實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)研究

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［摘要］在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，結(jié)合我校實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的實際情況，圍繞化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，從畢業(yè)生應(yīng)具備的相關(guān)能力要求著手，以成果導(dǎo)向為目標(biāo)，以學(xué)生為中心，以持續(xù)改進為突破口，通過一系列教學(xué)改革主動強化課程體系對培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求的支撐作用，全面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的興趣，促使其在知識、能力、素質(zhì)等方面得到綜合提升，進一步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜化工問題的能力。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認(rèn)證；實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理；人才培養(yǎng)；課程改革

工程教育專業(yè)認(rèn)證作為提高我國工程教育質(zhì)量的有力手段，不僅是我國工程教育發(fā)展的必然趨勢，同時還是增強我國工程教育國際影響力和競爭力的必經(jīng)之路［1］。工程教育專業(yè)認(rèn)證制度始于美國，在歷經(jīng)了幾十年的快速發(fā)展后，我國于2016年6月正式加入國際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，通過認(rèn)證的工程專業(yè)畢業(yè)生學(xué)位將得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認(rèn)可，這標(biāo)志著具有國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認(rèn)證的帷幕已在我國徐徐拉開。在此背景下，如何有效地將工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念貫穿于整個教學(xué)過程中，實現(xiàn)以成果導(dǎo)向為目標(biāo)，以學(xué)生為中心，以持續(xù)改進為突破口，構(gòu)建符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的人才培養(yǎng)體系是目前亟待解決的一個重要問題［2］。我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)起源于1958年的西安石油學(xué)院石油煉制本科專業(yè)，該專業(yè)結(jié)合我國、我省能源化工的現(xiàn)狀，堅持以化工為基礎(chǔ)，以石油天然氣化工利用為主攻方向，依托石油、煤炭等能源化工企業(yè)，為能源化工產(chǎn)業(yè)輸送了大批優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才，已成為中國西部地區(qū)、陜西區(qū)域石油化工領(lǐng)域的特色優(yōu)勢專業(yè)。該專業(yè)于2014年獲批教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”和陜西省“專業(yè)綜合改革試點”立項，并于2017年獲批陜西省重點建設(shè)“一流專業(yè)”。實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理現(xiàn)為我校化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)教育課程，旨在使學(xué)生了解并掌握實驗前的實驗方案設(shè)計以及對實驗所獲得的數(shù)據(jù)進行分析和處理的基本理論和知識，培養(yǎng)學(xué)生合理設(shè)計科學(xué)實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理的技能，最終達到提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力的目的，為其后續(xù)專業(yè)實驗、畢業(yè)論文環(huán)節(jié)的順利進行打下良好的基礎(chǔ)［3］。為了更好地服務(wù)于工程教育專業(yè)認(rèn)證，本課程充分結(jié)合自身特點，緊密圍繞化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，從工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的畢業(yè)生應(yīng)具備的相關(guān)能力要求著手，通過將培養(yǎng)目標(biāo)細(xì)化于畢業(yè)要求中，將畢業(yè)要求內(nèi)化于課程體系中來構(gòu)建全過程、全方位的協(xié)同育人體系，促進學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，著力將成果導(dǎo)向引入課堂，實現(xiàn)以學(xué)生為中心，突出持續(xù)改進能力，嚴(yán)格按照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求進一步強化課堂教學(xué)效果，從而為實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)模式改革和全面提高畢業(yè)生綜合素質(zhì)能力奠定堅實的基礎(chǔ)。

一、將成果導(dǎo)向引入課堂

所謂成果導(dǎo)向是指所有教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)都是使學(xué)生通過教育過程取得一定的學(xué)習(xí)成果，而這里所說的學(xué)習(xí)成果即為學(xué)生通過某一階段的學(xué)習(xí)后所能達到的最大能力［4］。成果導(dǎo)向較好地闡釋了培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和課程體系之間的關(guān)系，學(xué)生、家長、教師、學(xué)校、政府和用人單位這些利益相關(guān)方的要求與期望決定了培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)目標(biāo)決定了畢業(yè)要求，畢業(yè)要求決定了課程體系，而課程體系的確立則需要教學(xué)活動、師資配置和教學(xué)資源的有力支撐［5］。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，由培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、課程體系所形成的環(huán)環(huán)相扣的責(zé)任鏈條不但能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，同時還可以有效地圍繞學(xué)生最終成果來組織和開展教學(xué)活動，使得畢業(yè)學(xué)生具有良好的文化素養(yǎng)、社會責(zé)任感、工程倫理道德、法治精神、現(xiàn)代經(jīng)濟及創(chuàng)新思維等基本素質(zhì)，掌握自然科學(xué)和化學(xué)工程與工藝及相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識與基本理論，并有持續(xù)學(xué)習(xí)、適應(yīng)發(fā)展的能力。由于學(xué)習(xí)成果的達成需要借助課程教學(xué)來實現(xiàn)，因此包括通識教育課程、學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)教育課程和實踐教學(xué)在內(nèi)的課程體系中的每一門課程都要對學(xué)習(xí)成果的達成具有明確的貢獻和作用。實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的主要內(nèi)容包括實驗數(shù)據(jù)的誤差分析、實驗數(shù)據(jù)的表圖表示法、實驗的方差分析、實驗數(shù)據(jù)的回歸分析、優(yōu)選法、正交實驗設(shè)計、均勻設(shè)計和回歸正交實驗設(shè)計以及配方實驗設(shè)計等。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具備以下幾種能力：第一，能夠基于數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程基礎(chǔ)知識等，掌握方差分析和優(yōu)選法的原則及方法，并將其用于解決科學(xué)實驗問題；第二，利用正交實驗設(shè)計、均勻設(shè)計、回歸正交實驗設(shè)計和配方實驗設(shè)計對科學(xué)實驗進行合理的規(guī)劃和設(shè)計，并對實驗數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的分析和處理；第三，能夠通過查閱相關(guān)文獻對實驗誤差進行正確的分析，掌握實驗數(shù)據(jù)的整理方法，會基于回歸分析建立合適的數(shù)學(xué)模型并對簡單的模型進行參數(shù)估計，同時對實驗數(shù)據(jù)進行初步處理；第四，能夠根據(jù)實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的基本原理、基本方法和基本手段，借助表圖表示法對實驗信息進行綜合梳理，得到合理、可靠的正確結(jié)論；第五，培養(yǎng)實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的科學(xué)思維方法和分析問題、解決問題的能力，為今后開展科學(xué)實驗研究打下堅實的基礎(chǔ)。為了促進學(xué)生取得上述學(xué)習(xí)成果，本課程充分考慮我國近年來在化學(xué)工程與技術(shù)方面的快速發(fā)展，不斷推進教學(xué)內(nèi)容的完善、整合、凝練與優(yōu)化，強化章節(jié)和課程之間的銜接與更新，使本課程的專業(yè)知識更好地與實際生產(chǎn)過程相結(jié)合，組織教學(xué)團隊的相關(guān)教師編寫了《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在化學(xué)化工中的應(yīng)用》等新教材作為我校學(xué)生的教學(xué)用書，受到了學(xué)生的廣泛好評，取得了良好的教學(xué)效果。同時，實踐能力作為綜合素質(zhì)的重要方面和創(chuàng)新人才的重要特征，是學(xué)生將來適應(yīng)實際工作、熟悉實際工作、進而發(fā)現(xiàn)問題并提出新的解決方法的基礎(chǔ)，而實踐教學(xué)是培養(yǎng)實踐能力的最直接、最有效的方法，其主要作用就是引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識與實際相結(jié)合，形成“學(xué)習(xí)-實踐-再學(xué)習(xí)-再實踐”的良性循環(huán)。本課程充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源、計算機資源等優(yōu)勢條件，通過大量案例分析和多學(xué)科知識交叉，讓學(xué)生理解化工過程的復(fù)雜性及合理解決方案的積極意義。同時，本課程還緊密依托校企合作基地，陸續(xù)開展了研討、講座、參觀等形式多樣的教學(xué)活動，讓學(xué)生走出課堂、走出學(xué)校，通過實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、運用所學(xué)知識進行工程設(shè)計的創(chuàng)新能力、開發(fā)能力、獨立分析問題和解決問題的能力，從而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。除此之外，第二課堂是第一課堂的延伸和有益補充，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，提高大學(xué)生綜合素質(zhì)，鍛煉大學(xué)生操作技能、實踐能力、創(chuàng)新能力的不可或缺的教育手段。本課程積極鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生將課堂知識有效融入各種科技創(chuàng)新活動、學(xué)科及文體競賽、社會實踐活動中，以進一步提高學(xué)生的基礎(chǔ)理論水平、科技創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

二、實現(xiàn)以學(xué)生為中心

以學(xué)生為中心不但充分體現(xiàn)了對人的生命意義的尊重，而且從本質(zhì)上揭示了高等教育的價值與意義。它要求教師不能只把學(xué)生當(dāng)作被動接受知識的機器，而是應(yīng)把學(xué)生作為教育活動的主體。這是由于傳統(tǒng)教學(xué)往往以教師為主體，要求在固定的時間、固定的地方內(nèi)完成固定的教學(xué)內(nèi)容，教師不得不以灌輸型教學(xué)模式來完成教學(xué)大綱規(guī)定的授課任務(wù)，這直接導(dǎo)致課程知識體系碎片化、零散化，嚴(yán)重忽視了學(xué)生作為本體的創(chuàng)造性和主動性［6］。為了徹底解決上述問題，教師在授課過程中不僅要教給學(xué)生知識，更重要的是要教給學(xué)生學(xué)習(xí)知識的方法和解決問題的能力，授人以魚不如授人以漁，充分利用師生、生生之間的傳遞、交流與互動，打破封閉課堂在時間、空間和內(nèi)容上的拘束，實現(xiàn)從重教輕學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式向教學(xué)并重的轉(zhuǎn)變［7］。在這種情況下，教師要充分喚醒學(xué)生的主體意識，積極引導(dǎo)學(xué)生從被動接受向主動認(rèn)知轉(zhuǎn)變，進一步調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，教師的主要職責(zé)也不再是灌輸已有的知識，而是要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及為學(xué)生引領(lǐng)學(xué)習(xí)方向，使學(xué)生在興趣的驅(qū)使下以及在教師的指導(dǎo)下可以有選擇地獲取知識，這樣不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，同時還培養(yǎng)了學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)、研究以及解決問題的能力。同時，以學(xué)生為中心要求教師必須認(rèn)真傾聽學(xué)生之聲、深入了解學(xué)生之需、充分滿足學(xué)生之求，在嚴(yán)格遵循學(xué)生身心發(fā)展特點和教育教學(xué)規(guī)律的前提下，針對學(xué)生個體差異因材施教，采用啟發(fā)式、討論式、案例式、對比式、情景式、互動式和專題式等多種教學(xué)方法有的放矢地進行有差別式教學(xué)，使每個學(xué)生都能揚長避短、獲得最佳的發(fā)展。實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程以高等數(shù)學(xué)和概率論為基礎(chǔ)，通過專業(yè)知識的不斷滲透和實踐經(jīng)驗的不斷積累來潛移默化地增強學(xué)生處理和解決實際生產(chǎn)問題的能力。由于本課程經(jīng)常涉及大量的公式推導(dǎo)，逐一詳細(xì)講解勢必花費大量課時，因此，提綱挈領(lǐng)地對重點內(nèi)容進行粗線條串講，畫龍點睛地對難點內(nèi)容進行針對性剖析，在充分結(jié)合我?！笆褪碧厣幕A(chǔ)上，通過啟發(fā)式和案例式教學(xué)進一步拓展上述知識點在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，這不但可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且還能夠使學(xué)生掌握最實用的實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理方法。鑒于近年來多媒體技術(shù)在教學(xué)中起到了越來越重要的作用，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程針對一些難以理解、難以記憶的知識點錄制了相應(yīng)的微課視頻，以便學(xué)生課后進一步學(xué)習(xí)和掌握。同時，由于目前所用教材側(cè)重利用Excel實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的輸入輸出、內(nèi)置函數(shù)的選擇、表圖的繪制以及分析工具庫和規(guī)劃求解的使用等，故本課程還自主開發(fā)了《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理教學(xué)輔助系統(tǒng)V1.0》專用軟件，該軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，能夠自動在線輔助學(xué)生完成教師布置的指定習(xí)題，并根據(jù)學(xué)生提交作業(yè)的情況給出有針對性的學(xué)習(xí)建議，極大地激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情和動力。

三、突出持續(xù)改進

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求建立起一種具有“評價-反饋-改進”反復(fù)循環(huán)特征的制度化、常態(tài)化評價機制，培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、教學(xué)環(huán)節(jié)都要進行評價，每個教師在持續(xù)改進中均要承擔(dān)責(zé)任，而整個持續(xù)改進的效果必須通過學(xué)生的表現(xiàn)來具體體現(xiàn)。持續(xù)改進不是對現(xiàn)有舉措的修修補補，而是需要建立相應(yīng)的長效機制，通過改進培養(yǎng)目標(biāo)來保證其始終與內(nèi)部和外部需求相吻合，通過持續(xù)性地改進畢業(yè)要求來保證其始終與培養(yǎng)目標(biāo)相一致，通過持續(xù)性地改進課程體系和教學(xué)活動來保證其始終與畢業(yè)要求相符合［8］。工程教育專業(yè)認(rèn)證的過程實際上就是一個持續(xù)改進的過程，它要求授課教師在教學(xué)過程中通過探索、實踐、改進和研究來不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量，通過對教學(xué)質(zhì)量評估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的提取、合并、深入和挖掘，找出實際教學(xué)中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)并及時整改，而整改評價結(jié)果則作為下一次持續(xù)改進的基礎(chǔ)和依據(jù)，使得教師樂于教、學(xué)生樂于學(xué)，通過這種良性的有機互動來全面提高學(xué)生專業(yè)能力和綜合素質(zhì)［9］。實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的達成度涵蓋畢業(yè)要求1.1、畢業(yè)要求4.1、畢業(yè)要求4.2、畢業(yè)要求4.3、畢業(yè)要求12.1共5個指標(biāo)點，它們的支撐權(quán)重值分別為0.10、0.25、0.25、0.25和0.15，其評價方式包括作業(yè)、報告、答辯和考試等多種形式，評價周期為3年，并將0.6000設(shè)定為達成度合格值。2015年，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的實際達成度為0.6258，這說明雖然本課程已滿足了達成度目標(biāo)值的要求，但畢業(yè)要求4中的指標(biāo)點4.1、指標(biāo)點4.2尚存在一定的薄弱環(huán)節(jié)，拉低了本課程的達成度，需要在教學(xué)過程中引起重視和完善。針對上述情況，授課教師應(yīng)主動改變教學(xué)思路，通過課堂提問、作業(yè)檢查、多媒體展示、報告撰寫等多樣化的考核手段來促進學(xué)生對于基本概念、基本理論和基本方法的掌握；同時，在日常教學(xué)活動中著重鍛煉、提高學(xué)生利用科學(xué)原理和科學(xué)方法對復(fù)雜過程問題類別、性質(zhì)等分析、判斷、抽象的能力，讓學(xué)生透過復(fù)雜現(xiàn)象準(zhǔn)確挖掘問題本質(zhì)，以期得到合理有效的結(jié)論。經(jīng)過近兩年的努力，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程2016年、2017年的實際達成度分別達到0.6759和0.7028，呈現(xiàn)出逐年提高的趨勢，這表明本課程的不斷持續(xù)改進全面調(diào)動了各方面的積極性，有效促進了學(xué)生在知識、能力、素質(zhì)等方面的綜合提升，對于學(xué)生學(xué)習(xí)及全面發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

四、結(jié)論

綜上所述，隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證的進一步深入，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程以成果導(dǎo)向為主線，為了適應(yīng)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)以及與之相對應(yīng)的畢業(yè)能力要求，筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和評價方式等諸多方面對本課程進行了系統(tǒng)改革。同時，通過不斷鞏固學(xué)生的主體地位，變“句號”課堂為“問號”課堂，使學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極參與開放課堂的構(gòu)建并享受知識的饕餮大餐。此外，工程教育專業(yè)認(rèn)證要求將持續(xù)改進的理念融入教學(xué)環(huán)節(jié)之中，針對存在的薄弱環(huán)節(jié)主動改變教學(xué)思路，充分利用校內(nèi)外輔助資源，通過構(gòu)建持續(xù)改進的質(zhì)量保障機制，不斷提升專業(yè)競爭力和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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作者：范崢 盧素紅 黃風(fēng)林 唐璇 黎小輝 單位：西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院