王媛媛，王建波

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070;

2.湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，武漢 430070)

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是一門(mén)理論和實(shí)踐結(jié)合緊密，實(shí)用性很強(qiáng)的工具課、方法課。該課在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院、工學(xué)院中開(kāi)設(shè)，其中在工學(xué)院被列為專(zhuān)業(yè)選修課，32學(xué)時(shí)。該學(xué)科現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、材料等諸多領(lǐng)域。

化工、環(huán)境、食品、材料等領(lǐng)域有一個(gè)共同特點(diǎn)，即需要通過(guò)試驗(yàn)尋找研究對(duì)象的變化規(guī)律。而我們知道，影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素與因素之間還存在交互作用。因此，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲得研究對(duì)象的變化規(guī)律，達(dá)到研究目的，是每個(gè)實(shí)驗(yàn)人員需要解決的問(wèn)題［1］。該課程教學(xué)的主要目的是使學(xué)生掌握食品科學(xué)及工程設(shè)計(jì)中常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并具備對(duì)試驗(yàn)研究所獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析的能力。

一、課程設(shè)計(jì)思路

該課程以工學(xué)院中機(jī)械電子工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等四個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生為授課對(duì)象，以試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析的能力需求為導(dǎo)向，以試驗(yàn)設(shè)計(jì)、軟件應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析為載體，將課程內(nèi)容分解，在教學(xué)過(guò)程中以學(xué)生為主體，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體化，主要理念為:

(一)注重課程在整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)中的連續(xù)性

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》中涉及到很多數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，隸屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)。學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)下學(xué)期學(xué)習(xí)過(guò)《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》，已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)，因此本課對(duì)統(tǒng)計(jì)分析部分不再?gòu)?qiáng)調(diào)，僅在《概率論》學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對(duì)涉及到的知識(shí)點(diǎn)做簡(jiǎn)單回顧及系統(tǒng)總結(jié)，使之形成符合本課程教學(xué)要求的數(shù)據(jù)分析理論基礎(chǔ)內(nèi)容。

(二)注重教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的合理性

用不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法解決實(shí)際工作中所遇到的不同問(wèn)題。應(yīng)用最廣泛和最具典型性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有區(qū)組設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、回歸設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等［2］。另外，科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可分為3個(gè)階段:試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)實(shí)施階段、試驗(yàn)分析階段。通?？梢宰裱?個(gè)步驟進(jìn)行:明確試驗(yàn)?zāi)康摹⒋_定評(píng)價(jià)指標(biāo)、選擇因素與水平、制定試驗(yàn)計(jì)劃、實(shí)施試驗(yàn)、分析試驗(yàn)結(jié)果、作出結(jié)論。因此，在本課程的教授過(guò)程中，每一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法都按這3個(gè)階段、7個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行，結(jié)合案例分析及Excel的應(yīng)用，形成一個(gè)個(gè)完整的學(xué)習(xí)單元。

二、課程教學(xué)實(shí)施

(一)教學(xué)課時(shí)安排

本課程第3、4、6章分別為方差分析、回歸分析和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，一般用全部課時(shí)的一半來(lái)講授。第1、2章涉及到數(shù)據(jù)分析的基本概念，主要引導(dǎo)學(xué)生掌握概念、理解試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析的內(nèi)涵、意義，用總課時(shí)的四分之一來(lái)講授。第7、8章分別為均勻設(shè)計(jì)、回歸正交組合設(shè)計(jì)，為常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合均勻設(shè)計(jì)軟件、Design Expert軟件主要進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用性方面的講授，用總課時(shí)的五分之一來(lái)講授。另外有2～4課時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，指導(dǎo)學(xué)生使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(二)教學(xué)方法設(shè)計(jì)

1.專(zhuān)業(yè)型教學(xué)

案例分析一定要突出專(zhuān)業(yè)特色。對(duì)于工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)本課程時(shí)要考慮到專(zhuān)業(yè)背景及課程的實(shí)際應(yīng)用性。課程內(nèi)容主要包括3個(gè)部分:一是試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分，主要講授試驗(yàn)設(shè)計(jì)常用的幾種方法;二是數(shù)據(jù)分析部分，包括針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析、針對(duì)研究對(duì)象不同影響因素的直觀分析和方差分析、針對(duì)所建模型規(guī)律性的回歸分析;三是介紹一些數(shù)據(jù)處理軟件。

在實(shí)際講授的時(shí)候，第一和第二部分內(nèi)容要結(jié)合起來(lái)講解。另外，在課本原來(lái)案例的基礎(chǔ)上，加入與本專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)的案例，如在講解正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)加入高速鋼工藝優(yōu)化案例，要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳熱處理工藝，了解等溫溫度、淬火溫度和等溫時(shí)間對(duì)沖擊韌性抗彎強(qiáng)度和硬度的影響。講解直觀分析法的時(shí)候加入某無(wú)機(jī)材料對(duì)彈性模量的影響試驗(yàn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的同時(shí)，加深對(duì)《金屬工藝學(xué)》《材料學(xué)》課程內(nèi)容的印象。通過(guò)這些具有專(zhuān)業(yè)特色的實(shí)例，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)加以擴(kuò)充，在掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)和本課程相結(jié)合的途徑方法后，能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用到實(shí)踐，并懂得利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)研究的重要性和必要性［3］。

2.先進(jìn)型教學(xué)

對(duì)數(shù)據(jù)分析軟件的多樣化進(jìn)行介紹。在講解數(shù)據(jù)處理軟件部分的時(shí)候，即講解Excel在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的應(yīng)用時(shí)，輔助介紹一下SPSS、Origin等軟件的使用。另外，在某些章節(jié)，聯(lián)系到目前運(yùn)用比較成功、具有專(zhuān)門(mén)功能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理軟件，如專(zhuān)門(mén)針對(duì)均勻設(shè)計(jì)的“均勻設(shè)計(jì)”軟件、聯(lián)系到回歸正交組合設(shè)計(jì)的Design-Expert軟件，都給學(xué)生講到，并專(zhuān)門(mén)以Box-BehnkenDesign(BBD)為例說(shuō)明Design-Expert的使用，使學(xué)生對(duì)其有大概了解，方便日后使用。

3.案例型教學(xué)

本課程的特點(diǎn)是公式多、計(jì)算多且過(guò)程復(fù)雜。雖然學(xué)生是在修完《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》的基礎(chǔ)上進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)，但大多數(shù)同學(xué)仍然感到數(shù)理統(tǒng)計(jì)很抽象，難以理解。在對(duì)聽(tīng)課學(xué)生調(diào)查時(shí)，學(xué)生普遍認(rèn)為本課程難學(xué)，部分同學(xué)認(rèn)為課程很沒(méi)意思。因此，學(xué)生易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，體現(xiàn)在課堂上就是課堂紀(jì)律較差，部分學(xué)生注意力不集中，或者直接看課外書(shū)、玩手機(jī)，作業(yè)完成情況較差。

對(duì)此，可采用如下方法:(1)在講解基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)公式和定理的分析、推導(dǎo)一帶而過(guò);降低理論深度，著重實(shí)際應(yīng)用;對(duì)計(jì)算過(guò)程僅作簡(jiǎn)要講解，注重計(jì)算結(jié)果的分析和解釋?zhuān)档驼n程難度。(2)可以引入啟發(fā)式教學(xué)，加強(qiáng)師生互動(dòng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性。例如，可多講解一些經(jīng)典案例，比如在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)講解時(shí)，告訴學(xué)生正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在日本被譽(yù)為“國(guó)寶”。之所以如此，是因?yàn)樵?949年，日本電訊研究所研制了“線性彈簧繼電器”，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)數(shù)十個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)、2 000多個(gè)變量進(jìn)行研究，制造出先進(jìn)、廉價(jià)的產(chǎn)品，帶來(lái)幾十億美元的效益。(3)引起學(xué)生對(duì)該課程的認(rèn)同感。可以在案例講解時(shí)，注意多講一些所選取案例的背景知識(shí)，比如講解往屆畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)采用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是什么，遇到什么問(wèn)題，如何解決，結(jié)果如何等等。因?yàn)楸菊n程是為大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的，他們也馬上要面臨畢業(yè)設(shè)計(jì)，此類(lèi)案例的引入使學(xué)生有認(rèn)同感，也會(huì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.應(yīng)用型教學(xué)

本課程有2～4課時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，主要練習(xí)Excel在數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。相對(duì)理論教學(xué)來(lái)講，學(xué)生普遍感到實(shí)驗(yàn)課輕松，興趣很濃厚。在此基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)有興趣的學(xué)生自行下載其他的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析軟件來(lái)嘗試，比較不同軟件在不同的數(shù)據(jù)分析類(lèi)型中的優(yōu)劣性，從而引起學(xué)生課外學(xué)習(xí)及實(shí)踐應(yīng)用的興趣。

另外，目前很多學(xué)生都傾向于本科畢業(yè)后繼續(xù)讀研，可以在課堂上展示與本專(zhuān)業(yè)有關(guān)的、采用科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析方法發(fā)表的科研論文，一方面使其對(duì)專(zhuān)業(yè)研究方向、最新發(fā)展現(xiàn)狀有所了解，另一方面使學(xué)生對(duì)本課程的應(yīng)用有具體認(rèn)識(shí)，對(duì)課程與自身以后的研究方向之間的聯(lián)系有初步認(rèn)識(shí)。

(三)課程考核

對(duì)于一門(mén)課的課程考核，一般有開(kāi)卷、閉卷、課程論文等幾種形式。程江峰通過(guò)實(shí)踐證明采用開(kāi)卷考試效果并不理想，學(xué)生不用記憶統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式，在思想上不夠重視，復(fù)習(xí)時(shí)間明顯不足［4］。閉卷考試需要學(xué)生對(duì)公式進(jìn)行記憶并進(jìn)行計(jì)算，是目前常用的考核方式，但是閉卷考試無(wú)法檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)應(yīng)用性軟件的掌握程度。因此，可以考慮將上機(jī)考試和閉卷考試相結(jié)合，上機(jī)考試主要考核學(xué)生對(duì)Excel在數(shù)據(jù)分析中的利用，閉卷考試主要考核學(xué)生對(duì)基本概念的理解及試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的掌握程度，可按平時(shí)成績(jī)20%、上機(jī)考試20%、閉卷考試60%的比例計(jì)算結(jié)業(yè)成績(jī)。

另外，提交課程論文是培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和提高研究能力的有效途徑［5］，可以避免學(xué)生死讀書(shū)的情況，使課程的考核與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的更為緊密。對(duì)于本課程，建議與其他有實(shí)習(xí)課程的老師加強(qiáng)聯(lián)系，比如金工實(shí)習(xí)、電工實(shí)習(xí)等，在安排實(shí)習(xí)方案時(shí)就進(jìn)行合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。這樣，學(xué)生既完成了專(zhuān)業(yè)課的實(shí)習(xí)，又獲得寫(xiě)課程論文的材料，提高了課程之間的橫向聯(lián)系。

［1］ 蔣長(zhǎng)興.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程改革探索［J］.2012(3):146－147.

［2］ 葉其培.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理在農(nóng)林生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(10):41 －42.

［3］ 陳紅，黃海東.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)改革的探討［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004(2):266－267.

［4］ 程江峰.“試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)新思路［J］.教書(shū)育人，2007(6):49.

［5］ 林秀玲，滕艷華.試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)探索［J］.考試周刊，2011(48):157－158.

(責(zé)任編輯 周江川)