試驗(yàn)設(shè)計(jì)是工科院校學(xué)生必須掌握的基本實(shí)驗(yàn)技能。立足于課堂教學(xué)的基本模式，著重闡述了如何結(jié)合專(zhuān)業(yè)實(shí)例，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)各階段的課堂教學(xué)效果。強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中突出專(zhuān)業(yè)特色，加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)實(shí)例教學(xué)效果試驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富，涉及自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，而具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法種類(lèi)很多。如單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)、多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)、拉丁方設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等；數(shù)據(jù)的分析處理有直觀分析、方差分析、回歸分析，等等。因此，在課堂教學(xué)內(nèi)容組織和知識(shí)側(cè)重點(diǎn)的處理上，應(yīng)結(jié)合各專(zhuān)業(yè)特色、突出重點(diǎn)，進(jìn)而提高課堂教學(xué)效果。

一、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)基礎(chǔ)的教學(xué)方式

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面講授：

首先，是基本概念，如總體、個(gè)體、樣本、統(tǒng)計(jì)量、參數(shù)估計(jì)、抽樣檢驗(yàn)等。

其次，是統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的基本思路和方法，如原假設(shè)、顯著水平、小概率事件等。

再次，是總體均值檢驗(yàn)和方差檢驗(yàn)。如U檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)等，其中T檢驗(yàn)F檢驗(yàn)是課程的重點(diǎn)。講授T檢驗(yàn)時(shí)，筆者選用的實(shí)例是“某礦井選煤廠(chǎng)原煤按礦車(chē)計(jì)量，礦車(chē)的標(biāo)稱(chēng)容量為1噸，抽查了10個(gè)礦車(chē)，實(shí)際容量為：1.05，0.98，1.08，0.97，0.88，0.92，0.95，0.94，0.89及0.96噸。試問(wèn)實(shí)際容量與標(biāo)稱(chēng)之間有無(wú)差異？”講授F檢驗(yàn)時(shí)，選用了“某選煤廠(chǎng)推行全廠(chǎng)技術(shù)改造前，某月的123批精煤灰分的平均值=5.39%，標(biāo)準(zhǔn)差s1=0.211%；實(shí)行技術(shù)改造后的一個(gè)月份抽取100批精煤，灰分的平均值=5.89%，標(biāo)準(zhǔn)差s2=0.160%。試檢驗(yàn)前后精煤質(zhì)量的穩(wěn)定性是否有顯著性改善。”為實(shí)例。這兩個(gè)例子與本專(zhuān)業(yè)緊密結(jié)合，突出了實(shí)用性。采用這樣的課堂教學(xué)方式，學(xué)生既掌握了兩種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，同時(shí)也進(jìn)一步了解了煤炭行業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)。

二、單因素試驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)是理工科學(xué)生常用的設(shè)計(jì)方法；特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快捷。其中，常用方法有平方法、均分法、黃金分割法、斐波那契分?jǐn)?shù)法及分批試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。課堂講授時(shí)能引用的例子很多。但如果結(jié)合本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，引用專(zhuān)業(yè)科研實(shí)例，學(xué)生的認(rèn)知性會(huì)更高。例如，講授黃金分割法時(shí)可以舉以下實(shí)例以豐富教學(xué)內(nèi)容：“某選礦廠(chǎng)研究磨礦細(xì)度x對(duì)選礦金屬回收率的影響。已知磨礦細(xì)度范圍為小于200網(wǎng)目含量為80%～95%。要求利用黃金分割試驗(yàn)設(shè)計(jì)尋求最佳磨礦細(xì)度?！蓖ㄟ^(guò)本例，可以使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到磨礦技術(shù)指標(biāo)的具體要求。

三、回歸分析的教學(xué)應(yīng)用

回歸分析是應(yīng)用極其廣泛的數(shù)據(jù)分析方法之一。它基于觀測(cè)數(shù)據(jù)建立變量間適當(dāng)?shù)囊蕾?lài)關(guān)系，以分析數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，并可用于預(yù)報(bào)、控制等問(wèn)題。課堂上，僅把一元線(xiàn)性回歸作為主要講授內(nèi)容，其他如內(nèi)容可讓學(xué)生自學(xué)。由于回歸分析難于理解，可結(jié)合專(zhuān)業(yè)特色，讓學(xué)生利用專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析來(lái)應(yīng)用回歸方法。選用的例子如下：“某煤化所發(fā)現(xiàn)，煤炭的發(fā)熱量與煤炭含灰量間往往有很好的線(xiàn)性關(guān)系，表1中是該所對(duì)某礦井的十個(gè)煤樣灰分Af%與發(fā)熱量QfDT（MJ/Kg）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，試求出QfDT對(duì)Af%的回歸方程，并檢驗(yàn)QfDT對(duì)Af%有無(wú)顯著的線(xiàn)性關(guān)系?！?/p>

該例子讓很多學(xué)生認(rèn)識(shí)到，煤炭的灰分與發(fā)熱量有一定的線(xiàn)性關(guān)系，而且，通過(guò)回歸分析可以建立變量之間的模型，對(duì)今后的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)有很好的指導(dǎo)性。

四、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)模式

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)的試驗(yàn)方法，是多因素優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)中最典型的試驗(yàn)方法之一，它從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表的試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，使之具有“均衡”和“整齊”的特點(diǎn)，是拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步擴(kuò)展和推廣，因而具有很高的效率及廣泛的應(yīng)用。

該內(nèi)容是整個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)重點(diǎn)，也是學(xué)生必須掌握的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一。因此，課程的教學(xué)模式更應(yīng)該結(jié)合實(shí)際，以提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用能力。教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋以下方面：正交表的介紹、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本方法、有交互作用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、多指標(biāo)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、水平不等的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、重復(fù)試驗(yàn)與重復(fù)取樣的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析。

在講授正交試驗(yàn)的方差分析時(shí)，選用了“煤炭灰化試驗(yàn)”為實(shí)例，考察升溫方式、通風(fēng)方式和最終溫度三個(gè)因素水平的變化對(duì)灰化指標(biāo)效果優(yōu)劣的影響。利用方差分析，確定各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著程度大小和影響的變化規(guī)律，進(jìn)而確定最佳實(shí)驗(yàn)方案。

為了培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)設(shè)計(jì)能力，我們結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，為學(xué)生安排了一項(xiàng)“選煤廠(chǎng)煤泥浮選工藝條件優(yōu)化”實(shí)驗(yàn)。要求用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在精煤灰分穩(wěn)定的前提下，以精煤產(chǎn)率最大化為試驗(yàn)指標(biāo)，尋找最優(yōu)浮選工藝條件。第一步，篩選試驗(yàn)因素；建議學(xué)生從中選出3～5個(gè)主要因素，如礦漿濃度、捕收劑、起泡劑加入量、充氣量、攪拌時(shí)間等。第二步，確定因素水平；為了減少試驗(yàn)量，建議學(xué)生在試驗(yàn)初期選取2～3個(gè)水平數(shù)為宜。第三步，選正交表，確定正交試驗(yàn)方案；建議兩水平試驗(yàn)首選L8（27），三水平的可選L9（34，），如考慮交互作用，一定要把交互作用列放到指定的列上，這樣就確定了一個(gè)正交試驗(yàn)方案。按照正交表中的各因素水平的搭配條件，正確完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)。為提高實(shí)驗(yàn)精度，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)一次。第四步，數(shù)據(jù)處理，建議采用有重復(fù)的正交試驗(yàn)方差分析方法，確定各因素的顯著性水平及對(duì)精煤產(chǎn)率指標(biāo)影響程度的主次順序，最終找出最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件，并給出后續(xù)的優(yōu)化方向。

通過(guò)這種訓(xùn)練，學(xué)生不但進(jìn)一步掌握了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法，而且通過(guò)專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：浮選過(guò)程中不僅捕收劑、起泡劑及礦漿濃度等因素對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)有顯著影響，捕收劑與起泡劑之間的交互作用也是不可忽視的影響條件。這對(duì)提升了學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知性有很大的幫助。

五、序貫試驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法

在多因素多水平的情況下，為了減少試驗(yàn)工作量，經(jīng)常應(yīng)用多因素序貫試驗(yàn)設(shè)計(jì)。單因素試驗(yàn)時(shí)，序貫設(shè)計(jì)的優(yōu)越性一般不明顯，因?yàn)閷?zhuān)業(yè)試驗(yàn)中，每一工藝條件所需考查的水平數(shù)一般不會(huì)很多，采用序貫設(shè)計(jì)雖可適當(dāng)減少試點(diǎn)數(shù)，卻會(huì)增加試驗(yàn)批次，試驗(yàn)進(jìn)度不一定會(huì)加快。多因素組合試驗(yàn)時(shí)，全面試驗(yàn)的工作量很大，采用序貫試驗(yàn)法就可明顯地減少試點(diǎn)總數(shù)，縮短試驗(yàn)周期。

序貫試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括登山法和消去法兩類(lèi)。登山法中，課堂主要講授最陡坡法，而調(diào)優(yōu)運(yùn)算和單純形調(diào)優(yōu)法可讓學(xué)生自學(xué)。消去法有0.618法和分批實(shí)驗(yàn)法，可著重講授分批實(shí)驗(yàn)法。

通過(guò)這樣典型的專(zhuān)業(yè)實(shí)例引用，使序貫試驗(yàn)的教學(xué)效果得到明顯的改善。

六、結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)一門(mén)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，實(shí)用性很強(qiáng)。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握其中的主要內(nèi)容，是每一個(gè)教師所面臨的問(wèn)題。因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)根據(jù)不同的學(xué)科和專(zhuān)業(yè)選取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，同時(shí)要體現(xiàn)出相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)特色，注重實(shí)例的選取、注重實(shí)踐應(yīng)用，這樣才能進(jìn)一步提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，改善試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。

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