机械类专业“试验设计与数据处理”课程教学模式探讨

王媛媛，王建波

(1.华中农业大学工学院，武汉 430070;

2.湖北省水利水电职业技术学院机电工程系，武汉 430070)

《试验设计与数据处理》是一门理论和实践结合紧密，实用性很强的工具课、方法课。该课在华中农业大学食品科技学院、工学院中开设，其中在工学院被列为专业选修课，32学时。该学科现已广泛应用于化工、医药、食品、环境、材料等诸多领域。

化工、环境、食品、材料等领域有一个共同特点，即需要通过试验寻找研究对象的变化规律。而我们知道，影响试验指标的因素有很多，有重要因素和非重要因素之分，有的因素与因素之间还存在交互作用。因此，合理设计实验，对实验所测数据进行分析和处理，获得研究对象的变化规律，达到研究目的，是每个实验人员需要解决的问题［1］。该课程教学的主要目的是使学生掌握食品科学及工程设计中常用的试验设计方法，并具备对试验研究所获得的数据资料进行初步统计分析的能力。

一、课程设计思路

该课程以工学院中机械电子工程、农业机械化及其自动化、机械设计制造及其自动化、自动化等四个专业的学生为授课对象，以试验设计、数据统计及分析的能力需求为导向，以试验设计、软件应用、数据分析为载体，将课程内容分解，在教学过程中以学生为主体，实现教、学、做一体化，主要理念为:

(一)注重课程在整个教学系统中的连续性

《试验设计与数据处理》中涉及到很多数据统计的学习内容，隶属于统计学。学生在大学一年级下学期学习过《概率论与数理统计》，已经具备了一定的理论基础，因此本课对统计分析部分不再强调，仅在《概率论》学习的基础上，对涉及到的知识点做简单回顾及系统总结，使之形成符合本课程教学要求的数据分析理论基础内容。

(二)注重教学内容设计的合理性

用不同的试验设计方法解决实际工作中所遇到的不同问题。应用最广泛和最具典型性的试验设计方法有区组设计、正交设计、参数设计、回归设计、均匀设计等［2］。另外，科学试验设计可分为3个阶段:试验设计阶段、试验实施阶段、试验分析阶段。通常可以遵循7个步骤进行:明确试验目的、确定评价指标、选择因素与水平、制定试验计划、实施试验、分析试验结果、作出结论。因此，在本课程的教授过程中，每一种试验设计方法都按这3个阶段、7个步骤来进行，结合案例分析及Excel的应用，形成一个个完整的学习单元。

二、课程教学实施

(一)教学课时安排

本课程第3、4、6章分别为方差分析、回归分析和正交试验设计，为重点学习内容，一般用全部课时的一半来讲授。第1、2章涉及到数据分析的基本概念，主要引导学生掌握概念、理解试验设计和数据分析的内涵、意义，用总课时的四分之一来讲授。第7、8章分别为均匀设计、回归正交组合设计，为常用的试验设计方法，结合均匀设计软件、Design Expert软件主要进行实际应用性方面的讲授，用总课时的五分之一来讲授。另外有2～4课时的上机实验课，指导学生使用Excel进行数据分析。

(二)教学方法设计

1.专业型教学

案例分析一定要突出专业特色。对于工科专业的学生，学习本课程时要考虑到专业背景及课程的实际应用性。课程内容主要包括3个部分:一是试验设计部分，主要讲授试验设计常用的几种方法;二是数据分析部分，包括针对试验数据的误差分析、针对研究对象不同影响因素的直观分析和方差分析、针对所建模型规律性的回归分析;三是介绍一些数据处理软件。

在实际讲授的时候，第一和第二部分内容要结合起来讲解。另外，在课本原来案例的基础上，加入与本专业密切相关的案例，如在讲解正交试验设计时加入高速钢工艺优化案例，要求通过实验确定最佳热处理工艺，了解等温温度、淬火温度和等温时间对冲击韧性抗弯强度和硬度的影响。讲解直观分析法的时候加入某无机材料对弹性模量的影响试验，使学生在学习本课程的同时，加深对《金属工艺学》《材料学》课程内容的印象。通过这些具有专业特色的实例，学生能够将所学的专业知识加以扩充，在掌握专业知识和本课程相结合的途径方法后，能够将理论应用到实践，并懂得利用试验设计进行科学研究的重要性和必要性［3］。

2.先进型教学

对数据分析软件的多样化进行介绍。在讲解数据处理软件部分的时候，即讲解Excel在数据处理过程中的应用时，辅助介绍一下SPSS、Origin等软件的使用。另外，在某些章节，联系到目前运用比较成功、具有专门功能的试验设计与数据处理软件，如专门针对均匀设计的“均匀设计”软件、联系到回归正交组合设计的Design-Expert软件，都给学生讲到，并专门以Box-BehnkenDesign(BBD)为例说明Design-Expert的使用，使学生对其有大概了解，方便日后使用。

3.案例型教学

本课程的特点是公式多、计算多且过程复杂。虽然学生是在修完《概率论与数理统计》的基础上进行本课程的学习，但大多数同学仍然感到数理统计很抽象，难以理解。在对听课学生调查时，学生普遍认为本课程难学，部分同学认为课程很没意思。因此，学生易产生厌学情绪，体现在课堂上就是课堂纪律较差，部分学生注意力不集中，或者直接看课外书、玩手机，作业完成情况较差。

对此，可采用如下方法:(1)在讲解基本概念和基本原理的基础上，对公式和定理的分析、推导一带而过;降低理论深度，着重实际应用;对计算过程仅作简要讲解，注重计算结果的分析和解释，降低课程难度。(2)可以引入启发式教学，加强师生互动，强调学生的主体性，调动学生参与学习的积极性。例如，可多讲解一些经典案例，比如在正交试验设计讲解时，告诉学生正交试验设计在日本被誉为“国宝”。之所以如此，是因为在1949年，日本电讯研究所研制了“线性弹簧继电器”，采用正交试验设计方法，对数十个试验指标、2 000多个变量进行研究，制造出先进、廉价的产品，带来几十亿美元的效益。(3)引起学生对该课程的认同感。可以在案例讲解时，注意多讲一些所选取案例的背景知识，比如讲解往届毕业生做毕业设计时采用的试验设计方法是什么，遇到什么问题，如何解决，结果如何等等。因为本课程是为大三学生开设的，他们也马上要面临毕业设计，此类案例的引入使学生有认同感，也会调动学生的学习积极性。

4.应用型教学

本课程有2～4课时的上机实验课，主要练习Excel在数据分析中的应用，是学生将理论知识转化为实际应用的关键步骤。相对理论教学来讲，学生普遍感到实验课轻松，兴趣很浓厚。在此基础上，可以引导有兴趣的学生自行下载其他的试验设计及数据分析软件来尝试，比较不同软件在不同的数据分析类型中的优劣性，从而引起学生课外学习及实践应用的兴趣。

另外，目前很多学生都倾向于本科毕业后继续读研，可以在课堂上展示与本专业有关的、采用科学的试验设计及数据分析方法发表的科研论文，一方面使其对专业研究方向、最新发展现状有所了解，另一方面使学生对本课程的应用有具体认识，对课程与自身以后的研究方向之间的联系有初步认识。

(三)课程考核

对于一门课的课程考核，一般有开卷、闭卷、课程论文等几种形式。程江峰通过实践证明采用开卷考试效果并不理想，学生不用记忆统计计算公式，在思想上不够重视，复习时间明显不足［4］。闭卷考试需要学生对公式进行记忆并进行计算，是目前常用的考核方式，但是闭卷考试无法检验学生对应用性软件的掌握程度。因此，可以考虑将上机考试和闭卷考试相结合，上机考试主要考核学生对Excel在数据分析中的利用，闭卷考试主要考核学生对基本概念的理解及试验设计方面的掌握程度，可按平时成绩20%、上机考试20%、闭卷考试60%的比例计算结业成绩。

另外，提交课程论文是培养创新意识和提高研究能力的有效途径［5］，可以避免学生死读书的情况，使课程的考核与实际应用结合的更为紧密。对于本课程，建议与其他有实习课程的老师加强联系，比如金工实习、电工实习等，在安排实习方案时就进行合理的试验设计，并对试验结果做进一步统计分析。这样，学生既完成了专业课的实习，又获得写课程论文的材料，提高了课程之间的横向联系。

［1］ 蒋长兴.试验设计与数据处理课程改革探索［J］.2012(3):146－147.

［2］ 叶其培.试验设计与数据处理在农林生产中的应用［J］.现代农业科技，2010(10):41 －42.

［3］ 陈红，黄海东.试验设计与数据处理课程教学改革的探讨［J］.农机化研究，2004(2):266－267.

［4］ 程江峰.“试验设计与数据处理”课程教学新思路［J］.教书育人，2007(6):49.

［5］ 林秀玲，滕艳华.试验设计和数据处理课程的教学探索［J］.考试周刊，2011(48):157－158.

(责任编辑 周江川)