新工科背景下化工專業“實驗設計與數據處理”教學改革與實踐

黨 丹 劉文舉 申艷敏

(河南工業大學 化學化工學院,河南 鄭州 450001)

教育部自2017年起連發多項通知,目的是應對新經濟的挑戰,培養新興領域工程科技人才,改造升級傳統工科專業,滿足產業需求,面向未來發展,服務“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等國家重大戰略,在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上,對工程科技人才提出了更高要求,工科類院校迫切需要加快工程教育改革創新[1,2]。同時在教育教學質量方面提出了開展多維度的教育教學質量評價的要求?！皩嶒炘O計與數據處理”課程作為一門工程科技人才必須掌握的工具課,在工科類高校培養工程科技創新和產業創新人才中發揮著重要作用,不斷發展和創新該課程的教學體系,對新工科人才全面能力的培養意義重大。

“實驗設計與數據處理”課程是基于自然科學研究方法論領域的通用技術,是國內外許多大學化工、機械、食品、醫藥等專業的必修基礎課程。該課程的培養目標是能夠在化工研究、化工設計、化工計算等工作中開發或選用合適的儀器裝備、信息資源、化工模擬軟件等現代工具協助解決復雜工程問題,并能夠理解這些現代工具的局限性。通過學習本課程,學生能夠掌握科學的方法去設計實驗、處理數據、預測結果、優化方案,利用所學方法對專業實驗和畢設實驗數據進行科學分析、建立模型,并能在大學生創新創業項目、挑戰杯、互聯網+、學科競賽等比賽中熟練運用,逐漸增強科研創新能力和技術應用能力。該課程的特點是公式多、計算量大、知識點多、邏輯性強、計算機軟件運用多等,以數理統計和概率論為基礎,內容多且枯燥,課時較少。以我?；I為例,“實驗設計與數據處理”理論教學僅為10學時,上機實踐僅為8課時。如何在課時少、內容多的條件下培養學生熟練應用這門工具課,提高學生的科技創新能力和工程思維能力,是該課程教學改革需要解決的主要問題。

1 教學中存在的問題

1.1 教學理念

以往的教學中,過多關注學生的考試及格率,缺乏對學生主體性的認識,對學生興趣及主動性重視不夠,缺乏對教學行為的反思。教學內容僅限于課本上的案例分析,多學科交叉融合的理念不夠深入,導致學生處理實際問題的能力得不到提升。

1.2 教學模式

教學模式相對單一,主要采用傳統的教師傳遞-學生接受式,教師直接控制教學過程,學生處于被動接受狀態。盡管這種模式能夠在較短時間內快速傳遞給學生較多的內容,但學生吸收消化的知識有限,且不能與教師產生良好互動,難以達到預期效果。

1.3 教學方法

由于課時少,教學方法通常采用講授法,教師通過采用PPT課件講解基本概念、推導過程、例題分析等進行教學,速度較快,效率較高。但這種方法的弊端也很明顯,由于本門課程的內容較多且枯燥,學生容易走神,甚至產生厭學情緒。多樣化教學改革是提高教學效率和激發學生學習興趣的必要途徑。

1.4 課程評價

目前的課程評價主體較為單一,主要由平時作業(30%)和期末考試成績(70%)組成。這種評價方式只能看到學生解決問題的結論,而沒有重視學生得出結論的過程,難以全面評價學生的能力提升情況。

2 課程設計

2.1 課程目標設計

2.1.1 知識目標

培養學生獨立設計實驗,并結合學科特點對實驗結果進行分析和處理的能力。學生能夠理解實驗設計的科學原理,掌握正交試驗設計方法,以及對實驗結果進行數據處理和分析。具體來說,掌握實驗誤差來源、分類和誤差分析方法,能對實驗中存在的各種誤差進行分類討論,并了解減少各類誤差的不同方法;掌握單因素、雙因素無重復和雙因素重復實驗結果的方差分析步驟;掌握最小二乘法對實驗結果進行回歸分析的方法,建立模型,并對模型進行統計學檢驗,判斷影響因素主次順序,并能利用模型對同類實驗進行預測,指導具體方案的實施;掌握正交試驗設計的數學原理和多因素實驗的正交試驗設計,能利用直觀分析法確定單指標和多指標實驗的優選方案;熟練掌握實驗設計的基本原理和方法,能根據實際情況,獨立設計正交試驗并分析實驗結果;能夠熟練使用Excel、Origin等數據處理軟件對實際案例進行分析和判斷。

2.1.2 能力目標

通過課程的學習,學生能夠利用所學知識對專業實驗數據進行分析和處理,靈活融合不同學科的知識,并能夠在畢業設計實驗中根據導師要求進行實驗方案的設計和數據處理;能夠在大學生創新創業項目、挑戰杯、互聯網+等比賽中,熟練運用所學知識完成比賽,具備團隊協作和實踐創新能力;增強學生邏輯思維、創造思維、批判性思維和系統思維能力。

2.1.3 素質目標

使學生在化工專業的學習中能夠具備專業素養,包括科學思維方法、科學研究方法、開拓創新意識和工程思維能力。

2.1.4 價值塑造

課程的教學將加強學生的專業責任感和使命感,強化學生的工程倫理和職業道德教育;培養學生正確的“三觀”、踏實務實的專業精神、嚴謹的科學態度、精益求精的大國工匠精神和科技創新精神。

2.2 課程內容設計

按照化工專業“實驗設計與數據處理”大綱要求設計,見表1。

表1 教學大綱內容及學時分配

2.3 課程思政設計

在教學過程中通過隱形滲透式、專題嵌入式和延伸學習式等方法,將教學內容與課程思政進行融合,加強學生的工程倫理教育,培養學生精益求精的大國工匠精神,激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[3-5]。例如,在本課程的發展歷史中,我國數學家王元和方開泰首先提出了均勻設計,使得能用較少的實驗點獲得最多的信息,極大降低了時間成本和經濟成本。激勵學生提升創新能力,培養專業自信心和愛國情懷。在學習實驗誤差時,給同學們介紹在化工生產過程中由于個人操作失誤導致的生產事故,提醒學生要加強求真務實的科學態度,生產過程無小事,強化安全生產意識。在講授正交試驗設計時,鼓勵學生采用科學方法,敢于創新,以最省的成本投入獲取最大的經濟效益。引導學生在工程實踐中挖掘影響性能的因素,對影響因素進行優化與改進,培養科學創新精神。

2.4 教學方法設計

不同于以往以教師為主體的講授方式,該課程采用以學生為主體,采用自學-輔導式、引導-啟發式、情境-陶冶式、小組討論式、團隊協作式等方法充分調動學生的積極性和主動性,激發學生的學習興趣。在上課前,將一些艱澀難懂的基本概念以微課的形式放到超星學習通上,設置任務點,讓學生提前自學相關內容,上課時隨機提問同學,根據預習效果調整教學進度。以實際案例為切入點,引導學生自主思考,根據學生的互動情況,啟發進一步思考和總結。例如,在學習回歸分析時,用化工生產中常見的合成氨過程,引導學生思考影響轉化率的主要因素有哪些?溫度和壓力是如何影響轉化率的?對回歸模型如何進行方差分析?通過啟發式提問,逐步引導學生思考回歸分析的完整步驟。在大作業環節,要求學生分組完成,使用以往做過的專業實驗數據,采用正交試驗設計方法進行數據處理,在翻轉課堂上分享團隊合作成果,提升學生的成就感,增強學習主動性。

2.5 教學手段設計

借助多媒體播放PPT、原理動畫和傳統板書有機結合,并在智慧課堂上進行Excel、Origin等數據處理軟件的操作演示,提高學生的學習興趣。利用超星學習通、雨課堂、QQ學習討論群等進行線上自學、提交作業、簽到、測驗和答疑等手段,全方位幫助學生掌握學習內容,拓展學習能力。針對學生的創新創業項目、挑戰杯、互聯網+等比賽中遇到的問題,采用專題討論的方式,與同學們一起探索討論,提高學生解決實際問題的能力。

2.6 課程考核設計

提高平時成績和大作業的比例,降低理論考試成績占比,其中,平時作業20%、課堂討論10%、大作業20%、期末考試50%。加強過程考核,全面系統地考查學生的學習情況,提高學生的綜合素質,鼓勵學生合理分配課程的學習時間。

3 改革成效

通過以上幾點教學實踐,在教學資源上完成了線上線下混合教學資料庫的籌備,形成了微課、實際案例、專題討論等教學資源體系,使課程教學內容更加豐富,化工專業學科融合性更強,實現了化工專業中該課程的教學目的。學生的學習興趣也有了極大提升,對化工專業其他學科的學習有了更深入的認識,真正掌握了這門工具課。教師通過不斷創新和總結,教學能力和指導能力有了顯著提升,能夠將新技術、新成果有效地融入教學過程,真正實現了師生共同成長的愿景。

4 結語

在新工科背景下對化工專業“實驗設計與數據處理”的教學改革探索,提高了學生的專業學習興趣,加強了學生的創新能力,提升了學生的工程實踐能力。同時,使學生意識到新工科中的學科交叉、科教融合的教育理念,培養了學生的跨學科思維和創新意識,達到了本課程改革的教學效果。