的學生在本科畢業設計階段的表現，發現前者在試驗中更積極，會主動向老師交流一些開創性的試驗想法，并提出理論依據，對試驗數據的分析也更科學，說明試驗設計與分析對啟發本科生科學思維的形成，推進學生科學素養的提升，塑造實踐能力強的創新型綜合人才具有良好的促進作用。

3目前試驗設計與分析課程教學短板

通過調研試驗設計與分析課程的教學案例，結合筆者近三年來的教學體會，發現受限于各種因素，試驗設計與分析課程的教學有以下不足：

（1）教學課時較少。因大學生的整體課時有限，新生學年與大二學年需要安排公共基礎課和一部分專業大類基礎課，在大學后半階段不僅需要安排專業基礎課和專業核心課，還要安排各種實習與設計，造成試驗設計與分析的課時少，難以系統展開教學活動。

（2）實踐操作機會少。試驗設計與分析是一門與實踐聯系緊密的課程，但是課程地位與課時安排無法與專業核心課相比，因此缺少資源組織學生進行實踐教學，導致目前教學以理論為主，不能安排與理論課程相匹配的實踐教學。

（3）對數學基礎要求高。試驗設計與分析的核心還是數學問題，對于高等數學、數理統計與分析、概率論等課程基礎薄弱的學生，學習與理解非常吃力。因課時數少，課堂上有限的時間不能用來系統復習數學知識，部分學生對課程中用到的公式與理論一知半解，甚至失去學習興趣。

（4）與專業聯系不緊密。試驗設計與分析起源自農業統計，發展于工業化大生產，雖然應用廣泛，但是教材中涉及的案例與本專業相關性不強，學習效果不佳。

4試驗設計與分析課程教學實踐與思考

筆者所在教研室于2019年開始對能源、能動類專業大三學生開展試驗設計與分析教學，總結梳理三年的教學工作，有如下體會：

一是開設試驗設計與分析課程對本科生十分必要。目前本科生的培養體系，缺乏設計試驗和科學分析數據的內容，學生獨立開展試驗與研究的能力較為欠缺，學習該課程之后，學生在大學生創新試驗與畢業設計中都展現了更高的科學素養與更好的試驗能力。

二是案例教學可以改善學習效果。在教學中，筆者嘗試引入電車續航里程解釋單因素試驗、蛋糕制作試驗解釋配方設計、太陽能采暖設計解釋正交試驗設計川、生物制氫試驗解釋響應面試驗設計等，通過這些與現實和專業密切相關的案例，尤其是以太陽能、生物制氫試驗為例，介紹了有關清潔能源開發、生物質資源利用、試驗過程等專業相關內容，并設計開放式互動習題（詳見下文案例1、案例2），學生更深刻理解了課程知識與專業背景，學習本課程的目的更明確，主觀能動性更高。

三是互動交流激發學生學習積極性。實驗設計與分析課程數學知識多，公式復雜，學生極易進入學習疲勞期，利用有限的課時，可以通過使用線上線下混合教學手段、高質量的網絡教學資源等增加交流渠道，并且讓學生利用書本知識進行試驗設計，分小組互動提高學習熱情，通過相互交流讓學生明白使用試驗設計與分析的意義與作用，加深學生對書本概念的理解，培養科學設計試驗的思維。

開放式案例1：結合太陽能熱利用課程設計內容，提出開放式案例“為解決河南省農村住宅冬季采暖問題，同時為了不額外增加能源消耗，可利用太陽能采暖以實現節能降耗。已知住宅層高、長度、建筑材料、屋頂形式等對住宅熱負荷有影響，請利用設計試驗分析的課程知識進行影響因素分析并獲得較優的設計方案”。

開放式案例2：結合學生參與創新實驗有關生物制氫的內容，提出開放式案例“已知農村畜禽糞便與農作物秸稈可以進行光合微生物聯合制氫，要針對反應時間、pH值、溫度進行條件優化，獲得水解液中0D值的最優工藝條件，請利用設計試驗分析的課程知識進行影響因素分析并獲得較優的設計方案”。

每個案例分別安排兩組學生準備，在下次上課時通過課件的形式分享設計思路與方案。針對案例1，兩組同學都選用了正交試驗設計方法進行設計，但在因素與水平上設置有差異，一組設置了4因素3水平的正交試驗，另一組則首先通過分析，認為屋頂形式可能對熱負荷影響不大，用單因素試驗來驗證屋頂形式的影響，然后對其他三個因素進行了3因素3水平的正交試驗設計。針對案例2，一組同學選用正交試驗設計思路，按照3因素3水平的設計方案進行了方案設計，另一組同學選用了響應面試驗設計思路，利用DE軟件進行方案設計。四組同學分享了設計方法選擇時的思路與方案選定的過程，組織其他同學針對四種方案進行討論，引導所有學生思考試驗設計知識在實踐應用中應注意的重點。通過設計與學生聯系緊密的開放式案例教學活動，學生對課程的學習熱情明顯提高，對知識點的理解與運用也顯著提升。

5結語

試驗設計與分析課程中的知識可以很好地支撐學生開展科學研究與社會實踐活動，對學生的繼續深造或者工作生活都有很好的幫助，針對目前試驗設計與分析課程面臨的短板，結合課程教學實踐體會，筆者認為試驗設計與分析在未來的教學工作中應注意以下幾點：

（1）試驗設計與分析是本科階段少有的可以指導學生開展試驗設計與科學研究的課程，國家一直提倡學生實踐能力的培養，理應獲得更多的課時與資源供學生開展試驗研究，學校應投入更多的關注與資源。

（2）試驗設計與分析經過百年的發展，在新時代需要增添更多新內容。在完成課本上傳統的田間試驗設計、正交試驗設計等知識的傳授之外，還應著重增加近年來計算機分析、軟件模擬等知識，持續更新優化教學內容。

（3）學生面對復雜的公式與理論，本身就有畏難情緒，只有結合本專業的內容，通過將能源、能源動力等方向的最新研究作為案例，才能保障學生的學習關注度，增強學習動力。另外，教學中應使用大量大學生創新創業試驗、畢業設計案例、研究生課題等與學生未來息息相關的內容，加強與本專業科研實踐的聯系，進一步發揮學生的主觀能動性。

（4）為避免知識點與公式過多，授課過程單調乏味，應借助多媒體、網絡信息技術，充實圖片、音頻、影像資料，充分利用慕課、超星學習通等線上資源，推進線上線下混合式教學，多樣化智能化教學模式，擴充Excel、SPSS、DE等常用軟件的介紹，增強學生互動交流。

綜上，本文是筆者在試驗設計與分析教學過程中的一些體會，難免掛一漏萬。隨著教學技巧與模式的發展，現代大學教育更多需要秉承“以學為主，以本為本”的教學理念，我們對試驗設計與分析的課程應不斷探索改進，為國家社會培養更多復合型與創新性人才。