能源类专业本科教学阶段开设试验设计与分析课程的探讨

党钾涛 赵淑蘅 岳建芝 王伟 马晓然

关键词：试验设计与分析;作用;学习成效

进入21世纪以来，我国经济社会飞速发展，新产品、新技术大量涌现，在研发和生产新产品的过程中，不可避免地需要开展系统的试验工作，而且科学合理地安排试验，并对相关数据进行分析是理、工、农、经等学科师生与工程技术人员必须掌握的方法。试验设计与分析是利用数理统计学相关知识，将试验设计与数据分析两部分知识融合在一起的学科，自20世纪初期诞生以来，在指导工农业发展与经营管理，节约能源与社会成本，促进现代技术进步方面，始终起着非常重要的作用。在当前碳中和、碳达峰大背景下，利用试验设计与分析的相关知识，可有力地指导各领域实现节能减排。试验设计与分析课程主要培养学生科学合理地安排试验，系统收集并统计分析数据的能力，在理论知识与实践活动之间担当桥梁。在教学过程中，由于学生之前接触相关知识少，通过结合现实试验案例，改变枯燥单一的教学环节，提高学生学习热情，可以取得良好的教学效果。结合课程开设前期的准备工作与实践教学中的体会，笔者认为在能源、能源动力等专业本科教学环节开展试验设计与分析课程是十分必要的，在教学中也发现并总结了对一些问题的思考。

1试验设计与分析课程介绍

试验设计与分析最初由英国数学家、统计学家费舍尔提出，初期主要用于生物、农业等领域田间试验的设计与规律总结。利用该方法大幅减少了所需试验次数，显著缩短了工作周期，从而降低成本、节约投入、提高作物产量，取得了瞩目的成果。在随后的100多年间，试验设计与分析内容不断发展，出现了正交设计、均匀设计、稳健设计、模拟设计等新的理念与方法，几乎在社会各领域都有大规模的应用。试验设计与分析在教学中主要讲解方差分析、回归分析、试验误差、正交试验分析方法、均匀设计方法等内容，强调学生理解运用知识的能力，是将数学理论应用到实践的典型课程。因为是由数学、统计学等学科发展而来，试验设计与分析课程中有大量的数学知识与公式，学生难以理解与记忆，另外对于抽象的概念如何应用到实践工作中，学生也难以掌握，这些问题影响了学生的学习效果。

2试验设计与分析课程对本科生的影响

随着社会形态的不断变化与科学技术的飞速发展，大学生不仅要有宽广的知识储备、扎实的理论基础，还要具有将理论应用到实践的能力，同时能将实践经验升华沉淀为科学规律。课程设置仅完成知识的传授已经不能满足新形势新需求，需要开设更多具有启发性、引导性，可以促进学生自发获得知识的内循环型课程。试验设计与分析对本科阶段的学生来讲，其实用性体现在学生掌握了一种根据课题任务，自行设计试验方案，进而获得结论的方法。笔者对比了本科阶段学过试验设计与分析课程与没有学过该课程的学生在本科毕业设计阶段的表现，发现前者在试验中更积极，会主动向老师交流一些开创性的试验想法，并提出理论依据，对试验数据的分析也更科學，说明试验设计与分析对启发本科生科学思维的形成，推进学生科学素养的提升，塑造实践能力强的创新型综合人才具有良好的促进作用。

3目前试验设计与分析课程教学短板

通过调研试验设计与分析课程的教学案例，结合笔者近三年来的教学体会，发现受限于各种因素，试验设计与分析课程的教学有以下不足：

（1）教学课时较少。因大学生的整体课时有限，新生学年与大二学年需要安排公共基础课和一部分专业大类基础课，在大学后半阶段不仅需要安排专业基础课和专业核心课，还要安排各种实习与设计，造成试验设计与分析的课时少，难以系统展开教学活动。

（2）实践操作机会少。试验设计与分析是一门与实践联系紧密的课程，但是课程地位与课时安排无法与专业核心课相比，因此缺少资源组织学生进行实践教学，导致目前教学以理论为主，不能安排与理论课程相匹配的实践教学。

（3）对数学基础要求高。试验设计与分析的核心还是数学问题，对于高等数学、数理统计与分析、概率论等课程基础薄弱的学生，学习与理解非常吃力。因课时数少，课堂上有限的时间不能用来系统复习数学知识，部分学生对课程中用到的公式与理论一知半解，甚至失去学习兴趣。

（4）与专业联系不紧密。试验设计与分析起源自农业统计，发展于工业化大生产，虽然应用广泛，但是教材中涉及的案例与本专业相关性不强，学习效果不佳。

4试验设计与分析课程教学实践与思考

笔者所在教研室于2019年开始对能源、能动类专业大三学生开展试验设计与分析教学，总结梳理三年的教学工作，有如下体会：

一是开设试验设计与分析课程对本科生十分必要。目前本科生的培养体系，缺乏设计试验和科学分析数据的内容，学生独立开展试验与研究的能力较为欠缺，学习该课程之后，学生在大学生创新试验与毕业设计中都展现了更高的科学素养与更好的试验能力。

二是案例教学可以改善学习效果。在教学中，笔者尝试引入电车续航里程解释单因素试验、蛋糕制作试验解释配方设计、太阳能采暖设计解释正交试验设计川、生物制氢试验解释响应面试验设计等，通过这些与现实和专业密切相关的案例，尤其是以太阳能、生物制氢试验为例，介绍了有关清洁能源开发、生物质资源利用、试验过程等专业相关内容，并设计开放式互动习题（详见下文案例1、案例2），学生更深刻理解了课程知识与专业背景，学习本课程的目的更明确，主观能动性更高。

三是互动交流激发学生学习积极性。实验设计与分析课程数学知识多，公式复杂，学生极易进入学习疲劳期，利用有限的课时，可以通过使用线上线下混合教学手段、高质量的网络教学资源等增加交流渠道，并且让学生利用书本知识进行试验设计，分小组互动提高学习热情，通过相互交流让学生明白使用试验设计与分析的意义与作用，加深学生对书本概念的理解，培养科学设计试验的思维。

开放式案例1：结合太阳能热利用课程设计内容，提出开放式案例“为解决河南省农村住宅冬季采暖问题，同时为了不额外增加能源消耗，可利用太阳能采暖以实现节能降耗。已知住宅层高、长度、建筑材料、屋顶形式等对住宅热负荷有影响，请利用设计试验分析的课程知识进行影响因素分析并获得较优的设计方案”。

开放式案例2：结合学生参与创新实验有关生物制氢的内容，提出开放式案例“已知农村畜禽粪便与农作物秸秆可以进行光合微生物联合制氢，要针对反应时间、pH值、温度进行条件优化，获得水解液中0D值的最优工艺条件，请利用设计试验分析的课程知识进行影响因素分析并获得较优的设计方案”。

每個案例分别安排两组学生准备，在下次上课时通过课件的形式分享设计思路与方案。针对案例1，两组同学都选用了正交试验设计方法进行设计，但在因素与水平上设置有差异，一组设置了4因素3水平的正交试验，另一组则首先通过分析，认为屋顶形式可能对热负荷影响不大，用单因素试验来验证屋顶形式的影响，然后对其他三个因素进行了3因素3水平的正交试验设计。针对案例2，一组同学选用正交试验设计思路，按照3因素3水平的设计方案进行了方案设计，另一组同学选用了响应面试验设计思路，利用DE软件进行方案设计。四组同学分享了设计方法选择时的思路与方案选定的过程，组织其他同学针对四种方案进行讨论，引导所有学生思考试验设计知识在实践应用中应注意的重点。通过设计与学生联系紧密的开放式案例教学活动，学生对课程的学习热情明显提高，对知识点的理解与运用也显著提升。

5结语

试验设计与分析课程中的知识可以很好地支撑学生开展科学研究与社会实践活动，对学生的继续深造或者工作生活都有很好的帮助，针对目前试验设计与分析课程面临的短板，结合课程教学实践体会，笔者认为试验设计与分析在未来的教学工作中应注意以下几点：

（1）试验设计与分析是本科阶段少有的可以指导学生开展试验设计与科学研究的课程，国家一直提倡学生实践能力的培养，理应获得更多的课时与资源供学生开展试验研究，学校应投入更多的关注与资源。

（2）试验设计与分析经过百年的发展，在新时代需要增添更多新内容。在完成课本上传统的田间试验设计、正交试验设计等知识的传授之外，还应着重增加近年来计算机分析、软件模拟等知识，持续更新优化教学内容。

（3）学生面对复杂的公式与理论，本身就有畏难情绪，只有结合本专业的内容，通过将能源、能源动力等方向的最新研究作为案例，才能保障学生的学习关注度，增强学习动力。另外，教学中应使用大量大学生创新创业试验、毕业设计案例、研究生课题等与学生未来息息相关的内容，加强与本专业科研实践的联系，进一步发挥学生的主观能动性。

（4）为避免知识点与公式过多，授课过程单调乏味，应借助多媒体、网络信息技术，充实图片、音频、影像资料，充分利用慕课、超星学习通等线上资源，推进线上线下混合式教学，多样化智能化教学模式，扩充Excel、SPSS、DE等常用软件的介绍，增强学生互动交流。

综上，本文是笔者在试验设计与分析教学过程中的一些体会，难免挂一漏万。随着教学技巧与模式的发展，现代大学教育更多需要秉承“以学为主，以本为本”的教学理念，我们对试验设计与分析的课程应不断探索改进，为国家社会培养更多复合型与创新性人才。