王保玉,王少鵬,鄭麗萍,付長(zhǎng)亮,張峻煒,李玉玲,何會(huì)芬,王宇飛,李靖靖

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院化工食品學(xué)院，河南 鄭州 450044）

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是化工類(lèi)、食品類(lèi)和材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)的通用型選修課。該課程以高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等為基礎(chǔ),融合專(zhuān)業(yè)學(xué)科知識(shí),具有鮮明的理論和實(shí)踐一體化的特征。課程內(nèi)容主要包含試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理兩方面的基本理論和方法,要求學(xué)生能夠應(yīng)用這些原理與方法,解決科學(xué)試驗(yàn)和工程實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題。該課程已在我校食品科學(xué)與工程、化學(xué)工程與工藝和高分子科學(xué)與工程等工科專(zhuān)業(yè)中開(kāi)課和運(yùn)行,在教學(xué)過(guò)程中,我們以在線(xiàn)開(kāi)放課程建設(shè)為依托,對(duì)課程進(jìn)行了一系列的改革和嘗試,突出對(duì)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),順應(yīng)新工科建設(shè)和卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的要求。

1 根據(jù)學(xué)生能力要點(diǎn)，顆?；M織課程內(nèi)容，構(gòu)建能力本位的模塊化課程

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程中數(shù)據(jù)處理部分涉及到很多的數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)學(xué)運(yùn)算,內(nèi)容比較抽象,學(xué)生難于全面掌握,常出現(xiàn)為難情緒和厭學(xué)現(xiàn)象[1-3]。基于此,我們?cè)跀?shù)據(jù)處理部分以 “必須夠用”為指導(dǎo)原則,淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程,學(xué)生只需了解其來(lái)龍去脈即可,重點(diǎn)掌握數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型的參數(shù)意義、使用條件和實(shí)際應(yīng)用。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)學(xué)習(xí)每種方法的應(yīng)用程序、分析每種方法的優(yōu)缺點(diǎn),以及面向?qū)嶋H問(wèn)題的方法選擇,要求學(xué)生熟練選擇表格和設(shè)計(jì)表頭?；谝陨峡紤],我們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)。首先,對(duì)照專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案中的畢業(yè)生能力要點(diǎn),結(jié)合課程內(nèi)容,科學(xué)界定課程目標(biāo),即要求學(xué)生掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的基本方法,學(xué)以致用,初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)和處理數(shù)據(jù),完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐。其次,結(jié)合具體學(xué)習(xí)內(nèi)容,進(jìn)一步細(xì)化課程目標(biāo),形成一系列易操作可評(píng)價(jià)的子目標(biāo),對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行顆?；幚怼Ｔ俅?突出應(yīng)用導(dǎo)向,化繁為簡(jiǎn),整合理論教學(xué)內(nèi)容,建構(gòu)知識(shí)框架,細(xì)化課程目標(biāo),創(chuàng)設(shè)教學(xué)任務(wù),圍繞核心知識(shí)點(diǎn),模塊化組織教學(xué)內(nèi)容。最后,突出課程的實(shí)踐屬性,提高實(shí)踐教學(xué)比例,加強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟件Excel、Origin和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS、SAS的應(yīng)用,切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題能力和解決問(wèn)題能力。

例如,在儀器分析中,操作方案的優(yōu)化非常重要,直接決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。我們以此為應(yīng)用背景,設(shè)置任務(wù)學(xué)習(xí)雙因素方差分析。具體任務(wù)是在原子吸收分光光度法中乙炔和空氣流量對(duì)測(cè)定鎳電解液中微量銅的影響。本任務(wù)的要求明確具體,就是確定儀器操作條件的對(duì)分析結(jié)果是否有顯著影響,因此,我們就可以借助Excel,導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用軟件 “分析數(shù)據(jù)庫(kù)”中 “無(wú)重復(fù)雙因素方差分析”工具,經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)置,就能快速得到分析結(jié)果,用于改進(jìn)儀器分析方法。借助專(zhuān)業(yè)軟件不僅可以化繁為簡(jiǎn),直達(dá)目標(biāo),還能避開(kāi)繁瑣的人工數(shù)據(jù)處理過(guò)程,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 以學(xué)生為中心，實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)，構(gòu)建高效的課堂教學(xué)模式

課程教學(xué)打破以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法,實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生參與度和獲得感。項(xiàng)目選擇突出實(shí)際應(yīng)用性,緊密結(jié)合學(xué)生的專(zhuān)業(yè)發(fā)展需求,主動(dòng)融合學(xué)科前沿和科研成果[4],開(kāi)設(shè)開(kāi)放性的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),拓展課程的深度和提高課程的難度,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度。項(xiàng)目化教學(xué)的設(shè)計(jì)充分借鑒CDIO教學(xué)模式,CDIO教學(xué)模式由構(gòu)思(Conceive）、 設(shè)計(jì)(Design）、 實(shí)施(Implement） 和操作(Operate）四個(gè)步驟形成一個(gè)完整的教學(xué)體系并能持續(xù)優(yōu)化[5-6]?！对囼?yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》作為一門(mén)實(shí)踐課程,必須重視 “做中學(xué)”和 “基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”,項(xiàng)目化教學(xué)以工作任務(wù)或項(xiàng)目為教學(xué)載體,將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下主動(dòng)學(xué)習(xí),獲取必須的知識(shí)與技能。項(xiàng)目化教學(xué)基本環(huán)節(jié)如下:(1）布置任務(wù)；(2）學(xué)習(xí)咨詢(xún)；(3）制定方案；(4）實(shí)施方案；(5）成果匯報(bào)；(6）點(diǎn)評(píng)歸納；(7）修改完善[7-8]。其中,前四個(gè)環(huán)節(jié)一般需要學(xué)生在課外自主完成,這樣可以使學(xué)生有比較充裕的時(shí)間查閱資料、咨詢(xún)教師、制定方案和完成項(xiàng)目,成果匯報(bào)和點(diǎn)評(píng)歸納等環(huán)節(jié)一般應(yīng)安排在課內(nèi)完成。

例如,天然植物提取物近年來(lái)備受市場(chǎng)追捧,已廣泛應(yīng)用于藥品、保健品、食品和化妝品等領(lǐng)域,但植物提取過(guò)程效率普遍較低,導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。針對(duì)該共性問(wèn)題,我們以黃芪煎煮提取工藝研究為項(xiàng)目,學(xué)習(xí)回歸分析。本學(xué)習(xí)項(xiàng)目重點(diǎn)研究煎煮時(shí)間、煎煮次數(shù)和加水量等三個(gè)因素對(duì)提取物黃芪總皂苷含量的影響,要求學(xué)生利用回歸分析確定因素的主次順序,并預(yù)測(cè)優(yōu)方案。教師下達(dá)學(xué)習(xí)任務(wù)后,第一步,各學(xué)習(xí)小組開(kāi)始搜集相關(guān)研究資料,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,做好預(yù)實(shí)驗(yàn),并向指導(dǎo)老師咨詢(xún),制定可行的實(shí)驗(yàn)方案；第二步,各學(xué)習(xí)小組分工協(xié)作,完成實(shí)驗(yàn)方案。第三步,各學(xué)習(xí)小組整理匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,以PPT形式展示學(xué)習(xí)成果；第四步,教師和其它學(xué)習(xí)小組對(duì)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行充分質(zhì)疑,總結(jié)存在問(wèn)題,提出改進(jìn)措施,完善實(shí)驗(yàn)方案。事實(shí)上,煎煮法雖然簡(jiǎn)單易行,但其也存在選擇性差和有效成分易破壞等缺點(diǎn),還可以啟發(fā)學(xué)生,突破提取方法的限制,重新選擇影響因素,提出更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方法及其研究方案,作為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目,供學(xué)生在課外繼續(xù)進(jìn)行研究,既能幫助學(xué)生鞏固課本知識(shí),又能提升學(xué)生的試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

3 利用現(xiàn)代信息技術(shù)，拓展課程資源，打造一站式的在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)

《新工科北京指南》明確提出 “探索工程教育信息化教學(xué)改革,推進(jìn)信息技術(shù)與工程教育深度融合,創(chuàng)新 ‘互聯(lián)網(wǎng)+'環(huán)境下工程教育教學(xué)方法,提升工程教育效率,提高教學(xué)效果”[9]。本課程在建設(shè)過(guò)程中充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),制作了豐富的課程資源。本課程不但有課程標(biāo)準(zhǔn)、電子教案、電子講稿、電子課件、學(xué)習(xí)清單、作業(yè)答案、參考資料和應(yīng)用案例等文本資源,還制作了豐富的圖片、音頻和視頻等多媒體資源。總之,本課程的資源庫(kù)力求形式多樣和足量冗余,既能方便教師根據(jù)實(shí)際需要靈活搭建模塊化課程,又能讓學(xué)有余力的學(xué)生自主實(shí)現(xiàn)拓展學(xué)習(xí)。

互聯(lián)網(wǎng)具有超越時(shí)空、信息量大、使用方便等顯著優(yōu)點(diǎn),已對(duì)傳統(tǒng)教育教學(xué)模式形成挑戰(zhàn),能夠?yàn)閷W(xué)生提供全方位的學(xué)習(xí)服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代為教學(xué)改革提供了難得的新機(jī)遇,我們必須主動(dòng)適應(yīng)學(xué)生移動(dòng)學(xué)習(xí)和混合式教學(xué)的新需求,利用現(xiàn)代信息技術(shù),重視在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)的建設(shè)。MOOC(慕課）,即大規(guī)模開(kāi)放在線(xiàn)課程,在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)大量上線(xiàn),能夠提供海量的在線(xiàn)教學(xué)資源,學(xué)生根據(jù)興趣愛(ài)好可以自主選擇和學(xué)習(xí)[10]。然而,慕課要求學(xué)生有較強(qiáng)的自律能力和自學(xué)能力,才能完成同步學(xué)習(xí)并獲得學(xué)分或證書(shū)。為解決在線(xiàn)開(kāi)放學(xué)習(xí)和線(xiàn)下班級(jí)教學(xué)間不能完全匹配和兼容問(wèn)題,SPOC,即小規(guī)模限制性在線(xiàn)課程,就應(yīng)運(yùn)而生[11]。SPOC教學(xué)模式面向特定班級(jí)群體精準(zhǔn)開(kāi)發(fā),能與傳統(tǒng)課堂教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),并行不悖,既能在線(xiàn)上理論學(xué)習(xí),又能輔助線(xiàn)下課堂教學(xué)。基于此,我圍繞教學(xué)目標(biāo)精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng),進(jìn)行了MOOC+SPOC的混合式教學(xué)實(shí)踐與探索,構(gòu)建課堂教學(xué)與在線(xiàn)學(xué)習(xí)相融合的新型課堂教學(xué)模式[12]。首先,對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行整合和重構(gòu),分解成理論和實(shí)踐相融合的學(xué)習(xí)任務(wù),制成微視頻,便于學(xué)生利用碎片化時(shí)間進(jìn)行反復(fù)觀看和學(xué)習(xí)。其次,針對(duì)專(zhuān)業(yè)差異、班級(jí)差異和學(xué)生個(gè)體差異,我們引入SPOC教學(xué)模式,滿(mǎn)足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。

4 順應(yīng)學(xué)習(xí)模式改革，科學(xué)設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立多元化評(píng)價(jià)考核體系

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》借鑒布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類(lèi)理論,將評(píng)價(jià)指標(biāo)融入學(xué)習(xí)過(guò)程目標(biāo),構(gòu)建多元化評(píng)價(jià)體系,制定具有可操作性的評(píng)價(jià)方案[13]。本課程內(nèi)容主要分為理論模塊和實(shí)踐模塊兩部分,理論模塊主要是讓學(xué)生掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的基本方法,必須強(qiáng)化學(xué)生對(duì)方法與過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí),因此,本模塊評(píng)價(jià)目標(biāo)側(cè)重平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià),綜合利用課堂小組討論、個(gè)人答題、知識(shí)搶答、課后書(shū)面作業(yè)等多種形式,調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)積極性,及時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。實(shí)踐模塊主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的能力,評(píng)價(jià)重點(diǎn)是學(xué)習(xí)成果,以計(jì)算機(jī)軟件輸出結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)踐的準(zhǔn)確性。此外,期末終結(jié)性評(píng)價(jià)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為藍(lán)本,擬定多任務(wù)的綜合題,綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

例如,檸檬酸硬脂酸單甘脂是一種新型綠色食品乳化劑,具有良好的乳化能力和潤(rùn)濕作用。它通過(guò)檸檬酸與硬脂酸單甘脂在真空條件下進(jìn)行酯化反應(yīng)制備,通過(guò)優(yōu)化合成工藝條件,能夠提高它的乳化能力。我們以此作為應(yīng)用背景,設(shè)置項(xiàng)目學(xué)習(xí)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和實(shí)施過(guò)程,分解成六個(gè)具體的學(xué)習(xí)任務(wù),并制定對(duì)應(yīng)的過(guò)程考核方案(括號(hào)內(nèi)為權(quán)重）。具體如下:任務(wù)一,探索性實(shí)驗(yàn),具體考核影響因素挑選是否合理(3%）和因數(shù)水平數(shù)值是否適當(dāng)(3%）；任務(wù)二,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),具體考核正交表選擇是否合適(5%）、表頭設(shè)計(jì)是否合理(5%）和試驗(yàn)方案是否合理(4%）；任務(wù)三,試驗(yàn)方案的實(shí)施,具體考核實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范(10%）、試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否真實(shí)可靠(5%）和數(shù)據(jù)處理是否規(guī)范(5%）；任務(wù)四,試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的直觀分析,具體考核極差計(jì)算是否正確(10%）、優(yōu)方案確定是否合理(2%）和優(yōu)方案驗(yàn)證和分析(3%）；任務(wù)五,試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的方差分析,具體考核離差平方和計(jì)算過(guò)程和結(jié)果的是否正確(10%）、自由度計(jì)算過(guò)程和結(jié)果是否正確(2%）、均方計(jì)算過(guò)程和結(jié)果是否正確(2%）、F值計(jì)算過(guò)程和結(jié)果是否正確(2%）、顯著性檢驗(yàn)分析是否正確(2%）和優(yōu)方案確定是否合理(2%）；任務(wù)六,試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的展示和匯報(bào),具體考核書(shū)面試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容是否完整(7%）,報(bào)告格式是否規(guī)范(3%）,口頭匯報(bào)思路是否清晰(3%）,答辯問(wèn)題是否合理(4%）,是否提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施(3%）。

5 重視學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，形成持續(xù)改進(jìn)的良性循環(huán)

2018年,教育部頒布了 《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》,為我國(guó)高等教育本科專(zhuān)業(yè)設(shè)置了 “底線(xiàn)”,為實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)保障[14]。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的 “突出學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”三大原則,集中體現(xiàn)了產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念。目標(biāo)導(dǎo)向教育(OBE）非常關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果,這就要就我們必須改革傳統(tǒng)教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[15]。首先,結(jié)合課程的工具性和應(yīng)用性的顯著特點(diǎn),廣泛采用啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué),在課堂上增加師生互動(dòng)和生生互動(dòng),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。其次,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確界定學(xué)習(xí)難點(diǎn),積極引導(dǎo)學(xué)生深入思考,自主學(xué)習(xí)和攻堅(jiān)克難,切實(shí)提高學(xué)習(xí)效率。最后,做好教學(xué)反饋,每輪課程學(xué)習(xí)結(jié)束后,課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行詳細(xì)分析,找出制約教學(xué)質(zhì)量提高的關(guān)鍵影響因素,并提出具體的改進(jìn)措施,修訂課程標(biāo)準(zhǔn),更新教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程。

6 組建一支結(jié)構(gòu)合理和分工明確的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，保障課程的可持續(xù)性建設(shè)

課程建設(shè)任務(wù)比較多,為保證 《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程的可持續(xù)性建設(shè),必須組建一支成員穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理和分工明確的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。本課程面向多個(gè)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè),這就要求團(tuán)隊(duì)成員專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)合理,確保教學(xué)項(xiàng)目具有鮮明的專(zhuān)業(yè)特色,教學(xué)內(nèi)容也能根據(jù)專(zhuān)業(yè)需要靈活調(diào)整和優(yōu)化。教學(xué)團(tuán)隊(duì)的年齡結(jié)構(gòu)也要合理,除團(tuán)隊(duì)主持人外,還要有年富力強(qiáng)的骨干教師和精力充沛的青年教師。團(tuán)隊(duì)主持人側(cè)重于提出課程建設(shè)思路和制定課程建設(shè)規(guī)劃,指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員的課程教學(xué),做好示范教學(xué)。骨干教師是課程建設(shè)和課堂教學(xué)的主力,青年教師可以先從助教做起,向骨干教師學(xué)習(xí),取長(zhǎng)補(bǔ)短,提升自己的教育教學(xué)能力,為獨(dú)立授課奠定基礎(chǔ)。骨干教師側(cè)重于執(zhí)行課程建設(shè)方案和完成課程建設(shè)任務(wù),青年教師主要負(fù)責(zé)課后學(xué)業(yè)輔導(dǎo)、課程網(wǎng)站的建設(shè)與維護(hù)、電子課程資源的制作與發(fā)布以及在線(xiàn)課程學(xué)習(xí)平臺(tái)的實(shí)時(shí)互動(dòng)答疑等任務(wù)。

7 結(jié) 論

《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》是一門(mén)量大面廣的通用型工具課和實(shí)踐課。通過(guò)課程改革,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高,教學(xué)效果持續(xù)提升,學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力顯著增強(qiáng)。但是,課程建設(shè)仍然存在一些問(wèn)題,仍有較大的改革空間。課程建設(shè)下一步必須緊密結(jié)合專(zhuān)業(yè)實(shí)際和學(xué)生學(xué)情,持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、豐富考核體系和完善質(zhì)量保障體系,才能更好地滿(mǎn)足新時(shí)代卓越工科人才的培養(yǎng)要求。