“化工實驗規劃與數據處理”課程教學改革提升學生實踐創新能力的探索

管玉雷

（西北大學，陜西 西安 710069）

“化工實驗規劃與數據處理”是化工及相關專業一門指定選修課程，它以概率論和數理統計為理論基礎，科學規劃試驗，并對試驗數據進行合理分析處理，揭示出變量間內在聯系，從而高效獲得正確結論或優化方案的一門應用技術學科[1]，其具有理論性強、內容涉及廣、計算公式抽象、實踐要求高等特點。化工類專業需要通過試驗來尋找研究對象變化規律，并通過對規律研究達到提效、降耗、優質、高產等成效。西北大學的化學工程與工藝、能源化工、制藥工程等本科專業均開設了“化工實驗規劃與數據處理”課程，通過本課程的學習，力求使學生能合理選擇試驗設計方法規劃試驗，科學分析處理試驗數據，進而探究出較優工藝條件或配方。

“化工實驗規劃與數據處理”課程不僅對數學知識要求高，還需要學生儲備專業知識和具備計算機使用能力，例如試驗設計中的“明確試驗目的，確定評價指標”以及“選因素，定水平”主要基于專業領域知識和實踐經驗；試驗數據分析須使用計算程序和軟件以提高處理效率。此外，本課程在化工專業實驗和本科畢業論文環節作用凸顯，不僅有助于學生加深對課程知識的理解，而且通過具體實踐使知識得到進一步鞏固拓展[2]。因此，西北大學化學工程與工藝專業在第7 學期開設本課程36 學時，其中上機實踐12 學時。

基于工程教育專業認證的教育產出理念[3]，結合實驗規劃與數據處理課程特點，教學團隊通過持續課程內容優化和教學方法改革，增強實踐教學環節，以提升學生分析和解決化工復雜問題的能力。

一、創新教學內容與方法

（一）勾勒課程發展，激發學習興趣

每個學科都有發展歷程，在講解課程知識點時，融入相關科學史內容，使學生對這一知識點有更全面、深刻的理解，進而激發學生學習欲望，培養學生勇于探索、敢于批判的科學思維。實驗規劃與數據處理學科自創立已經歷100 余年的研究和實踐，成為當代科研和技術人員必備的基礎理論知識。1918 年，英國生物統計學家費歇爾建立了基于生物統計的遺傳學，發展出著名的方差分析法，在試驗設計與數據處理方面做了開創性工作，是現代統計科學的奠基人之一。費歇爾主要從事植物播殖研究，希望通過盡量少的試驗次數，得到盡量多可靠的試驗數據，他發展出變異數分析理論和假設檢驗方法，提出隨機化原則，使得試驗可以同時進行多參數檢測，從此試驗設計成為統計科學的一個重要分支。日本統計學家田口玄一于1951 年出版其第一本介紹正交表書，為試驗設計的應用和普及作出了巨大貢獻。然而正交設計起初僅影響到中國臺灣和印度，許多美國統計學者質疑正交設計法，詬病集中于其缺乏嚴密的理論支撐，直到1980 年，田口玄一拜訪美國貝爾實驗室，成功的實驗結果讓田口方法在貝爾實驗室得到認可。鑒于正交設計在諸多行業已有許多成功案例，隨之很多美國大型企業開始采用正交設計進行產品改良與工藝優化。在20 世紀50 年代，我國組織正交設計方法的研究，在正交設計的理論和方法上都有革新，編制出一套適用的正交表，簡化了試驗程序和試驗結果分析。我國著名數學家華羅庚先生在20 世紀50 年代末思考如何利用數學為國家建設服務，由“向上”探索轉為“向下”應用，在國內積極倡導和普及統籌法和優選法，從而使試驗設計的思想在我國工農業、國防和科學研究中得到推廣。1978 年，第七機械工業部在導彈研發中，面臨一個多因素多水平問題，優選法和正交設計均不適用。中科院應用數學研究所方開泰與王元教授協同攻關，創立了均勻設計方法，并闡釋出均勻設計與因子設計、最優設計、超飽和設計的內在關聯。后來均勻設計理論也得到國際統計學家的重視與肯定，在航空、航天、化工、制藥、汽車等行業領域已有大量成功的實際應用。此外，隨著電子信息技術迅速發展，編譯開發了多種實驗規劃與數據處理的程序和軟件，使得數據分析的效率大幅提高，促進了本學科的發展和推廣[4]。

（二）優化課程內容結構，多媒體輔助教學

課程內容結構是根據專業特點構建的。化學工程與工藝專業通常需要以試驗的方式獲取研究對象的規律，尤其在研究新產品，開發新工藝，解決新問題的試驗過程中，不確定因素很多，需要通過大量試驗來揭示隱藏的機制，這就要求實驗者不僅要對研究領域有深刻的認知，還需掌握科學的試驗設計方法來規劃試驗，優化實驗過程。然而，科學的試驗設計只是達到實驗目的的前提，沒有對試驗數據有效的分析，也無法從試驗數據中獲取規律性信息。此外，在數據分析處理過程中，常需要通過繁復的計算和綜合分析才能獲得有效的結果，有時又需要將數據有條理地整理在表格內，或者將試驗結果通過圖直觀表達出來，此時應用數據處理軟件能大大提高工作效率，達到事半功倍的效果。

因而“化工實驗規劃與數據處理”課程內容由下述三部分構成。（1）數據處理部分。講授概率論和數理統計基礎，誤差分析評判試驗數據可靠性，試驗數據的表圖表達方法，方差分析評價因素對試驗結果影響的顯著性，回歸分析建立變量間函數關系等。（2）試驗設計部分。講授從經典的由華羅庚先生創立的優選法，到國內外廣泛使用的正交設計和均勻設計，直到近代發展并在諸多領域成功應用的單純形配方設計、回歸正交設計、響應面法等，重點闡釋不同試驗設計方法的理論支撐、特點及適用性。（3）計算軟件應用。介紹Excel、Origin、SPSS、正交設計助手、Expert-Design 在試驗設計和數據處理過程中的強大功能，包括圖表規范制作、誤差分析、方差分析、回歸分析、規劃求解、假設檢驗分析、試驗設計上機練習，引導學生進行化工案例擴展性學習。

在講授“化工實驗規劃與數據處理”課程時，采用純板書或純多媒體教學方式都無法全面透徹展現課程信息。教學內容包含大量方程和圖表，如果采用純板書授課，將花費大量課堂時間用于公式推演和圖表繪制，而多媒體教學在公式推導方面留給學生思考的時間太少，學生很難跟上教師思路和課堂節奏。鑒于此，須將板書和多媒體技術結合起來，通過板書方式進行公式推導，讓學生有充分的時間思考，理解公式的基本原理；而多媒體具有形象直觀、信息量多、重復性好等特點，能濃縮課堂教學，提高教學效率，圖表采用多媒體教學方式進行，學生一目了然，印象深刻，既掌握了理論知識，又增強了感性認識。針對本課程內容多、公式圖表多、課時有限的特征，筆者將板書和現代多媒體技術有機結合起來，增加課堂教學密度，使得教學內容重點突出。

（三）增強實踐環節，強調實踐創新能力培養

“化工實驗規劃與數據處理”是以概率論和數理統計為基礎的課程，涉及大量公式。目前，課堂教學非常重視講授基本原理及公式推導，卻忽視了學生分析問題能力和試驗設計能力的培養[5]。實驗規劃與數據處理是實踐應用型課程，更應做到學以致用，在實踐應用中獲得增長知識的興趣。在課程內容多、課時有限的情況下，教學內容的安排應重點培養學生的實踐創新能力。因此，在講授課程各章節時，教學內容的側重點應有所不同。如在講授方差分析時，應側重闡釋方法的理論依據、公式推導，使學生理解和掌握總離差平方和、各因素離差平方和、誤差離差平方和、自由度及均方等概念和計算方法。如果在方差分析的學習中，學生已經深刻理解單因素和多因素方差分析的理論內涵，掌握了方差分析流程，就容易接受正交設計的方差分析能用來判斷各因素及因素間交互作用對實驗結果影響的顯著性。方差分析涉及復雜的計算過程，此時如果演示Excel 或Origin 軟件通過函數功能對試驗數據進行方差分析，將使學生體會到掌握計算軟件在數據處理中的重要性。回歸分析也是課程重點內容，構建函數關系、均勻設計、回歸正交設計和配方設計都涉及到回歸分析。由于回歸分析具有數據點多、公式多等特點，亟需培養學生使用程序軟件進行回歸分析的能力。為了激發學生學習計算軟件的積極性，設置對比教學環節，引入一組數據，通過體驗式教學，首先讓學生通過計算器計算獲得回歸模型，然后針對同一組數據，采用Origin 軟件的回歸功能瞬間獲得擬合結果，學生的學習熱情迅速被點燃，學習主動性被調動起來。這充分表明將理論教學和統計分析軟件結合，達到了教與學相長，增強學生應用現代技術分析、解決問題的能力。

此外，試驗設計與數據處理方法的種類很多，不同方法有其自身特點，須結合特定的研究問題選擇合適方法[6]。筆者通過引入具體實驗項目，引導學生積極思考，尋求分析解決問題合理的方法。比如：講述正交設計、均勻設計、配方設計后，引入一個多因素多水平案例，讓學生采用不同試驗設計方法處理相同問題，通過比較不同方法處理過程和結果，歸納出各試驗設計方法的適用性（正交設計使試驗點在試驗范圍內排列整齊，均衡分散，適用于多因素且因素的水平數較少的實驗；均勻設計只考慮試驗點均勻分散，不考慮整齊可比，適用于因素寬域變化，水平數較多的實驗；配方設計適用于因素是配比且不獨立的實驗），增強學生合理選擇試驗設計方法能力；再比如完成數據處理軟件介紹后，在上機實踐環節，引入具體的數據處理案例，鼓勵學生用不同軟件完成同一案例，探索它們在數據處理方面的特征和適用性，使學生在學習過程中分析解決問題的能力得到大幅提升，創新能力得以提高。

（四）突出中國元素，肩負實踐創新使命

課程教學中突出中國元素，介紹中國科學家對試驗設計方法的貢獻，使學生樹立民族自信心和自豪感。例如，在講授優選法時，闡述世界著名數學家華羅庚先生兩次在國家多難之時毅然回國，與國同行，開創中國數學學派，并帶領達到世界水平。數學是十分高深的科學，深入研究的大有人在，但把數學應用到實踐中的人卻很少。20 世紀50 年代末期，華羅庚在從事數學理論研究的同時，努力尋找一條數學和工農業實踐相結合的道路，著有科普作品《優選法評話及補充》《統籌法評話及補充》等，到全國各地組建“推廣優選法、統籌法小分隊”，掀起了科學實驗的群眾性活動。統籌法改變了很多工農生產無頭蒼蠅式的蠻干局面，利用數學理論對生產進行合理的安排和管理。優選法主要利用黃金分割法通過盡量少的實驗次數選出最優方案，取得了很大的經濟效益和社會效益。在講授均勻設計時，闡述我國數學家方開泰與王元在特定應用背景下對發展均勻設計的貢獻，并引導學生理解辯證思維在均勻設計學習中的重要性。針對七機部在導彈設計研發過程中，提出一個五因素，每個因素的水平數多于10，而又要求試驗次數不超過50 的試驗，方開泰與王元經過數月共同研究，將“數論”和“統計試驗設計”創造性結合，發展出了均勻設計方法，開創了一個新的試驗設計研究方向。之后均勻設計的基礎理論也得到了世界統計學家的認可，美國福特汽車公司采用均勻設計發展了新型汽車發動機，并將其作為公司電腦仿真實驗的常規方法之一。在講授正交設計分析多個因素對試驗結果的影響時，根據學生的專業特點，以中國首位諾貝爾醫學獎得主屠呦呦鐘情科學，向醫而行，對祖國醫學探求，成功提取天然產物—青蒿素，解決了長期困擾的抗瘧失效難題，挽救了全球特別是發展中國家數百萬人的生命，為中醫藥科技創新和人類健康事業作出了卓越貢獻為背景，探究溶劑種類、溫度、時間和攪拌速度四個因素對青蒿素提取率的影響，強調試驗設計方法在科學研究中的應用，增強了課堂互動交流，活躍了課堂氣氛。這表明在課堂教學中構建適合化工專業的教學內容，既可以加深學生對“化工實驗規劃與數據處理”課程知識的理解，又可以在潛移默化中將本課程知識與專業知識有機結合，提升學生在化工行業進行科學試驗設計及合理數據處理的能力。通過以上我國在本學科領域典型人物介紹，能激發學生的愛國情懷，促使學生樹立高遠理想，將個人前途和國家發展緊密聯系，將所學所思踐行于報效國家的行動中。

二、構建多元考核方式

加強和完善“化工實驗規劃與數據處理”的考試、考查方式。考核是是教學的重要環節，是促使學生對課程知識吸收內化，找出薄弱環節，客觀評價教與學成效的重要方法。考核方式改革的目的是要適應實踐創新人才培養的過程考核理念，結合本課程特點，在考核方式上實行多元考核，綜合考查學生對課程知識的掌握程度。考核方式主要由四部分組成：（1）平時成績，由課堂互動參與度與平時作業的完成情況決定，課后作業側重考查學生對本課程知識點的概念和基本原理的理解與掌握。（2）期中成績（小論文），是一個學以致用檢驗環節，是對知識深層次認識的階段。以“××軟件在化工實驗規劃與數據處理中的應用”為題目，具體介紹軟件的發展歷史、開發公司及版本，軟件功能概述，化工領域具體舉例，展望，附參考文獻，檢驗學生能否結合本專業所學知識，采用相關軟件針對實際化工案例進行實驗規劃及數據處理。（3）開卷筆試，側重于檢驗學生合理選擇試驗設計方法及對試驗數據進行有效分析的能力，并能對結果進行歸納得出可靠結論，考查學生對知識點的掌握程度和靈活運用能力，考題內容涉及較多公式，開卷考試化解了公式死記硬背與實踐應用的矛盾。（4）上機操作考試，考查學生對實驗規劃與數據處理中相關軟件的應用程度，促使學生不得不下定決心，注重平時上機練習，從而提高學生使用計算機進行試驗設計和數據處理的能力。

通過四種側重點不同的考核方式，強化學生對平時學習的投入，避免考前突擊性應試學習，以便全面了解學生對本課程的掌握程度，對教學效果作出客觀評價，及時調整教學方法和內容，促進教學效果和質量的提升。

三、結語

“化工實驗規劃與數據處理”是一門理論與實踐應用緊密結合的課程。基于“以教育產出為導向，學以致用，知行合一”的教學理念，通過闡述課程發展史，充分調動學生的求知欲和探究精神；基于化工專業背景優化課程內容結構，突出中國元素，培養學生科學思維和實踐創新能力；構建和完善多元評價方式，綜合考查學生對本課程的掌握程度，促使學生對課程知識消化吸收。通過以上教學持續改革與實踐，使理論和實踐教學有效融合，從而達到提高教學質量，提升本課程培養學生實踐與創新能力的目的。