王保玉,王少鵬,鄭麗萍,付長亮,張峻煒,李玉玲,何會芬,王宇飛,李靖靖

（鄭州工程技術學院化工食品學院，河南 鄭州 450044）

《試驗設計與數據處理》是化工類、食品類和材料類專業(yè)的通用型選修課。該課程以高等數學、概率論與數理統(tǒng)計等為基礎,融合專業(yè)學科知識,具有鮮明的理論和實踐一體化的特征。課程內容主要包含試驗設計和數據處理兩方面的基本理論和方法,要求學生能夠應用這些原理與方法,解決科學試驗和工程實踐中的實際問題。該課程已在我校食品科學與工程、化學工程與工藝和高分子科學與工程等工科專業(yè)中開課和運行,在教學過程中,我們以在線開放課程建設為依托,對課程進行了一系列的改革和嘗試,突出對學生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),順應新工科建設和卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的要求。

1 根據學生能力要點，顆粒化組織課程內容，構建能力本位的模塊化課程

《試驗設計與數據處理》課程中數據處理部分涉及到很多的數學模型、數學推導和數學運算,內容比較抽象,學生難于全面掌握,常出現為難情緒和厭學現象[1-3]。基于此,我們在數據處理部分以 “必須夠用”為指導原則,淡化數學推導過程,學生只需了解其來龍去脈即可,重點掌握數學統(tǒng)計模型的參數意義、使用條件和實際應用。在試驗設計部分重點學習每種方法的應用程序、分析每種方法的優(yōu)缺點,以及面向實際問題的方法選擇,要求學生熟練選擇表格和設計表頭?；谝陨峡紤],我們對課程內容進行了重構。首先,對照專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的畢業(yè)生能力要點,結合課程內容,科學界定課程目標,即要求學生掌握試驗設計和數據處理的基本方法,學以致用,初步學會設計試驗和處理數據,完成科學實驗和工程實踐。其次,結合具體學習內容,進一步細化課程目標,形成一系列易操作可評價的子目標,對課程內容進行顆?；幚怼Ｔ俅?突出應用導向,化繁為簡,整合理論教學內容,建構知識框架,細化課程目標,創(chuàng)設教學任務,圍繞核心知識點,模塊化組織教學內容。最后,突出課程的實踐屬性,提高實踐教學比例,加強計算機軟件Excel、Origin和統(tǒng)計軟件SPSS、SAS的應用,切實培養(yǎng)學生的分析問題能力和解決問題能力。

例如,在儀器分析中,操作方案的優(yōu)化非常重要,直接決定著分析結果的準確度。我們以此為應用背景,設置任務學習雙因素方差分析。具體任務是在原子吸收分光光度法中乙炔和空氣流量對測定鎳電解液中微量銅的影響。本任務的要求明確具體,就是確定儀器操作條件的對分析結果是否有顯著影響,因此,我們就可以借助Excel,導入試驗數據,利用軟件 “分析數據庫”中 “無重復雙因素方差分析”工具,經過參數設置,就能快速得到分析結果,用于改進儀器分析方法。借助專業(yè)軟件不僅可以化繁為簡,直達目標,還能避開繁瑣的人工數據處理過程,提升學生的學習獲得感,激發(fā)學生的學習積極性。

2 以學生為中心，實施項目化教學，構建高效的課堂教學模式

課程教學打破以教師為中心的傳統(tǒng)教學方法,實施項目化教學,激發(fā)學生學習興趣,提高學生參與度和獲得感。項目選擇突出實際應用性,緊密結合學生的專業(yè)發(fā)展需求,主動融合學科前沿和科研成果[4],開設開放性的設計型實驗,拓展課程的深度和提高課程的難度,激發(fā)學習熱情,提高學業(yè)挑戰(zhàn)度。項目化教學的設計充分借鑒CDIO教學模式,CDIO教學模式由構思(Conceive）、 設計(Design）、 實施(Implement） 和操作(Operate）四個步驟形成一個完整的教學體系并能持續(xù)優(yōu)化[5-6]。《試驗設計與數據處理》作為一門實踐課程,必須重視 “做中學”和 “基于項目的學習”,項目化教學以工作任務或項目為教學載體,將理論知識與實踐應用有機結合,學生在教師的指導下主動學習,獲取必須的知識與技能。項目化教學基本環(huán)節(jié)如下:(1）布置任務；(2）學習咨詢；(3）制定方案；(4）實施方案；(5）成果匯報；(6）點評歸納；(7）修改完善[7-8]。其中,前四個環(huán)節(jié)一般需要學生在課外自主完成,這樣可以使學生有比較充裕的時間查閱資料、咨詢教師、制定方案和完成項目,成果匯報和點評歸納等環(huán)節(jié)一般應安排在課內完成。

例如,天然植物提取物近年來備受市場追捧,已廣泛應用于藥品、保健品、食品和化妝品等領域,但植物提取過程效率普遍較低,導致生產成本居高不下。針對該共性問題,我們以黃芪煎煮提取工藝研究為項目,學習回歸分析。本學習項目重點研究煎煮時間、煎煮次數和加水量等三個因素對提取物黃芪總皂苷含量的影響,要求學生利用回歸分析確定因素的主次順序,并預測優(yōu)方案。教師下達學習任務后,第一步,各學習小組開始搜集相關研究資料,設計實驗方案,做好預實驗,并向指導老師咨詢,制定可行的實驗方案；第二步,各學習小組分工協作,完成實驗方案。第三步,各學習小組整理匯總實驗數據,對試驗數據進行回歸分析,以PPT形式展示學習成果；第四步,教師和其它學習小組對學習成果進行充分質疑,總結存在問題,提出改進措施,完善實驗方案。事實上,煎煮法雖然簡單易行,但其也存在選擇性差和有效成分易破壞等缺點,還可以啟發(fā)學生,突破提取方法的限制,重新選擇影響因素,提出更優(yōu)的實驗方法及其研究方案,作為實驗室開放項目,供學生在課外繼續(xù)進行研究,既能幫助學生鞏固課本知識,又能提升學生的試驗設計能力。

3 利用現代信息技術，拓展課程資源，打造一站式的在線學習平臺

《新工科北京指南》明確提出 “探索工程教育信息化教學改革,推進信息技術與工程教育深度融合,創(chuàng)新 ‘互聯網+'環(huán)境下工程教育教學方法,提升工程教育效率,提高教學效果”[9]。本課程在建設過程中充分利用現代信息技術,制作了豐富的課程資源。本課程不但有課程標準、電子教案、電子講稿、電子課件、學習清單、作業(yè)答案、參考資料和應用案例等文本資源,還制作了豐富的圖片、音頻和視頻等多媒體資源?？傊?本課程的資源庫力求形式多樣和足量冗余,既能方便教師根據實際需要靈活搭建模塊化課程,又能讓學有余力的學生自主實現拓展學習。

互聯網具有超越時空、信息量大、使用方便等顯著優(yōu)點,已對傳統(tǒng)教育教學模式形成挑戰(zhàn),能夠為學生提供全方位的學習服務?；ヂ摼W時代為教學改革提供了難得的新機遇,我們必須主動適應學生移動學習和混合式教學的新需求,利用現代信息技術,重視在線學習平臺的建設。MOOC(慕課）,即大規(guī)模開放在線課程,在國內外已經大量上線,能夠提供海量的在線教學資源,學生根據興趣愛好可以自主選擇和學習[10]。然而,慕課要求學生有較強的自律能力和自學能力,才能完成同步學習并獲得學分或證書。為解決在線開放學習和線下班級教學間不能完全匹配和兼容問題,SPOC,即小規(guī)模限制性在線課程,就應運而生[11]。SPOC教學模式面向特定班級群體精準開發(fā),能與傳統(tǒng)課堂教學優(yōu)勢互補,并行不悖,既能在線上理論學習,又能輔助線下課堂教學。基于此,我圍繞教學目標精心設計教學活動,進行了MOOC+SPOC的混合式教學實踐與探索,構建課堂教學與在線學習相融合的新型課堂教學模式[12]。首先,對課程內容進行整合和重構,分解成理論和實踐相融合的學習任務,制成微視頻,便于學生利用碎片化時間進行反復觀看和學習。其次,針對專業(yè)差異、班級差異和學生個體差異,我們引入SPOC教學模式,滿足學生的個性化學習需求。

4 順應學習模式改革，科學設置評價指標，建立多元化評價考核體系

《試驗設計與數據處理》借鑒布魯姆教學目標分類理論,將評價指標融入學習過程目標,構建多元化評價體系,制定具有可操作性的評價方案[13]。本課程內容主要分為理論模塊和實踐模塊兩部分,理論模塊主要是讓學生掌握試驗設計和數據處理的基本方法,必須強化學生對方法與過程的理解和認識,因此,本模塊評價目標側重平時學習過程評價,綜合利用課堂小組討論、個人答題、知識搶答、課后書面作業(yè)等多種形式,調動學生平時學習積極性,及時監(jiān)測學生平時學習效果和質量。實踐模塊主要是培養(yǎng)學生應用專業(yè)軟件進行試驗設計和數據處理的能力,評價重點是學習成果,以計算機軟件輸出結果評價學生實踐的準確性。此外,期末終結性評價以真實實驗項目為藍本,擬定多任務的綜合題,綜合評價學生的分析問題和解決問題的能力。

例如,檸檬酸硬脂酸單甘脂是一種新型綠色食品乳化劑,具有良好的乳化能力和潤濕作用。它通過檸檬酸與硬脂酸單甘脂在真空條件下進行酯化反應制備,通過優(yōu)化合成工藝條件,能夠提高它的乳化能力。我們以此作為應用背景,設置項目學習正交試驗設計。根據項目內容和實施過程,分解成六個具體的學習任務,并制定對應的過程考核方案(括號內為權重）。具體如下:任務一,探索性實驗,具體考核影響因素挑選是否合理(3%）和因數水平數值是否適當(3%）；任務二,正交試驗設計,具體考核正交表選擇是否合適(5%）、表頭設計是否合理(5%）和試驗方案是否合理(4%）；任務三,試驗方案的實施,具體考核實驗操作是否規(guī)范(10%）、試驗數據是否真實可靠(5%）和數據處理是否規(guī)范(5%）；任務四,試驗設計結果的直觀分析,具體考核極差計算是否正確(10%）、優(yōu)方案確定是否合理(2%）和優(yōu)方案驗證和分析(3%）；任務五,試驗設計結果的方差分析,具體考核離差平方和計算過程和結果的是否正確(10%）、自由度計算過程和結果是否正確(2%）、均方計算過程和結果是否正確(2%）、F值計算過程和結果是否正確(2%）、顯著性檢驗分析是否正確(2%）和優(yōu)方案確定是否合理(2%）；任務六,試驗設計結果的展示和匯報,具體考核書面試驗報告內容是否完整(7%）,報告格式是否規(guī)范(3%）,口頭匯報思路是否清晰(3%）,答辯問題是否合理(4%）,是否提出進一步的改進措施(3%）。

5 重視學生學習過程反饋，及時發(fā)現問題，形成持續(xù)改進的良性循環(huán)

2018年,教育部頒布了 《普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準》,為我國高等教育本科專業(yè)設置了 “底線”,為實現高等教育內涵式發(fā)展提供標準保障[14]。該標準強調的 “突出學生中心、產出導向和持續(xù)改進”三大原則,集中體現了產出導向教育理念。目標導向教育(OBE）非常關注學生的學習過程和學習效果,這就要就我們必須改革傳統(tǒng)教學模式,激發(fā)學生學習興趣[15]。首先,結合課程的工具性和應用性的顯著特點,廣泛采用啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學,在課堂上增加師生互動和生生互動,激發(fā)學生學習興趣。其次,及時發(fā)現和準確界定學習難點,積極引導學生深入思考,自主學習和攻堅克難,切實提高學習效率。最后,做好教學反饋,每輪課程學習結束后,課程教學團隊對課程目標的達成度進行詳細分析,找出制約教學質量提高的關鍵影響因素,并提出具體的改進措施,修訂課程標準,更新教學內容,優(yōu)化學習過程。

6 組建一支結構合理和分工明確的教學團隊，保障課程的可持續(xù)性建設

課程建設任務比較多,為保證 《試驗設計與數據處理》課程的可持續(xù)性建設,必須組建一支成員穩(wěn)定、結構合理和分工明確的教學團隊。本課程面向多個專業(yè)開設,這就要求團隊成員專業(yè)結構合理,確保教學項目具有鮮明的專業(yè)特色,教學內容也能根據專業(yè)需要靈活調整和優(yōu)化。教學團隊的年齡結構也要合理,除團隊主持人外,還要有年富力強的骨干教師和精力充沛的青年教師。團隊主持人側重于提出課程建設思路和制定課程建設規(guī)劃,指導團隊成員的課程教學,做好示范教學。骨干教師是課程建設和課堂教學的主力,青年教師可以先從助教做起,向骨干教師學習,取長補短,提升自己的教育教學能力,為獨立授課奠定基礎。骨干教師側重于執(zhí)行課程建設方案和完成課程建設任務,青年教師主要負責課后學業(yè)輔導、課程網站的建設與維護、電子課程資源的制作與發(fā)布以及在線課程學習平臺的實時互動答疑等任務。

7 結 論

《試驗設計與數據處理》是一門量大面廣的通用型工具課和實踐課。通過課程改革,筆者發(fā)現學生的學習積極性明顯提高,教學效果持續(xù)提升,學生動手實踐能力顯著增強。但是,課程建設仍然存在一些問題,仍有較大的改革空間。課程建設下一步必須緊密結合專業(yè)實際和學生學情,持續(xù)優(yōu)化課程內容、改進教學方法、豐富考核體系和完善質量保障體系,才能更好地滿足新時代卓越工科人才的培養(yǎng)要求。