“实验设计与数据处理”教学设计与实践

刘红梅， 李可意， 韩永萍， 侯春娟

（北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023）

0 引 言

“学生中心、成果导向、持续改进”的成果导向教育（Out-Based Education，OBE）理念是工程教育认证的核心理念，学生的学习成果包括学校学习成果（培养目标）、专业学习成果（毕业要求）、课程学习成果（课程目标）、单元学习成果和课堂学习成果等不同层级［1-2］。成果导向的课程教学设计是中国工程教育专业认证从“形似”向“神似”转变的关键，是中国工程教育认证的“最后一公里”［3］。OBE 教学理念如果不能在课程层面落实，将会使整个OBE教学体系失去其建构基础和内在的合理性，没有进入课程层面的教育改革难以取得实质性成效［4］。OBE 教学理念只有落实在课程层面才能实现从专业人才培养目标到课程教学的上下一致贯通［2］。

“实验设计与数据处理”是理工科专业的专业基础课程，是利用现代统计学理论知识和实验设计方法解决实验过程问题的一门学科：实验方案设计、工艺参数的显著性检验、影响因素的主次分析、工艺参数优化等涉及实验方案的有效设计和实验数据的科学处理［5-7］等系列问题；化工、制药、生物、食品等相关专业课程学习、毕业环节、学生读研以及毕业后从事的研究性工作均涉及实验方案设计和实验数据处理。因此，该课程的学习成效，对学生解决复杂工程问题能力的提升、毕业要求和培养目标的达成都至关重要。本教学团队依据课程所支撑的毕业要求，结合学生学情，以学生的学习成果为导向，重新进行教学设计，引入项目式教学法，实施“工艺优化驱动教学”的教学改革，围绕课程目标的达成构建形成性考评体系，全面评估课程目标的达成［8］。

1 传统教学中存在的问题

1.1 理论教学与实践训练脱节

传统上，“实验设计与数据处理”或者是单纯的理论课，或者是以理论教学为主，实践学时占比不到20%。老师在传统课堂完成以知识原理讲授及繁杂公式推导为主要内容的理论教学，再辅以课后作业进行训练，理论与实践脱节，学生课堂参与度低［9-11］。而“实验设计与数据处理”课程涉及误差理论、概率论、数理统计、线性代数等数学知识，正交试验设计、均匀试验设计、正交回归试验设计等众多理论和方法，同时还会用到Excel、Origin、SPSS、DPS 等多种数据处理工具。因此，缺乏实践支撑的课程教学，难以取得理想的教学效果，会影响课程目标的达成。

1.2 教学案例与专业脱节

实验方案设计与数据处理结果的分析和解读需要针对具体的对象。传统教学中采用的例题或教学案例多来自教材，与学生所学专业脱节，缺少针对专业实验项目的实验设计和数据处理训练。因此，学生不了解所学课程对后续专业课程的支撑、所学内容与专业发展之间的关系，学习兴趣缺失。

“实验设计与数据处理”课程的学习成效对学生科研实践、专业综合设计性实践环节、毕业论文乃至将来的科研工作都至关重要。由于课程在教学内容、教学组织等方面存在与专业脱节的现象，学生无法将所学的知识和原理与“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”“毕业论文”等环节的具体实验项目进行有机融合。如在专业课程实验、专业综合实验等教学环节，有不少学生无法针对具体实验对象设计实验方案，只能按部就班执行老师给定的方案，设计性训练无从谈起。在毕业论文环节，虽然同学能够采用单因素实验结合正交试验优化实验方案，但仅采用简单的图表反映实验结果，缺少对实验数据的深入挖掘和分析，正交试验缺乏必要的影响因素显著性分析，缺少实验数据的模拟和实验结果的预测分析，因而所获得的实验结论的论据不足。这势必影响相关课程的教学目标达成，从而影响课程所支撑的毕业要求的达成。

2 反向教学设计

“实验设计与数据处理”的课程教学采用反向设计、正向实施和反馈［8，12-13］。教学团队依据课程所支撑的毕业要求观测点设计课程目标，围绕课程目标的达成整合教学内容和教学资源、设计教学方法、组织教学活动、收集考核数据、实施达成情况评价，并依据评价结果进行持续改进，从而形成“实施－评价－反馈－改进”的闭环。课程的教学设计思路如图1 所示。

图1 “实验设计与数据处理”课程教学设计思路

2.1 课程目标

OBE教学理念强调学生的学习成果，对课程而言就是课程目标，而课程目标取决于其所支撑的毕业要求观测点。因此，任课教师首先必须明确课程与毕业要求观测点的支撑关系，基于毕业要求观测点设计课程目标，这是开展OBE驱动的工程教育课程教学创新设计的关键。

我校制药工程专业的“实验设计与数据处理”支撑3 个毕业要求观测点，即“观测点4-3”“观测点5-3”“观测点10-2”，教学团队围绕这3 个观测点设计教学目标。“实验设计与数据处理”的课程目标及其所支撑的毕业要求观测点及课程目标定位如表1 所示。

表1 “实验设计与数据处理”课程目标及其支撑的毕业要求和观测点

2.2 基于课程目标的教学设计

“实验设计与数据处理”的教学内容较多，涉及误差分析、极差和方差分析、回归分析等数据处理的基础知识，以及正交试验设计、均匀设计、回归正交试验设计等实验设计方法等内容，知识点散而杂，公式多而繁，如果学生统计学基础不够扎实，则会感觉晦涩难懂，从而失去学习兴趣。另一方面，本课程是一门实用性较强的课程，关键在于应用知识和原理解决实际工程问题，并对实验数据处理结果进行分析和解读。

教学团队从应用出发，引入“工艺优化驱动教学”的项目式教学法。课上，将涵盖实验方案设计、实验数据处理和方案优化的“灰树花多糖提取工艺优化”科研项目引入课堂教学，以提取工艺的优化设计驱动课堂教学。课下以小组为单位，结合“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”等教学环节的实践成果，完成针对具体对象的实验方案设计和数据处理训练。在进行教学设计时，围绕课程目标重新梳理教学内容，根据内容特点采用跨课程联动、问题引导、案例教学、项目教学、实践训练、成果分享等多种教学方法开展教学。在考核评价方面，除随堂训练、课下实践外，引入实践成果的口头展示和视频解说、课程大作业、分组答辩等多种考核方式，对学生的学习成效实施形成性多元化考核评价。各课程目标的主要学习内容、教学特点、教学活动及评价方式等见表2 所示。

表2 “实验设计与数据处理”基于课程目标的教学设计

3 提取工艺优化设计，驱动课堂教学

教学团队将“灰树花多糖提取工艺优化”引入课堂教学，引导学生通过文献调研确定实验指标和实验因素，完成单因素和双因素实验的方差分析和回归分析，采用正交实验设计、均匀设计、回归正交试验设计等方法优化提取工艺，提出优化结果的验证方案。

课前，老师通过云班课提供课上实践需要用到的实验数据；课上，老师通过课堂讨论、案例分析等形式讲授方法，学生分组实践消化吸收，具体实施过程如表3 所示。

4 基于真实需求的实践训练

在实施“工艺优化驱动教学”的课下实践过程中，最大的困惑来自实验数据的获取，因为本课程不涉及具体的实验过程，无法通过具体实验获取相关实验数据，服务于课程教学。如果仅从文献获取数据或直接给学生提供数据，有点纸上谈兵，教学效果会大打折扣。而专业任课教师在指导学生进行专业课程的综合设计实验、专业综合性实验以及科研实践的过程中，发现学生的实验方案设计和数据处理的能力存在不足。

为解决这一问题，专业内部打通课程壁垒，“实验设计与数据处理”联合“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”等教学环节实现跨课程教学联动，由“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”等环节提供实验项目任务和实验平台，由“实验设计与数据处理”课程提供实验方案设计和实验数据处理指导，从而对学生进行完整的实验方案设计、实验开展、实验数据采集、实验数据统计分析、实验结果表达等实践训练，加强对学生解决复杂工程问题能力的培养，支撑毕业要求的达成。

如图2 所示，跨课程教学联动包括以下4 个阶段：

图2 跨课程教学联动设计

（1）开课前，指导教师根据课程目标确定授课方案，发布教学任务、分组要求、实验项目选题指导等，指导学生针对具体实验对象进行文献调研，确定实验指标、实验因素和实验水平，初选分析方法和实验方法。一般4 人一大组，2 人一小组。

（2）任课教师指导学生针对具体实验对象设计单因素、双因素实验方案，根据实验对象特点选择正交试验设计、均匀设计或回归正交试验设计优化实验方案。

（3）指导教师指导学生按照设计方案开展实验，采集实验数据。

（4）任课教师与指导教师从以下4个方面指导学生进行实验方案设计和数据统计分析：

①提取方法优选。有效成分的提取方法一般包括水提、醇提、超声辅助提取、微波辅助提取、双水相提取、复合酶辅助提取等。每个小组选定其中的一种方法进行单因素实验，获取实验数据；每个大组的2 个小组选用不同的提取方法，2 个小组共享数据，采用双样本等方差／异方差假设的t检验对两组实验结果进行分析，判定两种提取方法的结果是否存在显著性差异，并根据检验结果选定一种提取方法。

②单因素和双因素方差分析。通过对单因素实验和双因素实验结果进行方差分析，基于方差分析结果，对实验因素影响的显著性进行分析，为实验方案设计和优化提供数据支撑。

③实验设计和方案优化。根据实验对象、实验因素和水平数选择正交试验设计、均匀设计或回归正交试验设计，设计实验方案，安排实验，采集数据；采用多项式回归分析拟合实验数据，方差分析结合复相关系数检验回归方程的显著性，偏回归系数的t检验结合F检验判断偏回归系数的显著性、实验因素影响的主次关系，预测实验结果，规划求解优化实验方案。

④表达实验结果：采用常规图表、等高线图、响应曲面图等表达实验结果。

5 课程目标达成情况评价

5.1 课程目标达成期望值

依据北京联合大学有关学生考核合格标准、学位授予绩点要求、课程性质、学生学情、考核难度等，将课程目标的达成合格标准值设定为0.60，达成期望值设定为0.70。

5.2 课程目标达成情况评价

制药工程专业2019 级“实验设计与数据处理”课程目标达成情况为例进行说明，各课程目标以及课程总体达成结果见图3 ～4。

图3 课程目标达成情况

图3 达成结果表明所有课程目标和总体教学目标均达到预期教学目标。在这3 个教学目标中，课程目标2 的达成值较低，说明学生使用现代工具解决实际工程问题的能力还有待进一步加强。

由图4 可以看出，每个课程目标都有未达成同学。课程目标1 有3 位同学未达成，说明这些同学在综合运用知识原理设计实验方案、分析处理实验数据等方面存在短板。课程目标2 有4 位同学未达成，说明这些同学在利用现代工具获取专业信息、分析处理实验数据等能力有待加强。课程目标3 有5 位同学未达成，说明这些同学在用专业术语口头或书面阐述实验设计思路、展示设计成果等方面存在不足。

图4 课程目标达成情况分布

5.3 持续改进

为进一步改进教学，教学团队向2019 级制药工程专业的同学发放调查问卷39 份，回收问卷39 份，回收率100%，问卷调查结果如图5 所示。由调研结果可知，学生对教学过程中采取的①理论学习与操作实践并行，②跨课程教学联动，③案例教学，④课堂直播等教学方法给予了肯定，学生对理论学习和操作实践并行的这种教学模式和跨课程教学联动的认可度分别高达72.41%和70.14%。在课堂教学互动频次和实践强度设计上，部分学生认为还不够，希望有更多的实践机会，但过多的课堂互动和实践成果展示也给部分学生带来了一定的压力。

图5 学生对课程所采用教学方法的反馈结果（多选题）

结合课程目标达成情况，教学团队在继续推进理论教学和操作实践并行、跨课程教学联动、案例教学、师生互评等教学活动的同时，还将进一步优化教学设计和课堂互动策略，根据学生的实际情况，提供个性化的学习指导和实践训练，在训练学生解决复杂工程问题高阶能力的同时，兼顾基础薄弱的同学，为他们提供促进知识内化吸收的基础训练，以促进低阶知识目标和中阶应用能力目标的达成。

6 结 语

OBE教学理念在课程层面的落实，是体现以学生为中心和成果为导向的教育价值转型和模式转型的关键一环［14］。“实验设计与数据处理”教学团队基于OBE教学理念重新对课程进行整体设计，依据其所支撑的毕业要求观测点设计课程目标，围绕课程目标达成整合教学内容和教学资源、设计教学方法、组织教学活动。为加强学生针对具体制药问题设计实验方案、处理实验数据的能力培养，引入“工艺优化驱动教学”的项目式教学法。与“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”等教学环节实现跨课程联动，由“专业课程实验”“专业综合实验”“科研实践”等环节提供实验设计和数据处理的任务需求以及相关实验数据，“实验设计与数据处理”课程的课下分组实践完成“专业综合实验”“科研实践”等环节的实验方案设计与实验数据处理。通过课上“工艺优化驱动教学”、课下“跨课程教学联动”进行的针对具体对象的“实验方案设计和数据处理”实践训练，学生对文献查阅、单因素实验、双因素实验、工艺优化实验设计方法及实验数据处理过程和结果表达等有了系统全面的训练，这对学生毕业论文的顺利开展以及未来的研究工作都有极大的裨益，也有利于培养学生的实践创新能力。