農業碩士“試驗設計與統計”課程考核方式的改革實踐

頓國強

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

農業碩士（Master of Agriculture） 專業[1]學位教育作為我國培養農業類人才的一種重要途徑，旨在培養能運用農業與管理科學理論解決實際問題的應用復合型人才。其專業培養目標[2]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，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”作為學校農業碩士研究生的必修課，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”作為一門多學科交叉，理論、實踐及應用性很強的課程，在以往的教學中發現，具有難講、難教、難學、難懂、難用，教學效果不佳的問題，學生普遍認為該課程難度大、理解困難[4]。為此，針對上述問題，結合學校“試驗設計與統計”的教學實踐，修改教學內容，將Design-expert 軟件引入到課程的全教學過程，提出新的教學模式及考核方式，改革考試方式是該課程開課以來最有效的方法，考核作為教學活動的重要組成，正確恰當的考核方式對學生的學習和實踐具有引導、激勵和促進作用[5-6]，因此，結合學校農業工程2018 級、2019 級兩級學生，對“試驗設計與統計”課程考核方式的持續改進進行討論和分析，以期能為相關一線任課教師提供一點參考。

1 課程簡介及教學改革

“試驗設計與統計”是東北林業大學農業碩士農業機械化專業2018 級及農業工程與信息技術專業2019 級（國務院學位委員會[1]對專業進行改名及調整后） 研究生的必修課（32 學時），每年秋季學期10～17 周開課，每周一次課4 學時，農業碩士2020年擴招前的招生人數10 名左右，根據修訂后的研究生培養方案，修改課程教學內容，以達到培養研究生利用課程知識解決實際問題的能力，課程內容包括試驗設計基本理論知識、Design-expert 軟件應用、單因素試驗的方差分析、正交試驗、響應面試驗5 個部分。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，課程參考書包括化學工業出版社出版，由李云雁、胡傳榮主編的《試驗設計與數據處理》、北京科學出版社出版，由徐向宏、何明珠主編的《試驗設計與Design-expert、SPSS 應用》等其他試驗設計類相關教材、農業機械學報、農業工程學報。

1.1 試驗設計與分析軟件Design-expert 引入教學

隨著計算機技術的飛速發展，很多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[7]。課程引入的Design-expert 軟件是一款基于Windows 的專門面向試驗設計（即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，與傳統的統計分析軟件相比，其更專注于試驗設計，人機交互界面友好、使用簡單，不需要使用者具備數理統計功底，就可正確設計出高效的試驗方案，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，并對試驗結果進行優化[8]。Design-expert 軟件常用的試驗方法包括一般析因試驗（General factorial design）、正交試驗（Taguchi OA design）、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，軟件功能包括試驗設計（Design）、回歸分析（Analysis） 和預測優化（Optimization） 3 個部分。對應用Design-expert 軟件的學位論文進行檢索統計得出，2011—2021 年10 年內，學位論文中應用Design-expert 的農業、林業、農林院校的數量分別是3 091，690，733 篇，平均每年有451 篇學位論文用到該軟件，對于農業工程領域的國內頂級期刊農業工程學報、農業機械學報，其10 年發文量10 100，6 834 篇，使用軟件文章數386，313 篇，占比分別3.82%，4.58%，由以上軟件使用統計結果可知，無論從學位論文還是期刊論文，Design-expert軟件提供的試驗方法及功能可完全滿足“試驗設計與統計”課程對農業碩士研究生培養目標要求。因此，將Design-expert 引入到課程的全部教學及考核過程。

1.2 課前準備

課前4 周建立課程“試驗設計與統計”QQ 群，要求每位學生課上準備安裝Design-expert 軟件的筆記本電腦，課程要求前兩章試驗設計基礎知識及Design-expert 軟件應用由學生自學完成，群文件上傳以下教學資源：①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；②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；③課程的教學大綱（課程要求、教學內容及學時分配、授課方式、教材及參考書、考核方式等）。

1.3 課中教學

首次上課，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[9]，由抽簽方式確定每位學生的課堂講授內容，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（自己畢業設計內容、農業工程學報或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，這里以響應曲面試驗為例：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，修改后要求至少兩因素、三水平或五水平，兩試驗指標，利用Design-expert 重新分析，獲得試驗結果的方差分析，因素對指標影響應面趨勢分析，優選數值解及圖形解，結合上述案例及網絡資源（視頻、課件） 制作響應曲面試驗方法及案例軟件應用講解課件PPT 一個，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，由任課教師對課程內容的問題及難點進行答疑，最后根據學生講課及回答質量，由其他學生及教師共同對授課學生進行打分。改革后的課堂教學，學生除了學習試驗設計及數據分析的基本知識，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 課程考核改革

傳統的試驗設計類課程“試驗設計與數據處理”“食品試驗設計與統計分析”“試驗設計與統計”“試驗設計與優化”“試驗設計與統計分析”等考核方式[10-14]多采用平時成績+上機考試+考試成績，考試一般以筆試閉卷為主，無上機考試的期末成績一般占比60%～90%，有上機考試的上機占比30%～40%，期末占比30%～50%，皆出現期末占比較高、平時占比較少的情況，期末考試內容過于注重理論知識和基本統計方法，上機僅僅是軟件的操作技能，平時成績基本以課堂表現及考勤為主，現有的考核方式無法反映學生利用所學知識解決實際問題的能力。

針對上述現有課程考核現狀，結合改進后的教學方式，針對2018 級農業機械化專業，提出了過程考核+論文實踐的考核方式，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，從多方面進行考核，提高過程考核比例，改變期末考試考核方式，考勤每缺勤一次扣2 分，缺勤5 次及以上，取消成績；制作課堂報告打分表（優秀18 分，良好16 分，中等14 分，及格12 分，不及格10 分，未作報告0 分），成績由教師及學生共同打出，取平均值整數部分，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，選擇一種試驗方法（正交試驗或者響應曲面），完成一篇基于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）。

期末大論文考核要求見圖1。

圖1 期末大論文考核要求

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，學生分析問題和解決問題的能力、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。學校農業機械化專業2018 級碩士研究生8 名，首次采用改革后的教授、考核方式。其中，大論文6 名選擇BBD 試驗，2 名選擇正交試驗，由于CCD 試驗相對較難而無人選擇，且大論文存在一定的抄襲問題，依樣畫葫蘆，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，無法利用數據分析的結果指導生產實際，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，其一部分原因仍是對Design-expert軟件的實際操作存在問題，與理論知識的理解存在差異，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，中等及及格成績學生的課程報告和大論文皆存在一定問題，經調查，該級研究生直至畢業，有3 名研究生參與過文章發表，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。

針對2018 級教學過程中出現的問題，對農業工程與信息技術2019 級的考核進行再次改革，將平時成績中的課堂報告的20 分進行再次拆分，除了抽簽抽選的課堂報告14 分外，需要學生在完成單因素試驗方差分析后，上交小論文6 分，用以實踐訓練學生應用Design-expert 對基礎數理統計知識的實操技能，小論文內容自選（實際問題或知網資源），以單因素試驗的方差分析為例，至少選定2 個因素，1 個試驗指標，以小論文方式撰寫研究報告，注意利用Design-expert 軟件，要求題目、摘要、關鍵詞、試驗的目的意義、試驗因素、指標、試驗方案及結果、方差分析、變化趨勢分析及結果優化，參考文獻，附件Design-expert 軟件截圖，根據報告的實際完成質量給定成績（優秀6 分，良好5 分，及格4 分，不及格3 分，未交小論文0 分）。2019 級碩士研究生10 名，大論文8 名選擇BBD 試驗，2 名CCD 試驗，課程平均成績85.4 分，標準差7.4，成績略高于2018 級，平均達到良好水平。其中，優秀4 名，良好4 名，中等2 名，成績分布相對2018 級更趨于集中，最低成績也處于中等水平，在以后的教學中，硬性的分配大論文試驗類型選擇，或者給類型占比較少的學生給以鼓勵加分的激勵，以達到試驗類型全覆蓋培養及檢驗的教學目的。

3 結語

為激發學生學習興趣，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 軟件及翻轉課堂教學引入到農業碩士研究生試驗設計與統計的課程教學中，提出了平時成績+課堂報告+小論文+大論文的考核方式，并對考核方式進行了持續改進。結果表明，兩級學生的平均成績達到良好的水平，再次改進提高了學生的平均成績，成績分布更趨于集中，課程考核改革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，提升了學生利用Design-expert 軟件完成試驗設計與統計分析的應用能力，提升了學生的綜合素質，整體教學質量顯著提高。但是，在實際教學過程仍存在一些實際問題，要使課程教學水平持續提升，尚需在今后的教學研究中進一步深入探索新的教學模式及考核方式。