《试验设计与数据处理》线上线下混合式教学课程建设探析
高晓艳，杜卫刚，周素芹，张强华
淮阴工学院 化学工程学院 江苏淮安 223003
摘要
试验设计与数据处理是化工专业的必修课程，然而传统的课堂讲授已不能满足学生多层次的需要。利用网络课程资源和教学平台开展线上线下混合式课程建设，将进一步完善本课程的结构体系，使得本课程的知识传授、学生互动和实践能力培养有机融合，提高人才培养质量。本文从课程设计、内容整合、案例教学等方面介绍了试验设计与数据处理的线上线下课程建设方案，为课程的教学改革提供参考。
关键词
试验设计与数据处理、线上线下混合教学、教学改革、课程建设
The construction of online and offline mixed teaching course of experimental design and data processing
Gao Xiaoyan, Du Weigang, Zhou Suqin, Zhang Qianghua
Huaiyin Institute of Technology, School of Chemical Engineering, Huai’an Jiangsu, 223003
Abstract
Experimental design and data processing is compulsory course for chemical engineering. However, the traditional classroom teaching cannot meet the needs of students at multiple levels. Using online course resources and teaching platform to carry out the construction of online and offline hybrid courses will further improve the structural system of the course, organically integrate the knowledge transfer, student interaction and practical ability training of the course, and improve the quality of talent training. This paper introduces the online and offline course construction scheme of experimental design and data processing from the aspects of course design, content integration and case teaching, so as to provide reference for the teaching reform of the course.
Keywords
Experimental design and data processing, online and offline mixed teaching course, teaching reform, Curriculum construction
《试验设计与数据处理》课程是化学化工类专业的必修课程，是以高等数学、概率论与数理统计、化学专业课程实验等课程为基础，培养学生创新能力和实践能力的重要基础课程[1, 2]。通过本课程的学习，使同学掌握化学化工试验的设计方法，深刻理解试验数据处理与分析的概念、原理和方法，从而进一步培养学生的科学思维、独立设计试验及处理和分析对试验结果的实践能力，为进一步在专业课学习和实际工作中正确设计相关试验和结果处理奠定坚实的理论基础。本课程教学目标为：一、能根据化学化工领域复杂实验和工程问题设计切实可行的试验方案；二、掌握处理与分析试验数据的能力，并给出合理有效的解释与结论。随着科技的飞速发展，特别是化学化工实验学科的快速进步， “以知识传授和教师为中心”传统课堂教学模式已无法适应新时代创新型人才培养的需要，因为学生对试验设计和数据统计与分析知识的需求是多方面和多层次的 [3, 4]。
教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中明确要着力打造一大批“两性一度”（即高阶性、创新性和挑战度）的全方位综合课程，其中包括“线上线下混合式”的“互联网+教育” [5, 6]。受到突如其来的新型冠状病毒疫情影响，为响应国家“停课不停教、停课不停学”的号召，教研组加快了网络课程建设，依托网络教学资源和学习通平台开展了该课程在线教学和线上线下混合教学模式取得了满意的教学效果。本文将从课程设计、教学内容、教学手段和学生互动等方面介绍该课程线上线下混合教学模式。
1. 课程设计
针对化工类专业学生参与科研项目、升学和就业的需要，对课程的目标、内容和评价方式等对混合式课程进行整体设计 [7]。教学目标上，第一，要求学生掌握试验设计的基本理念与方法，数据处理的基本方法等基础知识；第二，要求学生具备利用专业软件Excel、Origin等正确处理试验数据的能力，并能够利用软件对试验数据进行误差分析、方差分析和回归分析，具备对试验进行正交设计的能力，使得学生在今后的科研和工作中具备熟练的数据分析处理能力和试验设计能力；第三，要求学生养成严谨的科学思维习惯和学习技能。在教学内容上，将课程内容分为三个部分，即基本知识部分（包括试验设计基本知识、数据处理基本方法）、试验设计方法（正交试验设计、均匀试验设计、稳健试验设计、完全随机设计等）和数据分析处理案例（数据处理方法、图像绘制、预测性分析）。在教学评价上，结合平时案例训练和期末考试综合评价标准评价学生最终成绩。
2. 拓展教学内容，合理分配线上线下课时
首先，在教学资源设计与整合方面，注重教学内容与艺术形式相结合，教学课件制作上文字既要简洁又要突出重点，并结合动画、短视频等手段对内容进行形象化展示，加深学生对知识的理解；其次，应用多种教学模式如“MOOC”、“SPOC”和“超星学习通”等智慧学习平台，提升师生互动积极性；同时，鼓励并督促学生自己对所学公式复习、总结和归纳,提高学生学习的主动性 [8]。将课程中繁琐的概念、公式，细化为可以各个简单的知识点，比如在试验数据的回归分析一章的学习中，按照难易递进程度将内容分为回归的基本原理、回归分析的一般步骤及应用实例、回归效果的检验及应用实例、多元线性回归分析及应用、非线性回归分析的表示等若干细小知识点，教师提前录制微课视频并上传至相应平台[9]。教师定期发布学习要求和作业，定期进行教师答疑活动；设置学生自评、互评等环节。此外，在平台上设置交流区，由同学们在老师答疑的空档期随时组织学生进行网上的学习交流。
由于《试验设计与数据处理》课程内容枯燥繁杂、概念繁多、计算复杂耗时，仅靠课堂讲授和实践很难较好的完成课程教学任务，并且不受时空限制，使学生能循序渐进开展系统性的学习 [10, 11]。因此，采取线上教学过程可以很好地补充线下实践教学活动，学生可以多次反复预习和复习所学内容，更好地理解试验设计原理和数据处理细节与方法，保证良好的教学效果。结合以往的教学经验，分配线上线下混合教学课时如下：绪论（线上1学时）；第一章 试验数据的误差分析（线上2+线下1）；第二章 试验数据的表图表示法（线上3+线下2）；第三章 试验的方差分析（线上2+线下1）；第四章 试验数据的回归分析（线上3+线下2）；第五章优选法（线上3+线下2）；第六章 正交试验设计（线上3+线下2）；第七章 回归正交试验设计（线上3+线下2）。
混合式课程建设以大纲为准绳，将课程内容化繁为简，核心知识点分别录制视频。以正交试验设计一章为例，录制视频可以分为3 部分，即正交设计的基本步骤（1 学时）、 单指标正交试验设计及其结果的直观分析（1 学时）和正交试验设计结果的方差分析法（1 学时）；另外，针对每次课程内容制定学习目标、学习任务单及拓展知识，确保有效学习。在课堂组织实施方面，结合教学网络平台（PC 端）、超星学习通（App移动端）和QQ群等平台多方位互动，例如“签到”“提问”“抢答”“分组讨论”“问卷调查”等，这样可以针对学生出勤、课堂参与度等情况有充分的了解，保证在线学习时间和效果，并及时调整教学进度。此外，课后利用PC 端和App移动端布置“作业”和“测验”，进一步强调和巩固重要知识点。最后，利用课程微信群或者学习通私信与学生保持联系，随时在线解答学生学习中的问题和难点[5-6]。
3. 以案例为基础的混合教学模式
《试验设计与数据处理》课程具有应用范围广、可操作性强等特点。近年来的教学经验发现, 将课堂上复杂的理论知识通过课后具体操作或分析案例可以使学生更好地消化吸收。在开发线上教学资源时，教师可制作一些具体案例分析的微视频，在案例的选择上应该遵循循序渐进从易到难的原则 [12]。如选择一篇目前化学研究中普遍采用的正交试验设计的论文作为案例，从课题的选题、文献调研与查阅、因素的收集、设计试验、试验数据处理、试验结果分析等方面展开分析，全方位解读案例中是如何确定试验关键因素，如何利用正交试验确定试验的因素和水平数，进而获得最优的因素水平组合。案例讲解后，及时布置相应作业使学生对本专业试验进行多因素正交设计，敦促学生及时完成以保证学习效果。通过这种方式，学生能够较好的掌握如何将所学知识进行综合应用，在进行科研项目训练、毕业论文的试验设计和撰写论文时，都能较好的完成。
在讲解计算机绘图软件在图表绘制中的应用部分时，虽然学生已学习过计算机基础知识，对办公软件也有涉猎，但大部分同学没有系统的学习和应用相应软件对专业数据进行处理和分析。因此，在讲授该部分内容时，结合学生平时的专业试验数据，通过案例形式介绍目前在科技论文绘图中最为常用的软件Excel和Origin。通过具体实例演示软件在数据处理和图形绘制方面的功能，如柱状图、条形图、折线图、饼状图、散点图、面积图、圆环图和雷达图等。通过案例讲解以便学生通过自学或者同学间的相互交流等渠道快速掌握软件的使用；在线下教学案例增加难度，采取互动模式，做到知识点的灵活运用。如线上录制了绘图方法、数据处理的案例，线下可以使用多列试验数据为基础，引导学生从最简单的X-Y图形绘制，到双Y轴复式线图的绘制，如化工专业试验中的离心泵性能测试数据的记录和处理，将qV-He和qV-η两条曲线绘制在一个坐标图中 [8]。另外，进行多次试验所得数据，可进行误差分析，并在绘制图形中标出误差线等。
针对试验设计的线下案例的难度也有相应提高，例如学生在进行催化剂性能表征的试验设计时。首先设计空白对照试验（即不加催化剂），才能得到正确的处理数；然后还需要了解催化性能的表征是化学转化率等指标，有了这些才能设计和开展试验，进而对数据整理并分析。为了更好地发挥课程作用，适应社会、科技的快速发展和人才培养的需要，同时注重学生的思维能力和动手技能培养为主要目的，改革教学模式，采取线上线下混合式教学。在课程讲授中增加并结合专业试验、教师科研课题、学生科研项目中的大量实例，使学生对方法的学习更加直观。课后作业让学生独立或小组完成试验案例设计与数据处理和分析，让学生在实际操作中更深地理解所学的方法和技能。
5 结语
《试验设计与数据处理》课程作为化工专业基础课，是物理化学、化工原理、化工设计和化工工艺学等课程学习的基础。该课程知识零散、实践性强等特点，这就需要学生对学习具有较强的主动性，基于案例教学的线上线下混合式教学模式下，通过网络平台和线上丰富资源进行自主学习，随时可通过QQ群进行沟通交流，在线互动平台课堂灵活多变，或抢答活跃课堂气氛，或必答巩固重要知识点、又或者提出开放性的问题引导学生更进一步的思考，提高了学生学习的积极主动性，也为在线教学提供了必要的师生互动。而且在整个教学过程中，所有的教学数据都会实时记录，并从不同方面统计学生在线学习及参与课堂互动的情况，帮助教师更好地进行教学评估和管理。随着教学实践的不断尝试和教学经验的累积，基于各类在线平台开展的混合课程教学必将更好地完善试验设计与统计分析的结构体系，成为一种行之有效的教学模式。
参考文献：
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项目：江苏省教改课题（“理-实一体化”启发式化工虚拟仿真案例教学体系构建与实践研究,2019JSJG245; “互联网+”下专业核心课程智慧课堂的探索,2017JSJG230）； 淮阴工学院2019年校教改课题重点项目（虚-实结合项目化化工专业实践教学体系改革研究与实践,JGKTZD004）； 江苏高校品牌专业建设工程二期项目（二批）。
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