《试验设计与数据处理》的实践教学改革
王延敏[1]，韩永芹，张如良
王延敏，山东科技大学，电话：0532-86057921，山东省青岛市黄岛区前湾港路579号山东科技大学材料科学与工程学院，266590，电子邮箱：yanmin_wjk@sina.com
摘要：《试验设计与数据处理》是学习如何处理合理设计试验和正确处理数据的一门实用的课程。为了提高学生的实践能力，专门对《试验设计与数据处理》的实践教学方面进行了探索性的改革，主要包括构建互动式教学平台、研究型论文的学习、专业问题的探究、加强上机试验操作以及试卷的综合性题目等。通过实践教学改革，让学生更迅速掌握常用的试验设计和数据处理的方法去解决专业问题，了解和熟练运用先进的计算机软件更高效科学地进行试验设计和数据处理。
关键词：试验设计与数据处理；实践教学改革
The Practical
Teaching Reform of Experemental Design and Data Processing
Yanmin Wang,
Yongqin Han, Ruliang Zhang
College of Materials Science and
Engineering, Shandong University of Science and
Technology, 579 Qianwangang Road,
Huangdao District, Qingdao 266590, Shandong
Province, P. R. China
E-mail: yanmin_w@163.com
Tel: (+) 0532-86057921
Abstract: "Experemental Design and
Data Processing" is a practical course to learn how to handle reasonably
designing experiments and correctly processing data. In order to improve the
students’ practical skills, the exploratory reforms in the practical teaching
of Experimental Design and Data Processing have been carried out. They mainly
include the construction of interactive teaching platforms, study of research
papers, probe into professional issues, strengthening the operation of computer
software and comprehensive questions of the test paper. Through practical teaching
reforms, students can quickly master commonly used experimental design and data
processing methods to solve professional problems, and learn and proficiently
use advanced computer software to perform experimental design and data
processing more efficiently and scientifically.
Keywords: Experemental Design and Data
Processing; practical teaching reform
无论是科学研究还是生产实践，通过科学的试验设计可以用较少的试验次数，在较短的时间范围内达到预期的试验目标，对试验产生的大量数据进行合理的分析和处理，可以获得研究对象的变化规律，达到指导科研和生产的目的。《试验设计与数据处理》就是学习如何进行试验设计和数据处理的一门实用的课程[1]。学生学习并熟练掌握这门课程的内容，对之后进行的毕业设计、毕业论文以及今后的工作无疑都是大有裨益的。我校高分子材料与工程专业开设了《试验设计与数据处理》这门选修课程，它是一门理论和实践结合紧密、实用性很强的工具课、方法课和试验技能课。
该门课程教学内容主要包括三个方面：（1）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；（2）数据处理部分主要是让学生学会对试验结果采用合理、有效的分析方法，从而发掘出潜在的、有用的信息；（3）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、正交设计助手的使用和SPSS的应用等。如何让学生在较少的课时量内让学生牢固快速掌握多种数据分析方法，熟练运用各种试验设计方法去独立设计试验，以及借助先进的计算机软件进行数据处理和试验设计？这是丞待解决的关键教学问题。本人针对此专门对《试验设计与数据处理》的实践教学方面进行了探索性的改革，主要包括构建互动式教学平台、研究型论文学习、专业问题的探究、加强上机试验操作以及试卷的综合性题目等。
一、构建互动式教学平台
互动式教学平台可以通过形象直观、互动演示的全新教学模式, 有助于学生对试验设计及统计学基本理论的理解, 并熟练掌握试验设计常用方法及计算机软件统计分析功能的实际操作使用技能。该教学平台包括一个由
Power Point 制作的 ppt 主文件和若干链接子文件。ppt 主文件的各演示页包括课堂教学内容的文本和图表；而
链 接 子 文 件 包 括 viewletcam 制作的视频文件。该互动式教学平台的特色之处在于:1.通过动画演示, 并结合文本和图表,
使学生能对试验统计中一些抽象的概念和原理有直观的感受和理解, 激发他们的学习热情。2.通过视频演示软件的使用操作, 在播放视频的同时向学生形象直观地讲解各种统计参数的计算和不同统计方法的区别与使用, 避免在教学中由于教师忙于亲自操作演示而疏于讲解及强调实际使用中可能出现的误操作。制作的视频有暂停的功能, 学生可以在观看时随时提出问题, 与教师交流, 很好的实现教学互动[2]。
二、研究型论文的学习
针对高分子材料与工程专业的学生，精心挑选并下载中英文学术网站上的经典期刊文章和优秀的本硕论文，结合课本张杰的具体内容，将对应的研究型论文讲解给学生，从试验设计到数据处理，系统地分析每个步骤所用的方法以及具体的研究思路，使得学生分析和解决科学问题时有初步的认识和思路，并且加深对课本知识的理解和运用。如在讲授
“均匀设计” 这一章时， 讲解均匀设计的基本内容之后，可以增加部分研究型论文，如 2015 年第 2 期 《化工进展》 论文 “均匀设计法研究聚四氢呋喃的阳离子开环聚合制备工艺”、 2008 年第 5 期 《现代涂料与涂装》 论文 “聚醋酸乙烯酯醇解反应影响因素的均匀设计研究” 等。通过研究型论文的学习，拓展了学生的知识面，将所学知识和专业知识形成有机的结合。
三、专业问题的探究
在学习试验设计方法之后，给学生出高分子材料与工程专业试验问题，让学生试着用学过的方法对进行试验设计。单因素优选法主要包括均分法、分数法、黄金分割法和均分分批试验法等。学习单因素优选法这一章的时候，选取了“通过悬浮聚合法制取分子量在100万～ 150万范围的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)”的专业试验，研究温度、引发剂浓度、反应时间对聚合物分子量的影响情况。在给定试验条件最佳点的基础上，让学生采用分组讨论的方式分别用这几种方法针对不同的反应条件进行试验设计。讨论式的教学方式可以让学生积极思考，在各抒己见的激烈讨论中碰撞出的“火花”会给学生带来更多的灵感，讨论之后得出集思广益的最佳答案，同时可以调动学生学习的积极性，提高团结协作能力和用书本知识解决实际问题的实践能力。
四、加强上机实践操作
（1）与时俱进引入新颖软件
除了常用到的Excel软件，目前统计数据时用到的较新颖的软件有SPSS、Origin、Mat-lab、Design-expert等。其中，和Excel相比，SPSS操作简单，通用性强，易于学习和掌握，结果中图表清晰，参数明了齐全，目前是非统计专业人员应用最多的统计软件[3]。在课程教学中采用其进行试验数据的方差分析和回归分析等数据处理，能很好完成教学中的数据处理任务。另外，“正交试验设计助手”是针对正交试验设计和数据处理开发的一款软件，软件中不仅有大多数常见的等水平正交表，专业版还提供了编辑混合表的功能。通过直观分析结果可以直接得到因素的主次关系和最优化水平，而通过方差分析可以直接判断出各因素对试验结果影响的显著性。学生使用这些软件可以使很多复杂的试验设计和数据处理变得简便易操作，可以省时省力的解决问题，掌握利用现代计算机技术解决问题的方法，对教学起到了很好的推动作用。
（2）安排可操作性强的上机实习
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。本课程涉及到的试验数据的方差分析、回归分析等统计分析以及正交试验设计等试验设计方法，学生在掌握基本概念和基本理论的基础上，尚需学会使用相关软件的应用，所以上机实习环节显得尤为重要。安排教学任务时，有针对性地安排可操作性强的上机实习，来专门学习和熟练刚学过的与教学内容相关的计算机软件操作，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。
原来上机试验平台的教学能力差，学生上机试验基本上是按照课本的例题进行计算机学习，缺乏案例试验设计的平台，对实践能力、解决问题的能力及创新能力等方面的培养缺乏行之有效的方法。通过加强上机实践操作培养学生的解决实际问题的能力。根据专业特点以最新文献为依据设计有一定挑战性的上机实践作业，在规定的时间内让学生完成，所得分数以一定比例计入总成绩，可以督促学生积极学习软件操作。
五、试卷的综合性题目
期末考试试卷以综合性题目为主。试验设计部分的考察以“通过环加成反应合成聚丙二醇二缩水甘油醚型环状碳酸酯( 5CC-PPGDGE)”为主题，考虑催化剂 D296 用量、反应时间、反应温度、反应压力以及催化剂的活化时间等5个因素对 PPGDGE 转化率的影响，在给定各因素试验范围的情况下，让学生分别用正交试验设计法、均匀设计法和回归正交试验设计方法设计试验，并明确试验方案。通过解答这个综合性题目，学生应该能掌握对同一个试验用不同的方法进行试验设计，开阔思路的同时为下一步的毕业设计打下坚实的基础。数据处理部分重点考察了正交试验设计的多指标直观分析和一次回归分析，分别选取了“提取金银花药材中的绿原酸和木犀草苷的转化率”和“建立溶聚丁苯橡胶( SSBR) 基复合材料的阿克隆磨耗量与100% 定伸应力的函数关系”两个主题综合性题目，提高了学生解决实际问题的能力，让他们更好地掌握两种数据处理方法的规范步骤。
综上所述，通过实践教学改革《试验设计与数据处理》这门实用性较强的课程，让学生增加了学习的兴趣和积极性，更迅速掌握常用的试验设计和数据处理的方法去解决专业问题，了解和熟练运用先进的计算机软件更高效科学地进行试验设计和数据处理，从而为今后的科研或工作提供了实用的方法和开阔的思维空间。
参考文献
[1]张素斌，刘燕芳. 《试验设计与数据处理》课程的教学探讨，广东化工，2014（4）：120.
[2]程江峰.“试验设计与数据处理”互动式教学平台构建[J].科技信息，2007（34）:48.
[3]李国春. SPSS 统计软件简介［J］．循证医学，2003（4）: 249-251．
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