基于R語言的“試驗設計與數據處理”課程教學改革探索

陳志杰

江蘇食品藥品職業技術學院食品學院（淮安 223005）

“試驗設計與數據處理”課程是江蘇食品藥品職業技術學院食品科學與工程（4+0）本科專業開設的一門專業必修課程，該課程以數理統計為理論基礎，對食品研究中具體的問題給出科學合理的實施方案，并采用科學的統計方法進行數據分析和處理，進而指導食品研發及生產實踐。該課程不僅對于學生順利完成本專業《畢業實習與設計（論文）》教學環節具有非常重要的支撐作用，同時也為學生畢業后從事食品企業產品開發、工藝改造和科學研究打下良好基礎。R語言是一個自由、免費、源代碼開放的軟件，是一種專門為統計計算和圖形顯示而開發的語言環境，也是目前使用最廣泛的統計計算與統計作圖工具之一[1-2]。R語言在課程輔助教學方面已進行一些有益探索，并取得一定成效[3-4]。2020年以來，江蘇食品藥品職業技術學院食品科學與工程（4+0）本科專業在2018級，2019級和2020級3個年級中基于R語言進行“試驗設計與數據處理”課程的教學改革與實踐探索工作，對教學理念、教學內容、教學方式和評價方式等進行調整和優化，旨在進一步提升學生科研素養、數據分析處理能力和實踐應用能力。

1 “試驗設計與數據處理”教學中存在問題

1.1 線上線下混合式教學方式探索不夠

缺乏對學生學情的分析，學生在學習課程前已學習“大學計算機”“概率論與數理統計”“Python程序設計”等前導課程，已掌握Office辦公軟件使用、Python編程語言基本知識和數理統計基本分析方法。教師在教學過程中主要以多媒體課件、板書等傳統教學方式為主，存在內容重復講授問題，導致學生學習興趣和效率不高。隨著信息技術與教育教學的深度融合，教師的教學工具日益科技化和多樣化，但采用中國MOOC、智慧職教、雨課堂、課堂派等平臺開展線上線下混合式教學探索不夠，不能充分利用這些平臺進行課前預習、課中互動評價和課后鞏固答疑，從而導致線上線下混合式教學優勢得不到充分體現。

1.2 實踐操作處理能力培養不足

“試驗設計與數據處理”在以往的課程教學過程中重視理論知識的講解，而忽視實踐技能的培養。教師主要注重統計基礎知識、統計假設檢驗、方差分析原理、試驗設計方法及原理等知識內容的講解，授課過程中運用SAS、Excel、Minitab和R語言等統計分析軟件進行實踐操作講解較少，學生在課堂上主要以聽教師講授為主，不能進行有效的實踐操作演練，從而導致理論學習與實踐操作脫節，學生在課堂上所學的知識不能被有效吸收轉化為實踐技能。

1.3 課程思政元素融入不夠

在課程教學過程中，存在思想政治教育理念不能貫穿于知識和能力培養的全過程。教師在授課過程中更多的是進行知識和技能的傳授，未能在教學過程中結合課程自身科學嚴謹、實事求是、科研誠信等特點，將社會主義核心價值觀、中華優秀傳統文化等思政元素內容有機融入到教學設計中，將思政教育內容和授課知識內容簡單生硬拼湊在一起，從而導致課程講授過程不連貫、不聚焦。同時，授課教師缺乏對課程思政教育的足夠認識及思政案例儲備不足，也直接影響課程思政授課效果。

1.4 教師科教融合意識不強

“試驗設計與數據處理”課程是與食品科學研究密切相關的一門專業課程，食品研究過程中對試驗方案的合理設計和對試驗數據的正確分析處理直接關系到試驗成功與否。在以往的教學過程中，存在教學與科研脫節的問題，教師只是單純地講授書本上知識和操作技能，而往往忽視將食品科研中常用的圖表數據處理、正交試驗設計、均勻試驗設計、響應面試驗設計等方法和案例融入到課堂教學中，學生雖然對理論知識和軟件應用掌握得較好，但是當學生實際承擔實踐創新項目或參與教師科研項目時，不能將掌握的知識和技能轉化為分析處理能力。

1.5 考核評價模式傳統單一

“試驗設計與數據處理”課程是一門實踐性、應用性較強的課程，傳統的考核方式往往采用“期末考試+平時成績”進行評價，而期末考試往往采用筆試方式，從而導致課程考核更多的是對理論知識和原理的評價，采用常用統計分析軟件進行數據處理和試驗設計等方面能力考核不夠。同時，課程考核缺乏過程性、綜合性評價，未充分利用智慧職教、雨課堂、課堂派等優質課程平臺從課前、課中和課后等整個教學環節對學生課前預習、考勤、課堂互動、單元作業等全過程進行綜合評價。

2 “試驗設計與數據處理”教學改革與實踐

2.1 優化基于R語言的課程教學內容，開展線上線下混合式教學

“試驗設計與數據處理”課程依據食品科學與工程（4+0）專業人才培養目標及對問題分析、研究、使用現代工具、溝通等方面的畢業能力要求，完善課程標準。基于課程調研和學情分析，弱化“概率論與數理統計”等前導課程中概率分布、假設檢驗等學生已學知識內容，強化實踐能力的培養。R語言具有強大和全面的數據處理、統計分析和可視化能力，擁有一系列數據分析處理和試驗設計專用包。R語言在編程使用方面與Python具有許多相似的地方，學生在學習課程前已完成“Python程序設計”課程的學習，為R語言的學習和應用打下一定基礎。在進行“試驗設計與數據處理”課程設計時將R語言相關知識和分析技能融入課程教學內容中，確定典型學習任務及知識、能力和素質等目標。在課程教學過程中使用課堂派和智慧職教雙平臺開展輔助教學，利用課堂派編輯互動課件，通過課前發布課件，讓學生提前預習相關知識點和內容，利用考勤簽到功能輔助教師考勤，課中采用點名提問或隨機提問方式與學生進行互動，提高學生課堂參與度。“試驗設計與數據處理”課程涉及大量數據分析處理，利用課堂派平臺支持眾多文檔格式的功能，在平臺上布置作業任務，學生直接上傳電子文檔后進行在線批改和評閱。同時，利用智慧職教平臺擁有的優質資源庫資源進一步拓展課程資源，通過雙平臺使用實現線上線下課程教學優勢互補、有效融合。

2.2 以R語言為主開展課程教學，提高學生數據處理和實踐應用能力

“試驗設計與數據處理”是一門應用性較強的課程，在課程教學過程中注重對學生實踐能力的培養，主要采用R語言進行課中實踐演練和課后操作鞏固，同時采用Excel和Minitab軟件輔助對比教學。在課程R語言基礎部分，主要講授R語言特點、R語言及Rstudio安裝方法和R語言數據結構，教師在課中操作演練如何創建數據集，使學生掌握R語言的基本使用方法。教師在講授統計圖表制作時，采用R語言和Excel操作演示條形圖、餅圖、直方圖和折線圖等常用統計圖制作方法，同時讓學生分組并自帶電腦，在教師演示后學生以小組團隊形式進行實踐操作。在講授統計假設檢驗時，采用R語言t.test()函數和Minitab軟件統計菜單中t檢驗進行演示，通過不同軟件的比較演示加深學生對所學知識的理解。在講授試驗設計方法時，演示應用R語言和Minitab軟件進行正交試驗設計、響應面試驗設計等試驗設計的方法，并將2種軟件的分析結果進行比較分析，教師課中發布具體任務，學生以小組團隊形式進行試驗設計與分析，通過演練結合的方式提高學生實踐技能。同時，“試驗設計與數據處理”課程在授課過程中將實踐應用能力的培養貫穿于教學全過程，課后通過布置相關數據分析處理任務，加深學生對所學知識的理解和認識，并結合線上反饋進行答疑，進一步提高學生數據處理和實踐應用能力。

2.3 充分挖掘科研領域思政元素，實現課程教學與思政教育有機融合

課程思政作為一種教育理念，要求教師在教學過程中，不僅需要教授學生書本上的知識，還需要以潤物無聲的形式對學生開展思想政治教育，培養學生樹立正確的人生觀和價值觀[5]。在“試驗設計與數據處理”課程教學過程中，深入挖掘課程思政元素和德育內涵，依據專業培養目標和畢業要求修訂課程標準，將思政元素和德育教育融入教育教學中，實現課程知識技能傳授與價值引領相結合。結合課程自身特點，用錢學森、孫家棟、袁隆平等科學家事跡詮釋科學家精神，將科學家胸懷祖國、服務人民的愛國精神和追求真理和嚴謹治學的求實精神融入立德樹人的過程中。通過近年來發生的偽造或篡改數據、抄襲剽竊他人學術成果、捏造事實等典型學術不端案例，教育引導學生恪守學術誠信和遵守學術準則。在統計學上，把小概率事件在一次試驗中看成是實際上不可能發生的事件稱為小概率事件實際不可能原理，在進行統計假設檢驗時主要依據這一原理來否定或接受無效假設，但小概率事件并不等同于零概率事件，隨著試驗次數的不斷增加，小概率事件也會發生。通過這個例子，教育學生很多事物的變化伴隨著量變到質變的過程，進而引出“冰凍三尺非一日之寒，滴水穿石非一日之功”的道理，教育學生任何的成功都是經過長時間的積累所獲得，不能急于求成、望而止步。R語言是一個自由、免費、源代碼開放的軟件，R語言很多優秀功能都是通過一系列統計分析軟件包實現，而這些包都是大量開發者無償開發和提供，如R語言中最流行的ggplot2數據可視化包。在講授R語言相關內容時，通過開源統計軟件開發與共享，培養學生要具有合作共享、無私奉獻的職業品格和團隊精神。在課程教學過程中，將科學嚴謹、實事求是、科研誠信、無私奉獻等思政元素貫穿始終，培養懂統計分析原理、能合理進行試驗設計、會使用統計軟件分析、有品行修養的食品專業人才。

2.4 開展科教融合協同育人，服務專業高層次應用型人才培養

科教融合是指將教育教學與科學研究有機融合，通過科教協同育人進一步提高人才培養質量[6]。在“試驗設計與數據處理”課程教學設計時，教學團隊教師將最新食品領域科研文獻與學生分享，讓學生了解課程教學內容在實踐中的應用及如何服務科學研究。在講授統計圖表制作時，以科研文獻中圖表為范例，讓學生了解三線表、折線圖、直方圖等圖表的制作要求和呈現方式，使用R語言和Word為學生演示如何進行統計圖和三線表的制作，以文獻中圖表為例，讓學生在課堂上進行實際操作，通過文獻案例分析、教師操作演示、學生實踐操作的教學方法，將課程內容、專業知識和科學研究三者有機結合，有效提升學生科研圖表理解與制作能力。在講授理論性較強的統計假設檢驗內容時，以食品科學研究中經常涉及的兩個處理之間的比較試驗為例，通過2種食品工藝處理方法比較、2種食品成分分析檢測方法比較等科研案例，使學生理解和掌握統計假設檢驗的意義、基本原理和分析步驟，布置新任務，讓學生以科研小組的形式對問題進行分析并應用R語言實現問題的求解。在講授試驗設計內容時，利用科研文獻中飲料配方優化、功能性成分提取工藝優化等具體研究案例指導學生如何進行正交試驗、響應面試驗等試驗設計，通過R語言實現案例中試驗設計、方差分析及結果優化，使學生進一步理解試驗設計與方差分析的內在關系及R語言在此過程中發揮的作用。將學生3～4人分為1組，以分組方式讓學生進行科研文獻匯報，通過研究目的、試驗設計方法、分析檢測方法、結果分析等重點環節的匯報，提高學生團隊協作能力和科研素養。同時，鼓勵學生積極參與教師的科研項目或主持大學生創新創業項目，將課程所學知識和技能應用于實際研究工作中，進一步提高學生分析解決問題的能力。

2.5 優化課程考核方式和內容，實現課程全程化和多元化評價

“試驗設計與數據處理”課程對傳統的考核評價方式進行改革，將過程性考核與期末考核有機結合，對學生學習效果進行全面綜合性評價。在課程教學過程中，充分利用信息化手段，使用課堂派平臺輔助進行課程考核評價。教師通過在課前提前發布PPT課件，讓學生提前預習授課內容，根據學習完成情況給予預習成績。在上課前通過二維碼考勤和GPS考勤記錄學生的考勤情況。在上課過程中，通過課堂派平臺提前制作好互動課件，通過設置投票題、問答題和拍照題等多種互動題目，激發學生學習興趣和參與度，并根據學生表現給予積分獎勵。在課堂上將學生進行分組，以小組團隊形式匯報文獻中統計圖表制作、試驗設計方法等內容，或布置課堂任務讓小組團隊使用R語言進行實踐操作，根據匯報及實踐操作情況給予團隊積分獎勵。課后通過平臺布置作業，學生以電子文檔或R語言編程截圖等方式提交作業，并進行在線批閱和賦分。同時，改變傳統的期末考試以筆試為主的方式，通過平臺設置判斷題、填空題、簡答題和文件題等測試內容，允許學生在規定的時間內通過查閱文獻、R語言等軟件分析完成測試提交，從而更加全面的考核學生對課程知識的理解和實踐操作能力。

3 結語

近年來，“試驗設計與數據處理”課程以課堂派和智慧職教雙平臺開展的混合式教學和以R語言為基礎的實踐教學已取得階段性成果，學生對統計知識的理解和應用R語言等軟件分析處理數據的能力得到進一步提高，學生學習興趣顯著提高。同時，課程為學生完成畢業設計（論文）及開展創新實踐項目研究提供了較好支撐，學生主持或參與完成江蘇省大學生創新創業計劃訓練項目10余項，獲校級優秀畢業論文等榮譽多項。雖然“試驗設計與數據處理”課程在課程建設方面取得一定成效，在今后的教學過程中課程教學團隊將進一步堅持“以德育為根本，以能力為本位，以學生為中心”的教育理念，更好地服務專業高層次應用型人才培養。