頓國強(qiáng)

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

農(nóng)業(yè)碩士（Master of Agriculture） 專業(yè)[1]學(xué)位教育作為我國培養(yǎng)農(nóng)業(yè)類人才的一種重要途徑，旨在培養(yǎng)能運用農(nóng)業(yè)與管理科學(xué)理論解決實際問題的應(yīng)用復(fù)合型人才。其專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)[2]要求研究生掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，掌握解決農(nóng)業(yè)問題的先進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)手段，能夠獨立從事較高層次的農(nóng)業(yè)技術(shù)研究、開發(fā)和推廣。“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”作為學(xué)校農(nóng)業(yè)碩士研究生的必修課，其教學(xué)目的是使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠針對具體的科學(xué)試驗問題，正確設(shè)計試驗方案并對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，探尋其內(nèi)在規(guī)律，獲得正確的試驗結(jié)論，為以后進(jìn)行農(nóng)業(yè)科學(xué)研究打好相應(yīng)的基礎(chǔ)[3]?！霸囼炘O(shè)計與統(tǒng)計”作為一門多學(xué)科交叉，理論、實踐及應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，具有難講、難教、難學(xué)、難懂、難用，教學(xué)效果不佳的問題，學(xué)生普遍認(rèn)為該課程難度大、理解困難[4]。為此，針對上述問題，結(jié)合學(xué)?！霸囼炘O(shè)計與統(tǒng)計”的教學(xué)實踐，修改教學(xué)內(nèi)容，將Design-expert 軟件引入到課程的全教學(xué)過程，提出新的教學(xué)模式及考核方式，改革考試方式是該課程開課以來最有效的方法，考核作為教學(xué)活動的重要組成，正確恰當(dāng)?shù)目己朔绞綄W(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐具有引導(dǎo)、激勵和促進(jìn)作用[5-6]，因此，結(jié)合學(xué)校農(nóng)業(yè)工程2018 級、2019 級兩級學(xué)生，對“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程考核方式的持續(xù)改進(jìn)進(jìn)行討論和分析，以期能為相關(guān)一線任課教師提供一點參考。

1 課程簡介及教學(xué)改革

“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”是東北林業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)碩士農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)2018 級及農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)專業(yè)2019 級（國務(wù)院學(xué)位委員會[1]對專業(yè)進(jìn)行改名及調(diào)整后） 研究生的必修課（32 學(xué)時），每年秋季學(xué)期10～17 周開課，每周一次課4 學(xué)時，農(nóng)業(yè)碩士2020年擴(kuò)招前的招生人數(shù)10 名左右，根據(jù)修訂后的研究生培養(yǎng)方案，修改課程教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到培養(yǎng)研究生利用課程知識解決實際問題的能力，課程內(nèi)容包括試驗設(shè)計基本理論知識、Design-expert 軟件應(yīng)用、單因素試驗的方差分析、正交試驗、響應(yīng)面試驗5 個部分。課程教材選用葛宜元主編的《試驗設(shè)計方法與Design-expert 軟件應(yīng)用》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，課程參考書包括化學(xué)工業(yè)出版社出版，由李云雁、胡傳榮主編的《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》、北京科學(xué)出版社出版，由徐向宏、何明珠主編的《試驗設(shè)計與Design-expert、SPSS 應(yīng)用》等其他試驗設(shè)計類相關(guān)教材、農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報、農(nóng)業(yè)工程學(xué)報。

1.1 試驗設(shè)計與分析軟件Design-expert 引入教學(xué)

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多試驗設(shè)計及統(tǒng)計分析可由統(tǒng)計分析軟件快速完成，統(tǒng)計分析軟件（Excel、SPSS、SAS、R 軟件、S-Plus、Minitab等） 亦在科研和工作中得到廣泛應(yīng)用，因此有必要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生運用統(tǒng)計分析軟件的能力[7]。課程引入的Design-expert 軟件是一款基于Windows 的專門面向試驗設(shè)計（即DOE） 及相關(guān)數(shù)據(jù)分析的工程軟件，由Stat-Ease 公司設(shè)計出版和發(fā)行，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析軟件相比，其更專注于試驗設(shè)計，人機(jī)交互界面友好、使用簡單，不需要使用者具備數(shù)理統(tǒng)計功底，就可正確設(shè)計出高效的試驗方案，并能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)可靠的分析，獲得全面的可視化模型，并對試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化[8]。Design-expert 軟件常用的試驗方法包括一般析因試驗（General factorial design）、正交試驗（Taguchi OA design）、響應(yīng)曲面試驗（Response surface design），包含中心組合設(shè)計（Central composite design，簡稱CCD，5 水平試驗）和BOX 設(shè)計（Box-behnken Design，簡稱BBD，3 水平試驗） 等，軟件功能包括試驗設(shè)計（Design）、回歸分析（Analysis） 和預(yù)測優(yōu)化（Optimization） 3 個部分。對應(yīng)用Design-expert 軟件的學(xué)位論文進(jìn)行檢索統(tǒng)計得出，2011—2021 年10 年內(nèi)，學(xué)位論文中應(yīng)用Design-expert 的農(nóng)業(yè)、林業(yè)、農(nóng)林院校的數(shù)量分別是3 091，690，733 篇，平均每年有451 篇學(xué)位論文用到該軟件，對于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的國內(nèi)頂級期刊農(nóng)業(yè)工程學(xué)報、農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，其10 年發(fā)文量10 100，6 834 篇，使用軟件文章數(shù)386，313 篇，占比分別3.82%，4.58%，由以上軟件使用統(tǒng)計結(jié)果可知，無論從學(xué)位論文還是期刊論文，Design-expert軟件提供的試驗方法及功能可完全滿足“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程對農(nóng)業(yè)碩士研究生培養(yǎng)目標(biāo)要求。因此，將Design-expert 引入到課程的全部教學(xué)及考核過程。

1.2 課前準(zhǔn)備

課前4 周建立課程“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”QQ 群，要求每位學(xué)生課上準(zhǔn)備安裝Design-expert 軟件的筆記本電腦，課程要求前兩章試驗設(shè)計基礎(chǔ)知識及Design-expert 軟件應(yīng)用由學(xué)生自學(xué)完成，群文件上傳以下教學(xué)資源：①選取農(nóng)業(yè)工程學(xué)報、農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報等高水平文章中具有代表性的試驗案例（包括單因素試驗2 個、正交試驗2 個、響應(yīng)曲面4 個），應(yīng)用Design-expert 對文章中的試驗案例進(jìn)行重新分析，利用EV 錄屏配以講解，錄制各類試驗案例的軟件應(yīng)用講解視頻，保存Design-expert 文件，以講解視頻+源文件+選用文章的組合方式對文件進(jìn)行分類整理；②利用百度文庫下載試驗設(shè)計與統(tǒng)計、Design-expert 軟件相關(guān)教學(xué)課件資源，對B 站上的試驗設(shè)計類、Design-expert 軟件講解類視頻教學(xué)資料，編輯整合視頻連接，制作教學(xué)資源連接Word 文件；③課程的教學(xué)大綱（課程要求、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配、授課方式、教材及參考書、考核方式等）。

1.3 課中教學(xué)

首次上課，由任課教師講解課程的基本情況、上課方式及考核形式，采用翻轉(zhuǎn)課堂+ 課堂討論+教師點評答疑的課堂教學(xué)方式[9]，由抽簽方式確定每位學(xué)生的課堂講授內(nèi)容，要求學(xué)生針對抽取的講解內(nèi)容自制教學(xué)課件，選擇實際案例（自己畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容、農(nóng)業(yè)工程學(xué)報或農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報選擇的試驗研究類文章），利用Design-expert 重新設(shè)計試驗并對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析，這里以響應(yīng)曲面試驗為例：被抽學(xué)生從知網(wǎng)選擇下載正交試驗文章，采用增刪因素、水平、指標(biāo)的方法對原試驗方案及結(jié)果進(jìn)行修改，修改后要求至少兩因素、三水平或五水平，兩試驗指標(biāo)，利用Design-expert 重新分析，獲得試驗結(jié)果的方差分析，因素對指標(biāo)影響應(yīng)面趨勢分析，優(yōu)選數(shù)值解及圖形解，結(jié)合上述案例及網(wǎng)絡(luò)資源（視頻、課件） 制作響應(yīng)曲面試驗方法及案例軟件應(yīng)用講解課件PPT 一個，課上要求學(xué)生以教師的身份進(jìn)行課堂講授，要求講課學(xué)生對其他學(xué)生及教師提出的問題進(jìn)行回答，其他學(xué)生可以討論回答，由任課教師對課程內(nèi)容的問題及難點進(jìn)行答疑，最后根據(jù)學(xué)生講課及回答質(zhì)量，由其他學(xué)生及教師共同對授課學(xué)生進(jìn)行打分。改革后的課堂教學(xué)，學(xué)生除了學(xué)習(xí)試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析的基本知識，同時鍛煉了學(xué)生收集查閱資料文獻(xiàn)、制作PPT、語言表達(dá)、Design-expert 軟件的實操等技能。

2 課程考核改革

傳統(tǒng)的試驗設(shè)計類課程“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”“食品試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析”“試驗設(shè)計與統(tǒng)計”“試驗設(shè)計與優(yōu)化”“試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析”等考核方式[10-14]多采用平時成績+上機(jī)考試+考試成績，考試一般以筆試閉卷為主，無上機(jī)考試的期末成績一般占比60%～90%，有上機(jī)考試的上機(jī)占比30%～40%，期末占比30%～50%，皆出現(xiàn)期末占比較高、平時占比較少的情況，期末考試內(nèi)容過于注重理論知識和基本統(tǒng)計方法，上機(jī)僅僅是軟件的操作技能，平時成績基本以課堂表現(xiàn)及考勤為主，現(xiàn)有的考核方式無法反映學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

針對上述現(xiàn)有課程考核現(xiàn)狀，結(jié)合改進(jìn)后的教學(xué)方式，針對2018 級農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)，提出了過程考核+論文實踐的考核方式，成績組成包括平時成績20%（考勤10 分，課堂報告20 分） + 期末成績70%（大論文70 分） 的考核方式，從多方面進(jìn)行考核，提高過程考核比例，改變期末考試考核方式，考勤每缺勤一次扣2 分，缺勤5 次及以上，取消成績；制作課堂報告打分表（優(yōu)秀18 分，良好16 分，中等14 分，及格12 分，不及格10 分，未作報告0 分），成績由教師及學(xué)生共同打出，取平均值整數(shù)部分，要求學(xué)生按照見刊發(fā)表文章要求（格式符合農(nóng)業(yè)工程、機(jī)械學(xué)報模板要求），以自己畢業(yè)設(shè)計或知網(wǎng)下載文章為論文內(nèi)容，選擇一種試驗方法（正交試驗或者響應(yīng)曲面），完成一篇基于Design-expert軟件分析的試驗研究類論文，并附以所有與論文數(shù)據(jù)、圖表相關(guān)的Design-expert 軟件截圖，任課教師以審稿專家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)大論文完成質(zhì)量，按投稿期刊要求給予成績評定，課程最后要求學(xué)生上交課堂報告及大論文的所有材料（大論文、報告PPT、Design-expert 文件、案例文章）。

期末大論文考核要求見圖1。

圖1 期末大論文考核要求

課程期末大論文撰寫是對學(xué)生課程知識掌握情況檢驗的最后環(huán)節(jié)，通過該過程的訓(xùn)練，學(xué)生分析問題和解決問題的能力、試驗設(shè)計及軟件應(yīng)用的能力，論文撰寫的能力得到進(jìn)一步提高，為研究生發(fā)表學(xué)術(shù)論文和撰寫學(xué)位論文打下堅實的基礎(chǔ)。學(xué)校農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)2018 級碩士研究生8 名，首次采用改革后的教授、考核方式。其中，大論文6 名選擇BBD 試驗，2 名選擇正交試驗，由于CCD 試驗相對較難而無人選擇，且大論文存在一定的抄襲問題，依樣畫葫蘆，硬性的軟件數(shù)據(jù)分析，在一些細(xì)節(jié)知識上，仍存在知其然不知其所以然的問題，無法利用數(shù)據(jù)分析的結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)實際，如響應(yīng)面試驗回歸模型的失擬檢驗、參數(shù)優(yōu)化的圖形解、試驗設(shè)計的編碼等問題，其一部分原因仍是對Design-expert軟件的實際操作存在問題，與理論知識的理解存在差異，課程平均成績83.6 分，標(biāo)準(zhǔn)差10.8，達(dá)到良好水平。其中，優(yōu)秀3 名，良好3 名，中等1 名，及格1 名，中等及及格成績學(xué)生的課程報告和大論文皆存在一定問題，經(jīng)調(diào)查，該級研究生直至畢業(yè)，有3 名研究生參與過文章發(fā)表，畢業(yè)學(xué)位論文中，有7 名研究生用到單因素試驗、正交試驗和響應(yīng)面試驗，并由Design-expert 進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析，做到了將所學(xué)的知識用到解決實際問題當(dāng)中。

針對2018 級教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，對農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)2019 級的考核進(jìn)行再次改革，將平時成績中的課堂報告的20 分進(jìn)行再次拆分，除了抽簽抽選的課堂報告14 分外，需要學(xué)生在完成單因素試驗方差分析后，上交小論文6 分，用以實踐訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用Design-expert 對基礎(chǔ)數(shù)理統(tǒng)計知識的實操技能，小論文內(nèi)容自選（實際問題或知網(wǎng)資源），以單因素試驗的方差分析為例，至少選定2 個因素，1 個試驗指標(biāo)，以小論文方式撰寫研究報告，注意利用Design-expert 軟件，要求題目、摘要、關(guān)鍵詞、試驗的目的意義、試驗因素、指標(biāo)、試驗方案及結(jié)果、方差分析、變化趨勢分析及結(jié)果優(yōu)化，參考文獻(xiàn)，附件Design-expert 軟件截圖，根據(jù)報告的實際完成質(zhì)量給定成績（優(yōu)秀6 分，良好5 分，及格4 分，不及格3 分，未交小論文0 分）。2019 級碩士研究生10 名，大論文8 名選擇BBD 試驗，2 名CCD 試驗，課程平均成績85.4 分，標(biāo)準(zhǔn)差7.4，成績略高于2018 級，平均達(dá)到良好水平。其中，優(yōu)秀4 名，良好4 名，中等2 名，成績分布相對2018 級更趨于集中，最低成績也處于中等水平，在以后的教學(xué)中，硬性的分配大論文試驗類型選擇，或者給類型占比較少的學(xué)生給以鼓勵加分的激勵，以達(dá)到試驗類型全覆蓋培養(yǎng)及檢驗的教學(xué)目的。

3 結(jié)語

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生自主性，降低學(xué)習(xí)難度，培養(yǎng)學(xué)生利用課程所學(xué)知識解決實際問題的能力，將Design-expert 軟件及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)引入到農(nóng)業(yè)碩士研究生試驗設(shè)計與統(tǒng)計的課程教學(xué)中，提出了平時成績+課堂報告+小論文+大論文的考核方式，并對考核方式進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)。結(jié)果表明，兩級學(xué)生的平均成績達(dá)到良好的水平，再次改進(jìn)提高了學(xué)生的平均成績，成績分布更趨于集中，課程考核改革鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)查閱、語言表達(dá)、寫作技能、科學(xué)研究等方面的能力，提升了學(xué)生利用Design-expert 軟件完成試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析的應(yīng)用能力，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)，整體教學(xué)質(zhì)量顯著提高。但是，在實際教學(xué)過程仍存在一些實際問題，要使課程教學(xué)水平持續(xù)提升，尚需在今后的教學(xué)研究中進(jìn)一步深入探索新的教學(xué)模式及考核方式。