“实验设计与数据处理”课程教学改革的探索与实践

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　　[摘 要] 深化研究生课程教学改革、提升课程教学质量是提高研究生培养质量的关键。结合可持续建筑环境研究生的“实验设计与数据处理”课程教学，分析了课程教学内容改革、优化教学方法、教材建设与师资队伍建设等存在的问题。探讨了实验设计与数据处理优质课程建设、课程教学改革的思路与途径。
　　[关键词] 课程建设;研究生;培养质量;教学改革
　　[基金项目] 2017年度重庆大学重点课程项目（201704031）;重庆大学优质课程项目（02010011044119/111）
　　[作者简介] 翁庙成（1981—），男，湖北蕲春人，工学博士，重庆大学土木工程学院副教授，主要从事建筑环境与能源应用工程专业理论      与教学研究。
　　[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）34-0195-03    [收稿日期] 2019-11-17
　　 一、引言
　　实验设计与数据处理是一种科学合理地安排实验进程和分析实验数据的通用方法，是自然科学方法论领域中一个重要的分支学科，也是科研工作者必备的基本技能。课程“实验设计与数据处理”则是一门以数理统计、概率论以及专业知识为基础，理论与实践相结合的综合性、应用型课程。实验设计与数据处理涵盖领域广宽、内容庞大而复杂，且具有鲜明的专业特色[1]。
　　教育部关于改进和加强研究生课程建设的意见提出了加强研究生课程建设[2]。优质课程建设是推进研究生教育创新计划的重要内容[3，4]。如何结合专业和学科特点，系统地研究“实验设计与数据处理”课程的教学内容、教学方法，改革研究生课程教学体系显得尤为重要。在教学中根据学科特点与专业特色，选择适当教学方法、教学模式和授课内容，从而推动人才培养质量的提升，满足国家和地方经济发展的需要。
　　课程组针对建筑环境类学科研究生培养目标，提出“实验设计与数据处理”课程教学内容;优化教学方法，提高应用性、实践性教学在课程教学中的分量;强化国内外实验设计与统计分析专业软件的应用，培养研究生创新实验设计方案的能力，从而提高课程教学质量，激发学生的科学研究的兴趣，提升学生的自主创新能力与从事科学研究的素质。
　　二、课程定位和教学目标
　　“实验设计与数据处理”是一门理论和实践紧密结合，实用性很强的工具课、方法课。课程主要介绍工程技术和科学研究中试验设计与数据处理的方法。实验误差部分要求学生熟悉误差概念，掌握实验数据中可疑数据的取舍方法及常用的数据处理方法;析因实验部分要求学生掌握判断因素是否显著的方法;实验数据整理、建立实验数学模型的一般方法、实验数据的回归与相关分析部分要求学生掌握数据处理的方法;正交试验设计部分要求学生在多因素、多水平试验时熟练使用正交试验法解决问题。
　　要求学生达到的知识目标是掌握实验设计和数据统计分析的基本原理和基本方法。能力目标是熟练掌握数理统计、试验设计（正交设计）以及数据分析（方差分析、回归分析等）等内容，具备实际动手操作和利用计算机撰写课程论文的手段，达到能独立完成实验设计的基本要求，并具备独立进行科学研究的基本素质和能力。
　　课程目标旨在培养学生设计和组织实验方案的初步能力，培养学生分析实验数据与处理数据的基本能力。课程教学设计围绕科学研究工作中实验设计的原理、方法，不断扩展深化教学内容。通过课程的学习，将加深研究生对实验设计与数据处理的基本理论的理解，充分认识实验方案设计、数据处理方法在科学研究中起的重要作用，为在课题研究的科研实验、毕业论文及今后工作中开展科学研究打下良好的基础。使从事科研工作的研究生具有一定的科学研究素养。
　　三、课程教学内容改革
　　“实验设计与数据处理”课程担负着传授知识和发展能力的任务，不仅是一门专业基础课，也是一门工具课程，因而课程教学内容的改革是非常重要的。课程组在教学中，加强课程内涵建设，不断更新教学内容，及时将科研和教学成果转化为教学内容，提高课程建设水平。课程教学内容的改革，主要有以下几个方面。
　　（一）突出应用性和实用性
　　实验设计与数据处理以统计学原理为基础，其原理涉及高等数学、概率论和线性代数等，部分内容在基础课程中已经讲述。因而，教学内容则注重各种实验设计方法和数据处理方法的具体应用上，而理论的推导过程则作为学生自学内容。在教学内容组织和知识侧重点的处理上，结合建筑环境专业特色、适应行业需要为主导。课程教学内容中引入建筑环境实验中常用物理量测试方法，如温度、湿度、风速等物理量的测试。教学内容强调“实验设计与数据处理”在专业中的应用，从建筑环境专业实验测试中遇到的问题引入误差等基本概念，注重内容的系统性、理论性和实用性。
　　（二）合理组织教学内容
　　课程涉及两个部分内容：实驗设计和数据处理。对于建筑环境类的研究生来讲，其主要的科研工作包括实验设计、收集和分析实验结果。主要用到的统计学方法有T检验、F检验、卡方检验等方差分析，以及一元线形回归和正交试验设计等。
　　数据处理部分主要讲述误差分析、方差分析以及回归分析;实验设计部分重点讲述正交实验设计方法。
　　组织调整优化理论教学内容，力求深入浅出，侧重应用。如在讲述误差分析方法中的T检验、F检验、卡方检验时，侧重这些方法的对比与联系。在教学中，多选用期刊论文中与建筑能源环境专业的实例来说明数据分析方法。实验设计与数据分析方法多样，在课程教学中，除了介绍基本内容，需要引入实验设计与数据处理发展的前沿知识。结合课题研究中新的问题，说明实验设计与数据处理的新方法。如对于解决多目标问题建模时，引入主成分分析方法;如在回归分析方法求解优化解时，引入遗传算法的理论;实验问题进行建模分析时，引入神经网络建模方法等。不局限于课程基本内容，把握可持续建筑环境、建筑节能与热环境领域的前沿知识;同时，增加如“基于遗传算法的建筑节能多目标优化”建筑节能与建筑热环境领域研究论文的讲解，扩展学生的学术视野。 　　（三）加强实践性环节
　　在课程内容讲解过程中，引入了实践环节。现在有多种软件，如Excel，SPSS统计软件，可以对数据做各种分析，并可以得到准确的结果。在课程教学中，配合理论课程内容，引入计算软件在实验设计与数据处理中的应用，如引入Excel中线性回归分析的介绍。要求学生至少学会一种软件的使用方法，学会分析结果。
　　让学生参与科研项目中，如以建筑能耗为例，设计正交实验。建筑能耗的主要影响因素有：围护结构性能、建筑体形系数、建筑朝向、建筑围护结构性能等。每个影响因素有四个水平，试用正交实验来设计实验方案。通过与专业精密相连的实验设计，加深对正交设计的理解，并能灵活应用到实践中。
　　四、优化教学方法，提高教学效果
　　（一）注重教学方法
　　课程“实验设计与数据处理”理论性强，公式多，例子中表格复杂，用板书表达速度慢，课程教学采用多媒体教学与传统教法相结合，采用多种教学方法，除传统的授课方式，逐步引入课堂专题讨论或小组汇报等新的教学方式。
　　通过课堂教学实例化具有理论联系实际的特点，可以对建筑环境中的典型案例作重点剖析，从而加深学生对教学内容的理解，并能让学生学会用理论知识去分析、判断和解决问题。
　　（二）注重思维与训练
　　“实验设计与数据处理”课程教学大纲中涉及的知识点较多，完全依赖课堂讲授知识点不现实也没有必要。将教学大纲中的各个知识点进行提炼、优化并重新组织，以案例形式归纳总结，注重学生思维能力与实践能力的培训。
　　目前课程已有的教学案例有：实验影响因素案例、方差与标准差案例、t检验案例、方差分析案例、正交实验案例等。理论—案例并行的课程内容，紧密围绕建筑环境与能源应用科学研究中遇到的实际问题，丰富教学内容：高度重视学习能力与创新能力的培养，拓宽学生视野。
　　（三）注重互动与反馈
　　实验设计与数据处理课程涉及概率论、数理统计中的知识，数学推导较为复杂。课程教学中注意增加设计一些师生互动、同学互动的环节，可以强化学生对课程内容的理解。教师在授课前布置相关知识点并推荐专业相关的文献，让学生提前预习，在课程教学中带着问题学习。
　　注重教学内容的课堂组织，探讨交互式的教学模式。在课程教学中，引入专业相关的文献，以方差分析、正交实验为基础，增加科研论文的讲解。探讨教学内容的交互即理论与实践问题的交互、师生的互动（学生参与方式、师生互动方式）、学习场所的交互（课堂内、外的交互）以及教学过程的交互（教学的推进过程与教学回顾）。
　　通过建立课程QQ、微信群、网站讨论论坛等多种信息沟通平台，做到教师与学生的有效互动，深入交流。教学中资料上传、课程讨论、与学生互动等教学活动，利用QQ群完成。
　　（四）注重课程资源建设
　　课程教学资源与时俱进，及时跟进可持续建筑环境与建筑节能领域研究中最新研究方法。PowerPoint制作了课程教学课件，并进行了优质课程网站建设。学生可以通过网络教学资源进行学习。
　　通过对课程教学资源的不断完善和更新，增强了研究生学习的主动性、积极性和探索性，使学生更容易掌握课程重点、难点，提高教学效果。
　　五、教材建设与师资队伍建设
　　本课程教材采用田胜元编著的“实验设计与数据处理”，该书出版年代较早，知识更新不足。课程组在原教材基础上，进行课程内容重组，编写了新的课程讲义，有机融入学科前沿，体现“互联网+”时代课程教材的内涵。讲义重点介绍了常用的实验设计及实验数据处理方法在建筑环境科学研究和生产中的实际应用，列举典型实例，重点介绍了误差分析、多因素优化实验设计——正交设计、回归分析方法等。在经过修改完善以后，拟出版体现可持续建筑环境与建筑节能研究前沿性和先进性、适合现代建筑环境专业研究生课程教学的教材。
　　在课程负责人的带领下，吸引科研能力强、具有创新精神和受学生欢迎的青年教师加入，建设一支老中青结合的队伍。课程组教师均具有博士学位，且有海外经历。教学团队定期组织教学活动，探讨教学内容、切磋教學方法，积极参与教改项目和国内外教学研讨会，不断改进教学方法。通过课程教师出国培训、学术交流，聘请海外专家讲学，不断整合教师资源，使课程教学始终保持良好的知识前沿性。经过建设，教学团队是一支能用双语教学，把握专业领域前沿的、理论与实践相结合的高质量的教学队伍。
　　六、完善考核制度
　　由于“实验设计与数据处理”课程自身的特点，在考核方式与成绩评定方式上与本科课程及研究生其他理论课程存在很大的不同。该课程设置闭卷或开卷考试与课程论文相结合的考核方式。成绩构成由平时成绩和期末考试与课程论文组成，平时成绩可由课堂提问、课堂分析和讨论等组成，约占总成绩30%。期末除了理论考试外，要求每位同学根据自身课题的特点，进行实验设计与数据分析的方法，以课程论文的形式进行提交。通过增加考核环节，可综合评价学生的学习效果，带动学习的主动性和积极性。
　　七、存在问题及改进
　　实验设计与数据处理是一门理论与实践相结合、实用性很强的课程，通过教学改革，重视实践教学，培养学生的科学探索精神与创新能力，探讨研究生培养质量的提升与过程控制，从而推进了精品课程的建设。
　　在目前的教学改革中，通过思考与尝试，学生对课程的重视程度和学习兴趣得到了提升，还存在如下问题需要进一步探索。
　　1.课程内容较多，学时少;如何解决这一矛盾，提高教学效率。
　　2.课程内容理论抽象、含有较多的抽象概念、公式，如何应用现代教学手段和方法提升教学效果。
　　3.如何将现代信息化技术融入课堂教学中，使课程教学能更好地提升研究生综合素质与能力。
　　参考文献
　　[1]田胜元，萧曰嵘.实验设计与数据处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.
　　[2]教育部关于改进和加强研究生课程建设的意见[R].中华人民共和国教育部，2014-12-05.
　　[3]李玉兰，吕俊杰.研究生优质课程立项建设的思考[J].高等建筑教育，2012，21（01）：37-40.
　　[4]廖寅飞.新工科背景下《试验设计与数据处理》研究生课程的教学改革与实践[J]，教育教学论坛，2019（32）：118-120.
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