《试验设计与数据处理》课程教学研究

陈彰旭，李先学，傅明连

（莆田学院 环境与生物工程学院，福建 莆田 361100）

《试验设计与数据处理》是一门应用领域相当宽广的现代技术课程，主要介绍工程技术和科研试验中常用的试验设计与数据处理方法.通过对本课程的学习，学生能够掌握试验设计和数据处理的基本原理和方法，为后续教学环节如专业试验、毕业论文和今后在工作中开展产品工艺优化、质量管理等工作的顺利进行打下良好基础.该门课程教学内容主要包括两个方面：试验设计和数据处理.试验设计部分主要是让学生掌握设计试验的方法，能做到在有限的试验条件下，用最少的试验量获得尽可能多的信息；数据处理部分主要是让学生学会对实验结果采用合理、有效的分析方法，从而发掘出潜在的、有用的信息[1].由于《试验设计与数据处理》课程内容涉及大量的数学公式、计算以及理论推导，学生极易对该课程产生畏惧，尤其是数学基础较差的学生.如何提高学生学习本门课程的兴趣，提高教学效果，是一个亟待研究的课题.

1 与其他课程的联系

《试验设计与数据处理》与应用化学专业的其他课程不同，它隶属于统计学，是将理论和实践相结合、实用性很强的课程.该门课程又以概率论、线性代数和数理统计为基础[2]，相应的统计软件和计算机软件为工具，如Excel、Origin、正交试验设计助手等.此外，大量的实例贯穿整个课程始终，这要求学生应该在化工基础课程和专业课程的学习之后学习本门课程.

2 科学组织教学内容，突出应用性和实用性

2.1 科学教学

应用性本科培养的是运用科学理论从事高技术工作的应用型专门人才，在培养规格上以行业需求为本位，注重知识的复合性、现时性和应用性.培养出的人才应具备综合运用理论知识和方法解决实际问题的综合能力和实践能力，并兼备技术创新能力[3].因此，在教学内容组织和知识侧重点的处理上应以结合专业特色、适应行业需要为主旨.试验设计与数据处理是以统计学原理为基础的学科，其原理部分涉及到高等数学、概率论和线性代数的知识，这部分内容在基础课程中已有详细讲述.因此，教学重点放在各种试验设计方法和数据处理方法的具体应用上，而方法的理论推导过程可以作为学生自学内容.如讲解方差分析时，将重点放在方差分析的具体步骤上，而偏差平方和分解过程的推导则作为自学内容；在正交试验设计及分析部分，教学侧重点主要放在如何使用正交表及如何对正交试验结果作恰当的分析上，而对于正交表的构成原理、特点仅作简要介绍.

2.2 分析教学对象，合理组织教学内容

2.2.1 分析教学对象

面对众多的内容，授课者必须了解学生的实际情况，分析社会对学生素质的需求，针对学生自身的实际条件和学校的要求，突出重点.确切了解本科生需要掌握的科学技能，有助于在课程内容安排中突出重点.对于应用化学专业的本科生来讲，其主要的科研工作包括简单的试验设计、收集和分析实验结果，主要用到的统计学方法只有t检验、方差分析、卡方检验、一元线形回归和正交试验设计等.因此，在实际教学当中，首先应选用或编写比较实用的教材，适当删减不合适的内容，同时对于学生在今后的学习和工作中需要经常用到的内容，如数据比较和正交试验设计等，应该适当增加课时两，进行强化和突出.而对于一般教材中涉及比较多的多元线性回归、多样本参数检验、聚类分析等实践涉及比较少内容无须分配过多课时.对于生物工程专业或农林专业学生而言，需要采用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[4]，其中回归设计、均匀设计应该重点讲授和实践.

2.2.2 合理组织理论教学内容

课程内容应主要包括以下三个部分：一是试验设计部分，主要讲授试验设计的几种方法.二是试验数据分析部分，包括试验数据的误差分析，直观分析和方差分析.在讲授的时候，要把两部分结合起来.按照教材，具体内容包括：误差的基本知识；单因素优选法；方差分析法；正交试验设计；正交试验设计结果的直观分析；正交试验设计结果的方差分析；正交试验设计中正交表的灵活运用；回归分析；均匀试验设计.有关显著性检验的知识会在方差分析中讲解.三是介绍部分计算机数据处理软件，主要就是Excel在数据处理过程中的应用.这部分内容在所选教材中被列在最后一章.正交试验设计是本专业的重点，数据处理有相关的软件：正交试验设计助手.

3 优化教学方法，提高教学效果

3.1 多媒体教学与传统教法相结合

多媒体教学，如PowerPoint等的应用丰富了教学内容，使授课生动活泼，条理清晰，易于学生做课堂笔记.试验设计与数据分析课程理论性强，公式多，例子中表格复杂，用板书表达速度慢.多媒体教学应用于试验设计与数据分析课程，可迅速将多种图表直观生动地投射给学生，使复杂的理论更加容易讲解.同时，多媒体教学可以将教师从繁琐的板书中解脱出来，使教师有更多时间讲授理论知识，充分发挥教师在教学活动中的主导作用，调动学生的思路，从而产生较好的课堂效果.同时，多媒体教学使数据处理软件的演示和讲解成为可能，为课程的应用化和实用化提供了有效的平台.在多媒体教学中，可以利用数据分析软件处理具体事例，并将其操作全过程在幻灯片上演示，利于学生模仿练习.

但是在进行某些理论推导的时，传统板书教学仍有不可替代的优势，它可以引导学生跟随教师的思路一步一步前进，使学生对原理的理解更清晰透彻.因此，在数学公式和理论性知识较多的试验设计与数据分析课程教学中，传统的板书教学也不能少.应以多媒体教学为主，同时在适当时候辅以传统板书，以期得到事半功倍的效果.

3.2 结合其他课程的实验处理和应用实例，提高学习的实用性

3.2.1 课堂教学实例化

课堂教学实例化具有理论联系实际的特点，可以对工业生产、生活活中的典型案例作重点剖析，以阐述原理，剖析问题，从而加深学生对教学内容的理解，并能让学生学会用理论知识去分析、判断和解决问题[5].试验设计与数据分析的理论部分逻辑性强，公式复杂繁多，抽象而难于理解.这就需要教师列举大量的实例加以充实，开阔学生的眼界，调动课堂的气氛，同时加强学生的对统计学理论的理解.只有老师在教学过程中经常联系、渗透生活中应用统计知识解决问题的例子，学生就自然感觉到统计知识的应用是无处不在、无时不在的.而这些例子的选择也应尽量符合学生的专业方向，属于学生比较了解的领域.如对于应用化学高分子方向的学生，课堂例题应该多涉及高分子涂料配方设计与工艺优化的数据处理；而对于应用化学化学与工程方向的学生，课堂讲授可以结合化工仿真软件进行工程设计和数据处理.结合学生专业方向进行授课，一方面可以集中学生的注意力而使之专注于教师讲授问题的解决，另一方面可以增加学生对本专业的了解与解决本专业实际问题的经验和能力.

3.2.2 教学与专业实验课程相结合

试验设计与数据分析是科学研究的工具，其实用价值来源于科研实践.应用化学专业的基础实验如有机化学实验等，专业实验课程如精细化工实验等均可以得到大量的数据，充分利用课堂上讲到的数据处理方法加以分析练习，是增强本科学生对这一工具的熟练掌握的良好途径.但是，当前多数实验课程重点是注重培养学生对实验技能的掌握，而对数据的收集和处理工作要求并不十分严格.这种教学模式不利于培养学生严谨的科学态度，也不利于增强学生实际分析解决问题的能力.因此，在建议实验课程注重数据处理过程之外，试验设计与数据分析课程的讲授应与至少一门专业实验课程相联系，即把此实验课程同时作为试验设计与数据分析课程的实验课程.学生同时将实验报告递交给试验设计与数据分析课程教师，以此不断训练和督促学生实际处理和分析数据的能力.

3.2.3 仿真与设计结合

除了课堂教学和上机实践操作外，可结合《化工方针实习》、《化工原理课程设计》、《有机合成单元课程设计》等课程，增加一些开放性的设计研究性的化工实验，如一氧化氮中低变转换、乙醇内循环无梯度转化乙烯等，进一步巩固掌握《试验设计与数据处理》课程的精髓.

3.3 强化上机实验

试验数据的处理计算量很大，完全依靠手算既浪费时间又容易出错.而现在有多种软件，它们可以对数据作各种分析，并能够在短时间内得到准确的结果.因此，应重视上机环节，要求学生至少掌握1种统计软件的使用方法，学会用软件绘图、计算，并能正确理解分析结果.例如SPSS是一个功能全面的统计分析软件，操作界面友好，易学易用，广泛应用于自然科学、社会科学领域[6].在教学过程中安排适当学时进行上机操作，要求学生能够使用软件进行平均数假设检验、方差分析、多重比较、回归分析等操作，不仅能增强知识的掌握程度，还可以激发学生的学习兴趣，获得良好的教学效果.

在工业生产中，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，是每个应用化学专业学生需要解决的问题[7].这些知识的训练通过强化上机可以较快实现.

由于试验设计与数据分析课程的特有的应用性和实用性，其理论部分考核应该以解决和分析具体问题为主，而不应拘泥于以往固定而复杂的试卷模式.加强学生对软件的操作能力，上机实验课后应注意对学生进行上机考核.试验设计与数据分析是一门实用的工具性课程，需要在学生头脑中建立理论化的体系，才能使之融会贯通，运用自如.因此，教师在理论授课和上机实验之余，应给学生不间断进行系统化复习和练习，使学生对课程所涉及的理论和方法产生整体印象，进而掌握课程的脉络和具体的统计方法.教师应注意与学生交流，注意加强重点和难点的讲述和练习，同时要布置一定数量的习题，帮助学生加强理解，巩固所学.

4 结束语

应用化学专业所研究的对象涉及到多因素的复杂化工过程，如何通过试验设计和数据处理来减少试验次数，节约成本、高效准确获取可靠信息，实现目标最优化是一个工程技术人员必须掌握的现实问题.《试验设计与数据处理》课程教学将使应用化学专业学生受益匪浅，为其解决工程的设计、研发、分析与总结奠定良好基础.《试验设计与数据处理》课程教学应适应当前社会、科技的发展及应用型人才培养的需要，注重学生的主体性，以培养思维能力、提高实践能力为主要目的，不断改革教学模式.

〔1〕李云雁,胡传荣.实验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2008.

〔2〕杨瑞云,银小玲,覃江克,等.有机化学多媒体教学的实践与思考 [J].中国现代教育装备,2010(2):36-38.

〔3〕徐理勤，顾建民.应用型本科人才培养模式及其运行条件探讨[J].高教探索,2007(2):57-60.

〔4〕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.

〔5〕宋秀英.浅谈农业类院校概率论与数理统计课程的教学[J].科技信息,2008（6）:139,168.

〔6〕薛薇.SPSS统计分析方法及应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

〔7〕蒋长兴.试验设计与数据处理课程改革探索[J].轻工科技,2012(3):146-147.