化學(xué)工藝專業(yè)《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)改革探索

＊王靜靜 徐冬梅

（山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 山東 266590）

引言

化學(xué)化工及其相關(guān)專業(yè)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和觀測獲得研究對象的變化規(guī)律[1-2]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是化學(xué)工藝專業(yè)的一門核心專業(yè)課，是利用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)理論知識解決實(shí)驗(yàn)過程問題，使實(shí)驗(yàn)過程更加有效的學(xué)科。如實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、參數(shù)顯著性檢測、產(chǎn)品性能顯著性評價(jià)、產(chǎn)品性能的優(yōu)化等均涉及到對實(shí)驗(yàn)的有效設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理高效處理[3-5]。此外，日常生活中也有很多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，如如何尋找最近的路線，如何確定植物生長所需的合適水量和光照量，如何設(shè)置商品的售價(jià)以獲得更高的收益，如何調(diào)控烘焙時(shí)間和溫度以獲取口感更好的甜點(diǎn)等。由于課程中涉及到的統(tǒng)計(jì)學(xué)概念較為抽象，晦澀難懂，學(xué)生通常感覺枯燥，學(xué)習(xí)興趣不大[6-8]。同時(shí)經(jīng)典教材的理論深度很大，但是實(shí)際應(yīng)用的案例并不豐富，存在理論與實(shí)際聯(lián)系并不緊密的問題，學(xué)生又容易對其實(shí)用性產(chǎn)生質(zhì)疑。經(jīng)過多年的留學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理教學(xué)工作，同時(shí)結(jié)合化學(xué)工藝來華留學(xué)生的實(shí)際情況和需求，在教學(xué)過程中不斷地進(jìn)行調(diào)整，總結(jié)出如下的教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐證明，這些教學(xué)方法能有效提高學(xué)生的興趣，幫助學(xué)生掌握更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，為將來應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.案例法教學(xué)法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物，應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的多個方面，主講人以專業(yè)實(shí)驗(yàn)和生活中的實(shí)驗(yàn)作為切入點(diǎn)，易于學(xué)生對于抽象概念的理解，幫助同學(xué)們理解課程涉及到的復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論。教學(xué)中注重從形象思維到抽象思維、循循善誘的教學(xué)方法，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的抽象思維能力和運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決工程中遇到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理問題的能力。

首先，在教材選擇上，基于理論深度和理論聯(lián)系實(shí)際兼顧的原則，選擇兩本教材進(jìn)行課程的講解。首先選擇案例較多的教材[9]作為主教材（該教材的設(shè)計(jì)模式非常實(shí)用，每章節(jié)都是從實(shí)例開始，講解一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或者數(shù)據(jù)處理的方法，然后拓展其應(yīng)用，同時(shí)配有課后習(xí)題供學(xué)生練習(xí)），同時(shí)結(jié)合經(jīng)典教材[10]對部分理論知識內(nèi)容進(jìn)行解釋（該教材是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)典教材，理論深度高，與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論結(jié)合密切），輔助深入理解相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論。在內(nèi)容安排上，遵循從易到難，循序漸進(jìn)的方式，并及時(shí)進(jìn)行階段性總結(jié)。例如，在講授析因分析這一章節(jié)時(shí)，先以生活中常見的爆米花的實(shí)驗(yàn)作為例子，設(shè)計(jì)因素為2的析因?qū)嶒?yàn)，通過簡單的數(shù)據(jù)結(jié)果對析因設(shè)計(jì)進(jìn)行講解，同時(shí)將析因設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)中常用的單因素實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對比，說明僅增加少量實(shí)驗(yàn)，就可以獲得更多的信息。并且可以對未來的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇進(jìn)行預(yù)測。學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和思路后，再引入化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)案例，這樣的教學(xué)安排，使學(xué)生有一種“循序漸進(jìn)”的感覺，便于輕松掌握課堂知識點(diǎn)。

課程涉及到晦澀難懂的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，通過互動，簡化原理的推導(dǎo)過程，著重于講解和討論統(tǒng)計(jì)學(xué)原理如何應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)例中，并有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)際問題。舉例說明：在統(tǒng)計(jì)學(xué)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的有效性檢驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中，提出用樣本均值直接代表總體均值是不合理的，容易造成巨大的誤差。在此過程中，結(jié)合學(xué)生身邊的例子進(jìn)行解釋，假設(shè)9個學(xué)生正在飯店吃飯，此時(shí)一個千萬富翁來飯店參觀，如果此時(shí)選擇餐廳里所有人作為樣本進(jìn)行收入統(tǒng)計(jì)，就會發(fā)現(xiàn)，樣本的均值（人均月收入）由原本的0元，而變?yōu)榱税偃f。由于這種異常值的存在，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)用樣本均值直接代表總體均值是一件非?；闹嚨氖虑椋瑥亩钊肜斫庥行詸z驗(yàn)的必要性?；瘜W(xué)工藝專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供了大量的案例。結(jié)合學(xué)生正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Excel，Origin，Design Expert等軟件對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理，能夠增強(qiáng)學(xué)生對本課程的掌握程度。

教學(xué)中結(jié)合典型的化工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例、科研成果，穿插講解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理在不同學(xué)科前沿領(lǐng)域的應(yīng)用，重視對學(xué)生專業(yè)興趣的培養(yǎng)和引導(dǎo)，一旦學(xué)生對專業(yè)方向產(chǎn)生了濃厚的興趣，就會大大調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，發(fā)揮出他們的潛能。例如響應(yīng)面法求取最優(yōu)解章節(jié)學(xué)習(xí)中，就引入了期刊中發(fā)表的最新文獻(xiàn)成果，與學(xué)生進(jìn)行探討。海洋溢油是今年來頻發(fā)的海洋污染事件，作為海濱城市的青島，學(xué)生們經(jīng)常去海邊活動，對這種案例很親切，從而消除了高端研究帶來的距離感。文獻(xiàn)首先根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，篩選出了可能影響海洋溢油水體處理的幾個因素，然后利用部分析因設(shè)計(jì)對這些因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)方法對含油水體進(jìn)行處理，對結(jié)果進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，即可篩選出顯著性更高的因素。利用這些因素進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得顯著性因素的最有水平，指導(dǎo)含油污水的處理。列舉文獻(xiàn)中關(guān)于海洋溢油的研究成果，既能結(jié)合學(xué)生學(xué)過的環(huán)境保護(hù)方面的知識，又能充分說明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的有效性。同時(shí)在課程完成時(shí)給學(xué)生布置相關(guān)思考題，讓學(xué)生去查找文獻(xiàn)中相似的資料，后續(xù)課程中以書面報(bào)告的形式上交，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中就會主動尋找答案和提出問題。

通過案例教學(xué)，一方面，教師積極引導(dǎo)學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生提出類似的生活案例；另一方面，對綜合性的案例引導(dǎo)學(xué)生利用教材、文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資源等資料，進(jìn)行分析討論、總結(jié)，并撰寫報(bào)告，開展課堂討論。通過教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動式交流，將傳統(tǒng)教學(xué)模式下的學(xué)生被動學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的理解和掌握。

2.互動式教學(xué)法

留學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理教學(xué)與國內(nèi)本科生情況有所不同[11]。首先，留學(xué)生人數(shù)普遍不多，一般為十人左右，是典型的的小班教學(xué)，而小班教學(xué)為采取互動式教學(xué)提供了便利條件。同時(shí)根據(jù)前面的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，由于語言習(xí)慣問題、思維模式的區(qū)別，傳統(tǒng)的Lecture-BasedLearning（LBL）教學(xué)法[12-13]很難引起學(xué)生的興趣，也就造成學(xué)習(xí)效果欠佳的結(jié)果?；谌缟显?，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理教學(xué)中采用互動式教學(xué)方法，每節(jié)課都通過一個生活中常見的實(shí)驗(yàn)實(shí)例開始，鼓勵學(xué)生發(fā)散思維，對實(shí)驗(yàn)實(shí)例發(fā)表自己的看法。教學(xué)過程中以學(xué)生為課堂主體，強(qiáng)化學(xué)生參與意識，采取提出問題法導(dǎo)入課程，讓學(xué)生帶著問題、帶著興趣進(jìn)入學(xué)習(xí)，適當(dāng)設(shè)置疑問并引導(dǎo)學(xué)生在課程講授過程中來找尋問題的答案。例如講授為什么需要采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，首先跟學(xué)生交流最近都做了什么實(shí)驗(yàn)，并采用大家都熟悉的實(shí)驗(yàn)展開討論：比如我們開車時(shí)，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使油耗降到最低；工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品如何將次品率降到最低；新上市的藥物如何能夠無偏差的進(jìn)行藥效對比實(shí)驗(yàn)；如何考察因素之間的交互作用對實(shí)驗(yàn)效果的影響等。這種教學(xué)方案的設(shè)計(jì)形象生動，易于學(xué)生對于抽象概念的理解，還有利于學(xué)生工程理念的培養(yǎng)[14-15]。

與國內(nèi)大學(xué)生相比，留學(xué)生很難維持相對較長的有效聽課時(shí)間而不走神，但是他們非常樂意分享自己的觀點(diǎn)，同時(shí)可適當(dāng)引導(dǎo)他們小組討論、一對一幫扶等方式。一方面充分調(diào)動了課堂氣氛，基礎(chǔ)好的學(xué)生通過分享和幫助基礎(chǔ)相對薄弱的同學(xué)，對知識理解更為深入，而基礎(chǔ)較為薄弱的同學(xué)也能達(dá)到基本掌握課堂教學(xué)內(nèi)容。在互動式教學(xué)過程中，教師提出的問題應(yīng)緊扣教學(xué)大綱，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇，所選案例具有典型性、代表性、綜合性和啟發(fā)性，遵循目標(biāo)明確、有趣、由淺入深的原則[16-17]。

另一種互動方式學(xué)生匯報(bào)環(huán)節(jié)的設(shè)置。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的緒論部分，可以分為兩大部分進(jìn)行課程的講解，分別為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法部分和數(shù)據(jù)處理與最優(yōu)化部分。在完成幾種常用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生們自選案例，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行分析，以課件的形式呈現(xiàn)出來。在學(xué)生匯報(bào)環(huán)節(jié)，師生互換位置，學(xué)生是整個課堂的主導(dǎo)，可進(jìn)行講解，也可進(jìn)行課堂互動。匯報(bào)式教學(xué)方法的實(shí)施，成功實(shí)現(xiàn)了以講促學(xué)，以學(xué)促講的良性循環(huán)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、參與課堂討論的興趣明顯高漲。

匯報(bào)部分也加入了最后成績的考核中，占約10%的比例，增加這種考核的目的是提升留學(xué)生對知識實(shí)際掌握以及靈活應(yīng)用的能力，而不是簡單的知識記憶。同時(shí)，留學(xué)生通過參與匯報(bào)過程，獲得更多解決實(shí)際問題的思路與方法。經(jīng)過幾年的學(xué)生匯報(bào)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對課程的理解程度明顯加深，理論結(jié)合實(shí)際的能力也大大提高。

3.思政滲透教學(xué)法

我國歷來重視來華留學(xué)生教育，留學(xué)生教育是衡量一個國家國際化、教育水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。近年來，來華留學(xué)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，我國已是亞洲最大留學(xué)目的國。由于教學(xué)背景，思想觀念的巨大差異，留學(xué)生教育中，思政教育也具有更加重要的意義，同時(shí)也符合現(xiàn)代高等教育的導(dǎo)向要求[18]。在課程涉及的實(shí)例分析中，加入中國的法律法規(guī)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及中國的教育政策的部分內(nèi)容。另外增加中國科學(xué)家的故事，傳達(dá)中國科研工作者的科研精神。如在講解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理發(fā)展歷史部分內(nèi)容時(shí)，講解中國科學(xué)家華羅庚提出的統(tǒng)籌法，該方法就是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識，解決實(shí)際生產(chǎn)生活中的問題，真正提高效率，極大促進(jìn)了當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力的進(jìn)步。通過該案例的講解，傳達(dá)謀定而思動的思想和理念。同時(shí)，科學(xué)家華羅庚的數(shù)學(xué)人生也極富戲劇性，早年便因出色的數(shù)學(xué)才能被聘到清華大學(xué)執(zhí)教，自學(xué)英語、法語、德語等語言，赴國外進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。1937年，抗戰(zhàn)爆發(fā)，正在劍橋大學(xué)攻讀學(xué)位的華羅庚立即決定放棄學(xué)業(yè)，盡快回國，支持祖國的建設(shè)。他對祖國的這種信仰，對科學(xué)的積極探索精神，以及科學(xué)與生產(chǎn)結(jié)合的能力都值得學(xué)生的學(xué)習(xí)。

注重科學(xué)觀和思維方式的培養(yǎng)[19]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程是統(tǒng)計(jì)學(xué)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的應(yīng)用，根據(jù)課本上每個章節(jié)的知識體系，總結(jié)出一般的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。即首先分析實(shí)際的實(shí)驗(yàn)問題，選擇合適的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，然后隨機(jī)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)果分析（如利用有效性檢驗(yàn)的方法，根據(jù)樣品的參數(shù)對整體參數(shù)做出合理的預(yù)測）。結(jié)果解析將為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)指明方向。這種科學(xué)的思維方式的提煉滲透在課程講解的每個階段，不斷地對學(xué)生的思維方式進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而使課程不只停留在知識層面，而是深入到思維方式和科學(xué)觀培養(yǎng)的層面[20-21]。

4.總結(jié)

綜上所述，留學(xué)生專業(yè)課程教學(xué)中，通過案例教學(xué)法和互動式教學(xué)法相結(jié)合的教學(xué)方式和手段，能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維得到激發(fā)，為今后其它專業(yè)課程如專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)將思政元素融入課堂教學(xué)過程中，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和價(jià)值觀，獲得了來華留學(xué)生的一致認(rèn)可。學(xué)生后續(xù)無論選擇繼續(xù)在中國深造，或者選擇回國做貢獻(xiàn)，都實(shí)現(xiàn)了一帶一路留學(xué)生培養(yǎng)中提到的“知華、友華、愛華”的目標(biāo)，具有一定的推廣價(jià)值。