林雪彬 李志偉 鄒 崢

集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 福建廈門 361021

1 信息化強化教學(xué)的必要性及現(xiàn)狀

能源與動力工程等理工科的專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、讀研深造、未來工作都會涉及實驗和觀測運行數(shù)據(jù)以及優(yōu)化實際運行工況條件[1]。通過實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的學(xué)習(xí)，可以采用科學(xué)的方法減少實驗次數(shù)，對實驗結(jié)果進行進一步的數(shù)據(jù)處理、回歸分析，尋找實驗參數(shù)對結(jié)果的變化影響規(guī)律，對中試實驗、實際生產(chǎn)達到節(jié)能減排等起到指導(dǎo)作用。但該課程一個顯著的特點是涉及大量的數(shù)學(xué)公式、原理、計算，求解步驟煩瑣，容易出錯。

為了簡化誤差分析、曲線回歸等計算過程以及減少出錯，不同高校的師生采用不同軟件工具設(shè)計開發(fā)了不同的實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序，包括大學(xué)物理實驗[2-5]、化工基礎(chǔ)課程[6]、分光計實驗[7]、綜合實驗數(shù)據(jù)處理[8]等數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。但是，這些計算程序通常存在兩個共同的缺點。第一，所采用的開發(fā)軟件往往不具有通用性，在使用之前還要再次安裝相關(guān)的程序，導(dǎo)致使用不方便；第二，開發(fā)的系統(tǒng)往往針對某些具體實驗，對于其他類型的實驗，則不能適用。

教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生參考教材采用Excel進行數(shù)據(jù)分析時，往往只會操作，但對運行結(jié)果不理解，即“只知其表，不知其義”。此外，教材中對于部分曲線擬合的Excel操作介紹有些煩瑣，不夠簡單明了；進行圖表制作時，也經(jīng)常會出現(xiàn)格式不規(guī)范、細(xì)節(jié)不夠完善等問題。因此，強化該課程的信息化教學(xué)，使學(xué)生對實際數(shù)據(jù)處理問題能夠舉一反三，能夠熟練應(yīng)用Excel軟件進行相應(yīng)的分析，是本課程從理論知識轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的重要過程。此外，為適應(yīng)部分對圖表制作、曲線擬合有更高要求的應(yīng)用場合，課程教學(xué)還需拓展Origin軟件的制圖以及曲線擬合教學(xué)。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 突出求解原理 弱化公式推導(dǎo)和數(shù)據(jù)計算步驟過程

數(shù)據(jù)處理和分析的過程中涉及很多的計算公式和步驟，要記下所有公式和計算步驟顯得比較困難、煩瑣，相關(guān)工作可采用計算機軟件完成。因此，教學(xué)過程中只要讓學(xué)生掌握計算原理即可。例如，在講授最小二乘法時，重點介紹其原理是求解一條直線方程，使所有的實驗數(shù)據(jù)yi(i=1，2，…，N)和直線的距離的平方和(離差平方和)達到最小。具體的方程求解過程只需了解即可，重點掌握采用Excel軟件操作求解線性方程。

2.2 壓縮理論教學(xué)內(nèi)容 增加實踐教學(xué)

本課程內(nèi)容多，但教學(xué)計劃卻只安排24學(xué)時。教學(xué)過程中對原有的課堂教學(xué)內(nèi)容和課時進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，壓縮誤差分析、因素方差分析、回歸分析的理論教學(xué)課時，增加實踐教學(xué)課程。例如，對于非線性方程的回歸，除了講授教材介紹的通過線性變換轉(zhuǎn)化成線性方程進行求解外，增加講授“采用制作散點圖+添加趨勢線+顯示擬合公式”，顯示相關(guān)系數(shù)R求解。后者可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)和回歸曲線顯示在同一個圖上，回歸方程是否合理，一目了然。同時可以通過觀察相關(guān)系數(shù)R值的大小來挑選最佳的回歸方程。此外，拓展Origin軟件制圖以及曲線擬合等教學(xué)內(nèi)容。課程教學(xué)向上機實踐以及實際應(yīng)用傾斜。

2.3 強調(diào)軟件運行結(jié)果的查看分析

課程教學(xué)采用李云雁等人編《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》作為教材，該書介紹了利用Excel的圖表繪制功能以及數(shù)據(jù)分析功能包進行相關(guān)的數(shù)據(jù)誤差處理、圖表制作、因素方差分析、數(shù)據(jù)回歸、正交實驗結(jié)果的計算分析等[9]。由于課程設(shè)置問題，學(xué)生對數(shù)理統(tǒng)計的內(nèi)容掌握不熟練，導(dǎo)致學(xué)生在實際操作過程中，往往會出現(xiàn)對Excel各種數(shù)據(jù)處理計算結(jié)果的各項指標(biāo)的具體含義不清楚，教材里的相關(guān)說明也不夠簡單明了，對計算結(jié)果“只知其表，不知其義”。因此，除了相關(guān)的計算操作以外，有必要讓學(xué)生掌握理解各種計算結(jié)果的含義，才能對具體問題的求解有全面的掌握。例如誤差檢驗、因素方差分析的實踐教學(xué)強調(diào)對Excel計算結(jié)果的分析，要求學(xué)生熟練掌握通過查看對比F統(tǒng)計值與臨界值，或者顯著性值(Excel的數(shù)據(jù)分析結(jié)果通常用P表示)等參數(shù)的大小判斷分析誤差的大小以及因素對實驗指標(biāo)的影響程度。在Excel進行多元線性回歸求解后，要求學(xué)生列出相應(yīng)的方程式，對方程的顯著性進行判斷(包括相關(guān)系數(shù)法和F檢驗法)，以及不同因素對實驗結(jié)果影響的主次順序。上機考核不但要求學(xué)生能夠進行相關(guān)的運行計算，還要根據(jù)運行結(jié)果進行簡要的文字說明。

2.4 強調(diào)制圖規(guī)范化

采用Excel軟件自帶制圖模板繪制相關(guān)數(shù)據(jù)圖，往往存在制圖規(guī)范不符合畢業(yè)論文、專業(yè)雜志的排版要求，還需要進一步修改。圖表制作授課時，尤其強調(diào)圖例、坐標(biāo)軸標(biāo)題及單位、圖表標(biāo)題等細(xì)節(jié)的修改，使制作的圖表格式符合規(guī)范以及相關(guān)出版要求。

2.5 拓展學(xué)習(xí)Origin軟件的制圖以及曲線回歸功能

Origin軟件作為專業(yè)的科學(xué)制圖軟件，其制圖和曲線擬合的功能相比Excel軟件更加強大。例如，該軟件可進行多坐標(biāo)軸、三維、矢量制圖等；曲線擬合除了可以通過選擇標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型進行擬合外，還可以自己設(shè)置擬合方程的公式進行擬合，并同時給出擬合方程和F檢驗報告。目前大部分專業(yè)雜志論文發(fā)表以及部分高校的畢業(yè)論文制圖都要求采用該軟件進行制圖。通過本部分的拓展學(xué)習(xí)，可以為部分對制圖和曲線擬合有更高要求的學(xué)生提供更多的選擇。

3 教學(xué)方法改革

3.1 改變實踐教學(xué)模式

由于課時的限制，教學(xué)大綱中的上機學(xué)時只有2個學(xué)時，剩余22學(xué)時為多媒體教學(xué)，因?qū)W校機房的排課較為緊張，在現(xiàn)有的課程時間安排內(nèi)，很難保證學(xué)生上機實踐操作的質(zhì)量。另外，隨著經(jīng)濟水平的提高，目前大學(xué)生計算機普及率較高，基本上可以達到人均一臺計算機，根據(jù)這個特點，在第一次上課便要求學(xué)生在各自的計算機上安裝相關(guān)的計算軟件包。在日后的教學(xué)過程中，根據(jù)課程內(nèi)容需要，要求學(xué)生上課攜帶筆記本電腦，當(dāng)場進行相應(yīng)的操作練習(xí)。例如，在講授方差分析時，理論內(nèi)容的講授從原來的2學(xué)時壓縮到1.5學(xué)時，留最后的半個學(xué)時給學(xué)生進行相應(yīng)的例題操作練習(xí)。實踐教學(xué)過程中還發(fā)現(xiàn)一個突出的問題：由于學(xué)生計算機通常安裝的是最新的Office操作系統(tǒng)(例如2013版、2015版)，而教材里的例題操作講解還停留在Office 2004版本，使得相關(guān)操作細(xì)節(jié)有所不同，相關(guān)問題在課堂上當(dāng)場解決，教學(xué)效果更佳。

3.2 增加課后上機練習(xí)

利用當(dāng)今學(xué)生計算機普及率比較高的特點，將部分誤差分析、圖表制作、因素方差分析、回歸分析、正交實驗設(shè)計的課后習(xí)題布置成課后上機作業(yè)，用Excel軟件完成。通過增加課后習(xí)題上機練習(xí)的訓(xùn)練，使原有的教學(xué)計劃中的上機實踐學(xué)時無形中大大延長。

3.3 制作課后習(xí)題參考答案

根據(jù)教學(xué)改革內(nèi)容制作了課后習(xí)題參考答案，尤其是很多習(xí)題的參考答案都提供常規(guī)計算和通過Excel軟件求解2種解題方法，以供學(xué)生參考。

3.4 改革考試和考核方法

把教學(xué)計劃中2課時的上機實踐練習(xí)改成上機測驗課，督促學(xué)生能夠在課外的上機練習(xí)保時保量。將原有30%的平時成績+70%的期末試卷成績改為20%的平時成績+20%的上機測驗成績+60%的期末試卷成績。此外，期末筆試試卷中增加Excel求解相關(guān)數(shù)據(jù)處理問題運行結(jié)果的簡要分析。不但要求對相關(guān)問題能夠進行上機操作，還要熟悉掌握對運行結(jié)果的理解，以便能靈活采用Excel軟件分析和解決實際數(shù)據(jù)處理問題。圖表制作除了制作基本的圖形外，考核的時候，更加注重對圖表細(xì)節(jié)的修飾，嚴(yán)格要求按照畢業(yè)設(shè)計論文圖表格式要求進行相關(guān)格式修改。

4 結(jié)語

通過課程改革發(fā)現(xiàn)，由于增加了上機實踐的師生互動時間和加強課后上機練習(xí)，在期末上機考核的時候，學(xué)生的操作明顯比較熟練，并能對相關(guān)的數(shù)據(jù)處理運行結(jié)果進行簡要的分析，絕大部分學(xué)生的考核成績?yōu)閮?yōu)良。此外，通過跟蹤部分學(xué)生畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)，學(xué)生撰寫畢業(yè)論文時，能夠綜合采用Excel和Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理分析和規(guī)范的圖表制作，能將所學(xué)理論知識靈活應(yīng)用在具體的實踐問題上。