党 丹 刘文举 申艳敏
(河南工业大学 化学化工学院,河南 郑州 450001)
教育部自2017年起连发多项通知,目的是应对新经济的挑战,培养新兴领域工程科技人才,改造升级传统工科专业,满足产业需求,面向未来发展,服务“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等国家重大战略,在“卓越工程师教育培养计划”的基础上,对工程科技人才提出了更高要求,工科类院校迫切需要加快工程教育改革创新[1,2]。同时在教育教学质量方面提出了开展多维度的教育教学质量评价的要求。“实验设计与数据处理”课程作为一门工程科技人才必须掌握的工具课,在工科类高校培养工程科技创新和产业创新人才中发挥着重要作用,不断发展和创新该课程的教学体系,对新工科人才全面能力的培养意义重大。
“实验设计与数据处理”课程是基于自然科学研究方法论领域的通用技术,是国内外许多大学化工、机械、食品、医药等专业的必修基础课程。该课程的培养目标是能够在化工研究、化工设计、化工计算等工作中开发或选用合适的仪器装备、信息资源、化工模拟软件等现代工具协助解决复杂工程问题,并能够理解这些现代工具的局限性。通过学习本课程,学生能够掌握科学的方法去设计实验、处理数据、预测结果、优化方案,利用所学方法对专业实验和毕设实验数据进行科学分析、建立模型,并能在大学生创新创业项目、挑战杯、互联网+、学科竞赛等比赛中熟练运用,逐渐增强科研创新能力和技术应用能力。该课程的特点是公式多、计算量大、知识点多、逻辑性强、计算机软件运用多等,以数理统计和概率论为基础,内容多且枯燥,课时较少。以我校化工专业为例,“实验设计与数据处理”理论教学仅为10学时,上机实践仅为8课时。如何在课时少、内容多的条件下培养学生熟练应用这门工具课,提高学生的科技创新能力和工程思维能力,是该课程教学改革需要解决的主要问题。
1 教学中存在的问题
1.1 教学理念
以往的教学中,过多关注学生的考试及格率,缺乏对学生主体性的认识,对学生兴趣及主动性重视不够,缺乏对教学行为的反思。教学内容仅限于课本上的案例分析,多学科交叉融合的理念不够深入,导致学生处理实际问题的能力得不到提升。
1.2 教学模式
教学模式相对单一,主要采用传统的教师传递-学生接受式,教师直接控制教学过程,学生处于被动接受状态。尽管这种模式能够在较短时间内快速传递给学生较多的内容,但学生吸收消化的知识有限,且不能与教师产生良好互动,难以达到预期效果。
1.3 教学方法
由于课时少,教学方法通常采用讲授法,教师通过采用PPT课件讲解基本概念、推导过程、例题分析等进行教学,速度较快,效率较高。但这种方法的弊端也很明显,由于本门课程的内容较多且枯燥,学生容易走神,甚至产生厌学情绪。多样化教学改革是提高教学效率和激发学生学习兴趣的必要途径。
1.4 课程评价
目前的课程评价主体较为单一,主要由平时作业(30%)和期末考试成绩(70%)组成。这种评价方式只能看到学生解决问题的结论,而没有重视学生得出结论的过程,难以全面评价学生的能力提升情况。
2 课程设计
2.1 课程目标设计
2.1.1 知识目标
培养学生独立设计实验,并结合学科特点对实验结果进行分析和处理的能力。学生能够理解实验设计的科学原理,掌握正交试验设计方法,以及对实验结果进行数据处理和分析。具体来说,掌握实验误差来源、分类和误差分析方法,能对实验中存在的各种误差进行分类讨论,并了解减少各类误差的不同方法;掌握单因素、双因素无重复和双因素重复实验结果的方差分析步骤;掌握最小二乘法对实验结果进行回归分析的方法,建立模型,并对模型进行统计学检验,判断影响因素主次顺序,并能利用模型对同类实验进行预测,指导具体方案的实施;掌握正交试验设计的数学原理和多因素实验的正交试验设计,能利用直观分析法确定单指标和多指标实验的优选方案;熟练掌握实验设计的基本原理和方法,能根据实际情况,独立设计正交试验并分析实验结果;能够熟练使用Excel、Origin等数据处理软件对实际案例进行分析和判断。
2.1.2 能力目标
通过课程的学习,学生能够利用所学知识对专业实验数据进行分析和处理,灵活融合不同学科的知识,并能够在毕业设计实验中根据导师要求进行实验方案的设计和数据处理;能够在大学生创新创业项目、挑战杯、互联网+等比赛中,熟练运用所学知识完成比赛,具备团队协作和实践创新能力;增强学生逻辑思维、创造思维、批判性思维和系统思维能力。
2.1.3 素质目标
使学生在化工专业的学习中能够具备专业素养,包括科学思维方法、科学研究方法、开拓创新意识和工程思维能力。
2.1.4 价值塑造
课程的教学将加强学生的专业责任感和使命感,强化学生的工程伦理和职业道德教育;培养学生正确的“三观”、踏实务实的专业精神、严谨的科学态度、精益求精的大国工匠精神和科技创新精神。
2.2 课程内容设计
按照化工专业“实验设计与数据处理”大纲要求设计,见表1。
表1 教学大纲内容及学时分配
2.3 课程思政设计
在教学过程中通过隐形渗透式、专题嵌入式和延伸学习式等方法,将教学内容与课程思政进行融合,加强学生的工程伦理教育,培养学生精益求精的大国工匠精神,激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[3-5]。例如,在本课程的发展历史中,我国数学家王元和方开泰首先提出了均匀设计,使得能用较少的实验点获得最多的信息,极大降低了时间成本和经济成本。激励学生提升创新能力,培养专业自信心和爱国情怀。在学习实验误差时,给同学们介绍在化工生产过程中由于个人操作失误导致的生产事故,提醒学生要加强求真务实的科学态度,生产过程无小事,强化安全生产意识。在讲授正交试验设计时,鼓励学生采用科学方法,敢于创新,以最省的成本投入获取最大的经济效益。引导学生在工程实践中挖掘影响性能的因素,对影响因素进行优化与改进,培养科学创新精神。
2.4 教学方法设计
不同于以往以教师为主体的讲授方式,该课程采用以学生为主体,采用自学-辅导式、引导-启发式、情境-陶冶式、小组讨论式、团队协作式等方法充分调动学生的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣。在上课前,将一些艰涩难懂的基本概念以微课的形式放到超星学习通上,设置任务点,让学生提前自学相关内容,上课时随机提问同学,根据预习效果调整教学进度。以实际案例为切入点,引导学生自主思考,根据学生的互动情况,启发进一步思考和总结。例如,在学习回归分析时,用化工生产中常见的合成氨过程,引导学生思考影响转化率的主要因素有哪些?温度和压力是如何影响转化率的?对回归模型如何进行方差分析?通过启发式提问,逐步引导学生思考回归分析的完整步骤。在大作业环节,要求学生分组完成,使用以往做过的专业实验数据,采用正交试验设计方法进行数据处理,在翻转课堂上分享团队合作成果,提升学生的成就感,增强学习主动性。
2.5 教学手段设计
借助多媒体播放PPT、原理动画和传统板书有机结合,并在智慧课堂上进行Excel、Origin等数据处理软件的操作演示,提高学生的学习兴趣。利用超星学习通、雨课堂、QQ学习讨论群等进行线上自学、提交作业、签到、测验和答疑等手段,全方位帮助学生掌握学习内容,拓展学习能力。针对学生的创新创业项目、挑战杯、互联网+等比赛中遇到的问题,采用专题讨论的方式,与同学们一起探索讨论,提高学生解决实际问题的能力。
2.6 课程考核设计
提高平时成绩和大作业的比例,降低理论考试成绩占比,其中,平时作业20%、课堂讨论10%、大作业20%、期末考试50%。加强过程考核,全面系统地考查学生的学习情况,提高学生的综合素质,鼓励学生合理分配课程的学习时间。
3 改革成效
通过以上几点教学实践,在教学资源上完成了线上线下混合教学资料库的筹备,形成了微课、实际案例、专题讨论等教学资源体系,使课程教学内容更加丰富,化工专业学科融合性更强,实现了化工专业中该课程的教学目的。学生的学习兴趣也有了极大提升,对化工专业其他学科的学习有了更深入的认识,真正掌握了这门工具课。教师通过不断创新和总结,教学能力和指导能力有了显着提升,能够将新技术、新成果有效地融入教学过程,真正实现了师生共同成长的愿景。
4 结语
在新工科背景下对化工专业“实验设计与数据处理”的教学改革探索,提高了学生的专业学习兴趣,加强了学生的创新能力,提升了学生的工程实践能力。同时,使学生意识到新工科中的学科交叉、科教融合的教育理念,培养了学生的跨学科思维和创新意识,达到了本课程改革的教学效果。
