《實驗設計與數據處理》課程教學改革與探索*

齊鐵月，安山龍

(華北電力大學環境科學與工程系,燃煤電站煙氣多污染物協同控制河北省重點實驗室，河北 保定 071003)

《實驗設計與數據處理》是為化工、環境、材料相關專業高年級開設的專業選修課。主要論述實驗數據的處理方法和方案設計方法，是數理統計基本原理在化學分析、環境監測、生產設計等領域中的具體應用。課程利用統計學方法，通過科學設計具體實驗過程，并對實驗結果進行統計處理分析，提升學生對于特定問題，設計解決方案并分析的能力，旨在培養化工環保領域高質量的綜合型人才，為以后走上工作崗位從事科研和生產打下良好基礎。

1 《實驗設計與數據處理》課程開設改革必要性

隨著我國教育的快速發展，大學生的數量也越來越多。在新的時期背景下，我國對于高等人才提出了更高的要求，要把高等人才由原先只重視數量和規模，到現在提出了更加重視人才的人才質量建設。《實驗設計與數據處理》是一門科學有效地指導實驗設計并正確合理分析實驗數據，最終得到最優方案的一門課程。而科學設計方案和處理分析數據是科研工作者和化工類高級技術人才必須具備的一項技能，本門課程雖是一門專業選修課，卻在實際工作中發揮重要的作用。

黨的十八大、十九大報告分別指出“著力提高教育質量，推動高等教育內涵式發展”和“加快一流大學和一流學科建設，實現高等教育內涵式發展”[1-3]。可見，內涵發展即質量建設是我國高等教育今后的發展道路與發展模式。而高校本科生課程中基于學生的創新能力、實際問題處理能力、科學素養等的培養對于人才質量建設至關重要。《實驗設計與數據處理》課程通過講述科學實驗設計原則，使學生熟練設計和制定合適的實驗方案，利用統計分析方法進行數據的處理與分析，減少試驗誤差，從而得出正確的結論。目前，我們采用的教材是化學工業出版社劉振學老師出版的《實驗設計與數據處理》第二版，包括誤差和數據處理、有限數據統計處理、方差分析、正交實驗設計、多因素序貫實驗設計、響應曲面設計、回歸分析與聚類分析初步、大型統計軟件SPSS簡介等共十二章節。其中，基于統計學的數據處理和實驗設計的理論授課部分覆蓋前九章內容，而相關實用性軟件實操課程僅有一個章節。由于該門課程以往主要以知識傳授為主，迫切需要融合創新元素，加強理論聯系實際，開展教學方式方法的改革與創新，為高質量人才的培養奠定基礎。

2 人才培養-教學改革

2.1 案例式教學

長時期以來，高等教育人才培養結構與社會需求契合度不夠，產教融合、科教融合的體制機制尚不健全。伴隨著大學越來越走進社會的中心，必須提升服務區域經濟社會發展的意識和能力，加快科技成果轉化的力度，為區域經濟社會發展提供源源不斷的思想、技術和人才支撐。新的時代背景下，單純理論教學已經難以滿足高校畢業生與社會融合的真實需求。因此，針對環境科學專業，《實驗設計與數據處理》課程迫切需要結合專業特色，以實際發生的案例進行分析，例如，氣態污染物SO2/NOx/CO等日常監測指標數據異常值剔除、水質監測指標數據統計、燃煤電廠脫硫廢水COD[4]指標檢測數據準確度判斷、某特定催化劑制備工藝篩選正交實驗設計等。采用案例式教學，課程融入實際，使學生充分理解本專業與本門課程的緊密關聯程度，深入體會課程在今后工作與科研中的應用價值，為學生今后直接就業或研究生階段提供堅實基礎。

2.2 授課-實驗-上機串聯授課

《實驗設計與數據處理》是一門以統計學為基礎，依據誤差理論、統計假設、方差分析、正交設計等原理指導實驗改進優化的課程。該門課程三分之二學時為課堂理論授課，其余三分之一為上機課時，并未涉及實驗課時，導致學生難以深刻理解理論對于實驗等實踐過程的指導意義，難以起到本門課程的真正作用，需要探索“課堂授課+實驗操作+上機軟件分析”的新型授課方式。任課教師可以在課堂授課環節將統計學數據處理方法章節先行講述完畢，然后開展實驗課程，使學生能夠結合具體的實驗數據進行數據分析及檢驗；隨后開展上機實驗，學生可以根據之前的實驗數據進行繪圖作簡要分析，并采用Excel或origin等數據分析軟件進行數據假設性檢驗，判斷數據或實驗方法的可行性。以本科常規實驗-大氣顆粒物PM2.5、PM10、TSP[5-6]測定實驗為例，學生可利用某指標的多次監測結果，分析數據離群值和樣本均值，并參照當天環境監測站公布的實時數據，判斷自己的監測方法是否存在較大的系統誤差；并且，可利用同一名學生基于不同測定方法測得的實驗結果，進行平均值檢驗，判斷兩種測定方法是否存在顯著性差異。以污水處理實驗為例，通過添加絮凝劑、沉淀劑或其他特定方法處理某工廠排放污水，依據處理前后的污水有害物質含量，進行不同時間間隔多次抽樣檢測，計算處理前后各時間節點時水樣處理前后污染物質濃度差值的均值及差值標準差，從而進行假設性檢驗，判斷該污水處理方法是否有效。諸如此類，學生可以將課程所學數據處理方法和實驗結果串聯起來，并采用合適的軟件繪制數據圖，作出相應分析，有助于學生充分理解本門課程的實用性。

2.3 多樣化授課模式

《實驗設計與數據處理》的課堂授課部分絕大部分與統計學的理論和方法相關，導致該門課程課堂講述環節難免枯燥乏味，難以調動學生積極性，需要任課教師充分發揮主觀能動性，多維度提升學生的學習興趣。采用大學生常用的應用搜索與課程相關的文件，例如，善用當下大學生流行元素，將相關元素嵌入PPT課件制作，使課堂授課更加生動有趣，活躍課堂氣氛，抓住學生的興趣點，提升學生對課堂內容的掌握力。同時，可以利用大學生常用的網站搜索案例相關視頻、origin操作實用教程、以及origin/SPSS等軟件[7]下載，結合當下化工環保領域熱點問題與學生分享，補充教學內容。授課教師可以結合自身科研背景，提出幾個簡單的科學問題，指導學生獨立設計實驗方案，開展并完成整個實驗過程，依據自己的實驗數據進行分析處理，最終繪制數據圖并做科學分析。采用這些新興的授課方式可以引導學生發散思維，結合自身基礎知識指導實驗過程，最后分析實驗數據，可以幫助學生盡早了解科學研究的整體流程。

2.4 研究型軟件輔助教學

由于本門課程涉及大量實驗數據的計算和處理，計算過程較為繁瑣，普通計算器難以滿足計算需要，需要借助Excel、Origin、SPSS等專業軟件，通過導入數據處理模塊，如圖1所示，進行均值、標準偏差、方差等計算，Grubbs檢驗、t-檢驗和F-檢驗[8]以及一系列科學繪圖。授課教師在課堂授課中，有必要演示上述軟件的簡單操作，并在上機課時中親自指導，提高學生對軟件的掌握程度。這些軟件的使用不僅在《實驗設計與數據處理》課程中極為重要，在研究生階段重要性更為突出，例如：實驗數據折線圖/柱狀圖/扇形圖/點圖/線圖繪制、分光光度計吸光度與樣品濃度數據的線性/非線性回歸分析、X-射線光電子能譜結果分峰擬合、污染物吸附等溫線/吸附動力學擬合、正交試驗結果響應曲面繪制及主次影響因素分析等。將研究型軟件的使用融入課堂教學，豐富課堂環節，有助于提升學生的動手能力，能夠滿足學生簡單的科學數據制圖需要，同時鍛煉學生的科研思維。

圖1 Microsoft Excel 數據分析模塊

2.5 本科-研究生課程有效銜接

一般來講，本科生課程注重專業知識概念的講授，使學生儲備更多更廣泛的基礎知識，涉及知識面廣而不專，導致學生無法將各類知識系統性銜接，致使學生真正進入工作或者從事科研時無法依據所學知識迅速的指導某特定實驗過程。而研究生階段，一般默認學生已經掌握了系統的專業知識，能夠依據掌握的研究方法開展創新性研究，而事實恰恰相反，一些學生進入研究生階段后無所適從，難以把所學知識點快速應用于科研研究中。對于《實驗設計與數據處理》課程，本科階段已經講述了如何設計實驗方案，如何利用正交法指導實驗設計與結果分析，而部分研究生在自主設計實驗、開展實驗、分析總結實驗結果及繪制結果圖表等過程仍存在一定的困難，導致短期內學習效率較低，需重新學習實驗設計及數據處理的方法及過程，難以鍛煉其獨立從事科學研究的能力。如何消除本科階段

與研究生階段的斷層并使之有效銜接，對于研究生階段學習模式的轉換及創新科研思維培養至關重要。

《實驗設計與數據處理》課程需要在課堂授課、實驗以及上機課程中著重培養學生把理論知識、實驗過程和繪圖數據分析融會貫通的能力，培養學生發現問題并獨立解決問題的能力，培養學生的科學研究素養。此外，本課程中的許多數值如樣本均值、標準偏差、方差等的計算極為重要，是研究生階段處理分析數據的基礎，例如根據某三次平行實驗結果可繪制帶誤差棒的數據圖；而正交實驗設計同樣也是研究生期間最為基礎的實驗設計方法，可以根據實驗不同影響因素和各因素下不同水平來制定相應實驗方案，極大縮減實驗次數，可以幫助研究生多快好省的進行科學研究。

3 結 語

《實驗設計與數據處理》是一門理論聯系實際且實用性很強的課程，兼顧嚴謹的方案設計和科學的數據處理，極大提升從事科學研究、優化工藝的工作效率。通過課程教學方式的深化改革，有助于激活學生創新性思維，鍛煉科學研究思維模式，提升獨立從事研究工作的能力，為化工環保領域培養高質量的復合型人才奠定堅實的基礎。