《实验设计与数据处理》研究生课程的教学改革与创新

陈晓娟，徐 颂

（佛山科学技术学院环境与化学工程学院，广东佛山 528000）

随着科学技术的不断发展，高等教育教学也在逐步更新，如何提高教学质量，培养高素质的人才成为当前高等教育改革发展的重要方向之一。《实验设计与数据处理》是各高校研究生培养计划中重要的课程之一，对于培养学生的专业基础能力具有显著影响。《实验设计与数据处理》是以数理统计理论、专业基础知识，以及大量实践经验为基础，从而构建数学模型和实验方案设计方法，以实现实验方案的科学设计、实验数据分析的总体评估，从而达到减少实验次数、缩短实验周期、优化实验方案的目的[1]。总的来说，《实验设计与数据处理》课程主要涉及两大部分内容：①实验设计。提高学生的实验设计能力，以优化整个实验过程。②数据处理。强化学生对数据处理方法和手段的认识，以更好地理解实验现象和整个科研课题内在的本质。《实验设计与数据处理》是研究生阶段的必修课程，更是一种工具性课程，也是为学生提供开展科研课题研究所必备技能的重要基础课程。在信息化时代背景下，课程的讲授也面临着多重压力和挑战，需要综合运用现代科技手段，结合时代发展需求，在学习基本知识的基础上，更重要的是要让学生学会“举一反三”，学会“学以致用”，从而切实地提高研究生的综合素质。

1 课程教学现状与存在问题

1.1 课程涉及的理论内容广泛，但不够深入

《实验设计与数据处理》课程的教材有很多版本，但总体上主要包括实验设计部分（正交设计、均匀设计、序贯实验、析因设计、响应面设计等）和数据分析处理部分（误差分析、方差分析、回归分析、数据统计分析等）。从内容上来说，内容涉及面很广，理论性很强[1-2]。但是，该课程通常只安排32学时，很难在有限时间内系统地认识整个知识板块。基于课时和内容的双方面考虑，课堂上大多仍是以灌输式教学为主，学生也只是单方面地接受知识，而缺乏思考。而且，教材上的内容更多的是认识某一内容背后的理论知识及概念，内容相对比较抽象，对于如何在合适的场景正确地运用该理论，则缺乏直观的理解；同时，单纯的知识灌输也非常枯燥，同学们的课堂学习效果也不甚理想。

1.2 学生学习背景参差不齐，学习能力有明显差异

生源是导致不同学生之间学习能力差异的重要因素之一。高考在某种程度上也确实体现和评价了学生的能力。不同高校毕业的本科生，在进入研究生阶段，学习能力多多少少会有些不太一样。或者说，学生擅长的思维模式不太一样，能够接收的理论知识的深度也会有所差异。另一方面，很多学生和家长把考研看作是改变命运的第二次机会，所以会选择跨考热门专业（譬如电子、机械类等），尤其是从文科跨到工科或理科。这些文科学生对于抽象的、微观的，甚至有些枯燥的理论推导过程的接收通常相对缓慢。再者，有部分学生认为本科毕业不好找工作，所以想读研究生，减缓就业压力。在不能满足考研第一志愿的情况下，广撒网，只为“有学上”，导致同一年级的学生中，专业背景差异大，接受同一知识的能力也参差不齐，给老师的教学带来了很大压力。

2 课程教学改革与创新模式

2.1 更新教学内容，契合专业特点和需求

随着高等教育人才培养结构和计划的调整，新时代的高等教育人才需要与社会需求契合，加强产教融合、科教融合的体制机制的完善。而高等教育课程的安排和学习也必须有计划地与实际产业和技术需求相结合，提升学生服务社会发展的意识，增强学生服务社会的技能和智慧。传统的课程安排中大量理论教学内容让整个课程缺乏趣味性和理解性，也很难让学生自己联想到理论知识与实际应用的匹配。因此，各个学校、各个专业应根据自己的专业特点，凝练出适合自己专业需求和学科发展的实验设计与数据处理方法，有针对性地教授相关知识，让学生切实地认识到课程内容对于研究生学习的重要性[3]。

譬如环境科学与工程，导师们的研究方向虽不一样，但是总体上会涉及环保功能材料的研制、有机污染物（水或大气中）的降解去除、土壤中重金属的迁移转化、固废的资源化利用等。可根据这些研究方向所用到的实验设计和数据处理方法，结合教材的内容，提炼出能够让学生们有直观感受的课程内容。实验设计方面，可重点关注正交设计、均匀设计和响应面设计，并结合具体的案例数据，剖析实验设计方法；数据处理方面，可重点关注Excel 和Origin 软件在数据处理中的应用和技巧、误差分析、方差分析，以及具体材料表征处理软件（XRD、FT-IR、Raman、XPS 等）、污染物检测分析处理软件（HPLC、GC、HPLC/MS 等）和统计分析处理软件（SPSS 等）。经过教学内容的不断凝练和完善，学生在课程学习过程中，能更深入地认识科研课题所涉及的内容，对科学研究有前期的了解，有利于更好地开展课题。

2.2 丰富教学模式，激发学生兴趣和主动性

传统的教学模式更多的是按照教材逐一讲授。但由于教材内容的理论性特别强，还涉及很多的公式推导，所以整个过程难免枯燥，也很难将所有的知识都讲得透彻。因此，在提炼教学内容的基础上，也要充分利用信息化时代的资源，丰富教学模式[3-4]。

（1）立体展示式教学模式。充分利用多媒体、互联网资源的慕课及案例分析，强化对理论知识的讲授，以及对软件实际操作过程的系统化演示，增强学生对知识的直观认识[5]。具体地说，能够针对专业领域的某一典型研究内容，或者结合学生自身的研究方向，从整体的研究思路出发，引导学生进行具体的实验设计方法、设计参数选择和设计思维的锻炼；针对研究所用到的实验材料及实验仪器进行详细讲解，让学生直观地认识如何能够具体地实施某一方案，并对实验过程中需要注意的事项进行强调；再者，结合具体的实验数据，具体分析数据处理方法及其应用场景，详细分析数据处理的目的，以及所得结果内在的本质。总体上来说，结合具体的案例分析，将枯燥的理论课程知识融入实际，可使学生充分理解专业与课程的紧密关联程度，深入体会课程在学生的科研课题研究和工作中的应用价值，为学生的学习和工作提供坚实的技术技能储备。

（2）互动实践式教学模式。有针对性地设置一些练习，譬如说文献阅读、研究热点分享、某一关键实验设计方法或数据处理手段的应用分析，让学生具体地进行操作，针对学生的成果进行详细拆解分析，帮学生解决实际遇到的问题，加强学生的理解；引导学生参与到课程中来，授课教师可以多角度地提供一些科研课题，或者让学生结合自己即将开展的科研课题，提出简单的科学问题和所要达到的目的，让学生根据所学内容独立设计实验方案，并探讨自己研究课题即将用到的数据处理和分析方法，充分分析对整个课程的认识，从而有针对性地增强学生对知识的认识和理解；加强小组间的讨论，通过不同研究课题的学生间相互交流，使学生认识到自己看待问题的优势和局限，拓宽学生视野，加强学生对实验设计方法和数据处理手段的认识和理解。总的来说，要让学生对所理解的知识进行多方面展示，多提供PPT 汇报、翻转课堂、固定小组和随机小组讨论等机会，强化学生对知识细节和操作过程的认识。

（3）实验式教学模式。针对实验设计环节，给出一些具体的实验场景或者研究内容，并明确研究目的，让学生有针对性地对比各种实验设计方法的优缺点，并选择合适的设计方法，借助具体的软件对实验设计的具体过程进行分析，从而考查达到研究目的的可行性。针对数据处理环节，加强学生的动手能力和操作能力，譬如给定某一实验过程的数据，让学生结合研究目的对数据进行处理方法的选择，以及对处理结果进行正确的表达；同时，提高学生对数据处理软件的应用及场景选择的能力，使得学生能够基于处理结果详细地认识研究内容的本质。

2.3 创新教学评价，完善教学目的和效果

传统的教学评价主要是考试，内容还涉及公式的推导和计算。但是，目前大多数理论知识或公示都很完美地嵌套入数据分析处理软件中，只需要对原理有简单认识的基础上，学会如何操作软件，实现对数据的充分分析。因此，教学评价方式也应该转变，减少对理论知识的考察，更多地关注实践性[6-7]。如增加平时练习作业的分值，期末评价改成考查课，让学生通过PPT 汇报或者小论文的方式，谈谈自己课题中所用的实验设计方法和数据处理手段，从而有针对性地给学生提供指导。若有可能，可将讲授与指导贯穿于学生的整个研究生阶段，结合研究生自己的整个科研过程，提高课程的总体效果。

2.4 构建思政理念，突出科学素养和思维

在《实验设计与数据处理》课程教学过程中，构建思政理念，让学生们懂得实验数据处理的规范性和严谨性，从而培养学生的科研素养和思维[8-10]。①强调科学实验应该具有正确的价值取向。②引领学生了解科学实验需要遵循科学性、准确性和可重复性等。③引导学生科学合理地制订实验设计方案，并充分考虑研究的伦理性、安全性和科学规范性。④强调数据处理需要遵循科学严谨的方法，避免数据造假和误导等问题。思政教育的引入，旨在提高学生对知识本身的认识基础上，能够衍生到对于人生观、价值观建立的指导作用，从而培养适应能力强、实践能力强、学习能力强的高综合素质应用型研究生人才。

3 总结与展望

作为研究生培养计划的主干课程之一，《实验设计与数据处理》课程在以往以及今后都有很重要的地位。总体上来说，凝练规划课程体系，注重理论和实践结合，是课程改革的最主要方面；丰富教学模式和创新教学评价，是课程改革的重要环节；在课程教学中构建思政理念，是超越课程内容之上的科研素养和思维培养的关键。这些教学创新和改革的尝试将有助于培养学生的实验精神和科学素质，更好地为他们的学术和职业发展打下坚实的基础。