能源類專業(yè)本科教學(xué)階段開設(shè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程的探討

黨鉀濤 趙淑蘅 岳建芝 王偉 馬曉然

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析;作用;學(xué)習(xí)成效

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)社會飛速發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)大量涌現(xiàn)，在研發(fā)和生產(chǎn)新產(chǎn)品的過程中，不可避免地需要開展系統(tǒng)的試驗(yàn)工作，而且科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是理、工、農(nóng)、經(jīng)等學(xué)科師生與工程技術(shù)人員必須掌握的方法。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識，將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析兩部分知識融合在一起的學(xué)科，自20世紀(jì)初期誕生以來，在指導(dǎo)工農(nóng)業(yè)發(fā)展與經(jīng)營管理，節(jié)約能源與社會成本，促進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步方面，始終起著非常重要的作用。在當(dāng)前碳中和、碳達(dá)峰大背景下，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的相關(guān)知識，可有力地指導(dǎo)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程主要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，系統(tǒng)收集并統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的能力，在理論知識與實(shí)踐活動之間擔(dān)當(dāng)橋梁。在教學(xué)過程中，由于學(xué)生之前接觸相關(guān)知識少，通過結(jié)合現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)案例，改變枯燥單一的教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，可以取得良好的教學(xué)效果。結(jié)合課程開設(shè)前期的準(zhǔn)備工作與實(shí)踐教學(xué)中的體會，筆者認(rèn)為在能源、能源動力等專業(yè)本科教學(xué)環(huán)節(jié)開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程是十分必要的，在教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了對一些問題的思考。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程介紹

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析最初由英國數(shù)學(xué)家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)舍爾提出，初期主要用于生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域田間試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與規(guī)律總結(jié)。利用該方法大幅減少了所需試驗(yàn)次數(shù)，顯著縮短了工作周期，從而降低成本、節(jié)約投入、提高作物產(chǎn)量，取得了矚目的成果。在隨后的100多年間，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析內(nèi)容不斷發(fā)展，出現(xiàn)了正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、模擬設(shè)計(jì)等新的理念與方法，幾乎在社會各領(lǐng)域都有大規(guī)模的應(yīng)用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析在教學(xué)中主要講解方差分析、回歸分析、試驗(yàn)誤差、正交試驗(yàn)分析方法、均勻設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)學(xué)生理解運(yùn)用知識的能力，是將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)踐的典型課程。因?yàn)槭怯蓴?shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科發(fā)展而來，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程中有大量的數(shù)學(xué)知識與公式，學(xué)生難以理解與記憶，另外對于抽象的概念如何應(yīng)用到實(shí)踐工作中，學(xué)生也難以掌握，這些問題影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程對本科生的影響

隨著社會形態(tài)的不斷變化與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大學(xué)生不僅要有寬廣的知識儲備、扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要具有將理論應(yīng)用到實(shí)踐的能力，同時(shí)能將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)升華沉淀為科學(xué)規(guī)律。課程設(shè)置僅完成知識的傳授已經(jīng)不能滿足新形勢新需求，需要開設(shè)更多具有啟發(fā)性、引導(dǎo)性，可以促進(jìn)學(xué)生自發(fā)獲得知識的內(nèi)循環(huán)型課程。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析對本科階段的學(xué)生來講，其實(shí)用性體現(xiàn)在學(xué)生掌握了一種根據(jù)課題任務(wù)，自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，進(jìn)而獲得結(jié)論的方法。筆者對比了本科階段學(xué)過試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程與沒有學(xué)過該課程的學(xué)生在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)前者在試驗(yàn)中更積極，會主動向老師交流一些開創(chuàng)性的試驗(yàn)想法，并提出理論依據(jù)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析也更科學(xué)，說明試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析對啟發(fā)本科生科學(xué)思維的形成，推進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升，塑造實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型綜合人才具有良好的促進(jìn)作用。

3目前試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)短板

通過調(diào)研試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)案例，結(jié)合筆者近三年來的教學(xué)體會，發(fā)現(xiàn)受限于各種因素，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)有以下不足：

（1）教學(xué)課時(shí)較少。因大學(xué)生的整體課時(shí)有限，新生學(xué)年與大二學(xué)年需要安排公共基礎(chǔ)課和一部分專業(yè)大類基礎(chǔ)課，在大學(xué)后半階段不僅需要安排專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課，還要安排各種實(shí)習(xí)與設(shè)計(jì)，造成試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的課時(shí)少，難以系統(tǒng)展開教學(xué)活動。

（2）實(shí)踐操作機(jī)會少。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析是一門與實(shí)踐聯(lián)系緊密的課程，但是課程地位與課時(shí)安排無法與專業(yè)核心課相比，因此缺少資源組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致目前教學(xué)以理論為主，不能安排與理論課程相匹配的實(shí)踐教學(xué)。

（3）對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的核心還是數(shù)學(xué)問題，對于高等數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析、概率論等課程基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)與理解非常吃力。因課時(shí)數(shù)少，課堂上有限的時(shí)間不能用來系統(tǒng)復(fù)習(xí)數(shù)學(xué)知識，部分學(xué)生對課程中用到的公式與理論一知半解，甚至失去學(xué)習(xí)興趣。

（4）與專業(yè)聯(lián)系不緊密。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析起源自農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)，發(fā)展于工業(yè)化大生產(chǎn)，雖然應(yīng)用廣泛，但是教材中涉及的案例與本專業(yè)相關(guān)性不強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果不佳。

4試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)實(shí)踐與思考

筆者所在教研室于2019年開始對能源、能動類專業(yè)大三學(xué)生開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析教學(xué)，總結(jié)梳理三年的教學(xué)工作，有如下體會：

一是開設(shè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程對本科生十分必要。目前本科生的培養(yǎng)體系，缺乏設(shè)計(jì)試驗(yàn)和科學(xué)分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容，學(xué)生獨(dú)立開展試驗(yàn)與研究的能力較為欠缺，學(xué)習(xí)該課程之后，學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)與畢業(yè)設(shè)計(jì)中都展現(xiàn)了更高的科學(xué)素養(yǎng)與更好的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

二是案例教學(xué)可以改善學(xué)習(xí)效果。在教學(xué)中，筆者嘗試引入電車?yán)m(xù)航里程解釋單因素試驗(yàn)、蛋糕制作試驗(yàn)解釋配方設(shè)計(jì)、太陽能采暖設(shè)計(jì)解釋正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)川、生物制氫試驗(yàn)解釋響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)等，通過這些與現(xiàn)實(shí)和專業(yè)密切相關(guān)的案例，尤其是以太陽能、生物制氫試驗(yàn)為例，介紹了有關(guān)清潔能源開發(fā)、生物質(zhì)資源利用、試驗(yàn)過程等專業(yè)相關(guān)內(nèi)容，并設(shè)計(jì)開放式互動習(xí)題（詳見下文案例1、案例2），學(xué)生更深刻理解了課程知識與專業(yè)背景，學(xué)習(xí)本課程的目的更明確，主觀能動性更高。

三是互動交流激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程數(shù)學(xué)知識多，公式復(fù)雜，學(xué)生極易進(jìn)入學(xué)習(xí)疲勞期，利用有限的課時(shí)，可以通過使用線上線下混合教學(xué)手段、高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等增加交流渠道，并且讓學(xué)生利用書本知識進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分小組互動提高學(xué)習(xí)熱情，通過相互交流讓學(xué)生明白使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的意義與作用，加深學(xué)生對書本概念的理解，培養(yǎng)科學(xué)設(shè)計(jì)試驗(yàn)的思維。

開放式案例1：結(jié)合太陽能熱利用課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，提出開放式案例“為解決河南省農(nóng)村住宅冬季采暖問題，同時(shí)為了不額外增加能源消耗，可利用太陽能采暖以實(shí)現(xiàn)節(jié)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(fù)荷有影響，請利用設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析的課程知識進(jìn)行影響因素分析并獲得較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案”。

開放式案例2：結(jié)合學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有關(guān)生物制氫的內(nèi)容，提出開放式案例“已知農(nóng)村畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈可以進(jìn)行光合微生物聯(lián)合制氫，要針對反應(yīng)時(shí)間、pH值、溫度進(jìn)行條件優(yōu)化，獲得水解液中0D值的最優(yōu)工藝條件，請利用設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析的課程知識進(jìn)行影響因素分析并獲得較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案”。

每個(gè)案例分別安排兩組學(xué)生準(zhǔn)備，在下次上課時(shí)通過課件的形式分享設(shè)計(jì)思路與方案。針對案例1，兩組同學(xué)都選用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在因素與水平上設(shè)置有差異，一組設(shè)置了4因素3水平的正交試驗(yàn)，另一組則首先通過分析，認(rèn)為屋頂形式可能對熱負(fù)荷影響不大，用單因素試驗(yàn)來驗(yàn)證屋頂形式的影響，然后對其他三個(gè)因素進(jìn)行了3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。針對案例2，一組同學(xué)選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，按照3因素3水平的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，另一組同學(xué)選用了響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，利用DE軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。四組同學(xué)分享了設(shè)計(jì)方法選擇時(shí)的思路與方案選定的過程，組織其他同學(xué)針對四種方案進(jìn)行討論，引導(dǎo)所有學(xué)生思考試驗(yàn)設(shè)計(jì)知識在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)注意的重點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)與學(xué)生聯(lián)系緊密的開放式案例教學(xué)活動，學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)熱情明顯提高，對知識點(diǎn)的理解與運(yùn)用也顯著提升。

5結(jié)語

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程中的知識可以很好地支撐學(xué)生開展科學(xué)研究與社會實(shí)踐活動，對學(xué)生的繼續(xù)深造或者工作生活都有很好的幫助，針對目前試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析課程面臨的短板，結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐體會，筆者認(rèn)為試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析在未來的教學(xué)工作中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析是本科階段少有的可以指導(dǎo)學(xué)生開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)與科學(xué)研究的課程，國家一直提倡學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，理應(yīng)獲得更多的課時(shí)與資源供學(xué)生開展試驗(yàn)研究，學(xué)校應(yīng)投入更多的關(guān)注與資源。

（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析經(jīng)過百年的發(fā)展，在新時(shí)代需要增添更多新內(nèi)容。在完成課本上傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等知識的傳授之外，還應(yīng)著重增加近年來計(jì)算機(jī)分析、軟件模擬等知識，持續(xù)更新優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

（3）學(xué)生面對復(fù)雜的公式與理論，本身就有畏難情緒，只有結(jié)合本專業(yè)的內(nèi)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(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)注度，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動力。另外，教學(xué)中應(yīng)使用大量大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)試驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)案例、研究生課題等與學(xué)生未來息息相關(guān)的內(nèi)容，加強(qiáng)與本專業(yè)科研實(shí)踐的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

（4）為避免知識點(diǎn)與公式過多，授課過程單調(diào)乏味，應(yīng)借助多媒體、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，充實(shí)圖片、音頻、影像資料，充分利用慕課、超星學(xué)習(xí)通等線上資源，推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)，多樣化智能化教學(xué)模式，擴(kuò)充Excel、SPSS、DE等常用軟件的介紹，增強(qiáng)學(xué)生互動交流。

綜上，本文是筆者在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析教學(xué)過程中的一些體會，難免掛一漏萬。隨著教學(xué)技巧與模式的發(fā)展，現(xiàn)代大學(xué)教育更多需要秉承“以學(xué)為主，以本為本”的教學(xué)理念，我們對試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的課程應(yīng)不斷探索改進(jìn)，為國家社會培養(yǎng)更多復(fù)合型與創(chuàng)新性人才。