“實驗設計與數據處理”教學設計與實踐

劉紅梅， 李可意， 韓永萍， 侯春娟

（北京聯合大學生物化學工程學院，北京 100023）

0 引 言

“學生中心、成果導向、持續改進”的成果導向教育（Out-Based Education，OBE）理念是工程教育認證的核心理念，學生的學習成果包括學校學習成果（培養目標）、專業學習成果（畢業要求）、課程學習成果（課程目標）、單元學習成果和課堂學習成果等不同層級［1-2］。成果導向的課程教學設計是中國工程教育專業認證從“形似”向“神似”轉變的關鍵，是中國工程教育認證的“最后一公里”［3］。OBE 教學理念如果不能在課程層面落實，將會使整個OBE教學體系失去其建構基礎和內在的合理性，沒有進入課程層面的教育改革難以取得實質性成效［4］。OBE 教學理念只有落實在課程層面才能實現從專業人才培養目標到課程教學的上下一致貫通［2］。

“實驗設計與數據處理”是理工科專業的專業基礎課程，是利用現代統計學理論知識和實驗設計方法解決實驗過程問題的一門學科：實驗方案設計、工藝參數的顯著性檢驗、影響因素的主次分析、工藝參數優化等涉及實驗方案的有效設計和實驗數據的科學處理［5-7］等系列問題；化工、制藥、生物、食品等相關專業課程學習、畢業環節、學生讀研以及畢業后從事的研究性工作均涉及實驗方案設計和實驗數據處理。因此，該課程的學習成效，對學生解決復雜工程問題能力的提升、畢業要求和培養目標的達成都至關重要。本教學團隊依據課程所支撐的畢業要求，結合學生學情，以學生的學習成果為導向，重新進行教學設計，引入項目式教學法，實施“工藝優化驅動教學”的教學改革，圍繞課程目標的達成構建形成性考評體系，全面評估課程目標的達成［8］。

1 傳統教學中存在的問題

1.1 理論教學與實踐訓練脫節

傳統上，“實驗設計與數據處理”或者是單純的理論課，或者是以理論教學為主，實踐學時占比不到20%。老師在傳統課堂完成以知識原理講授及繁雜公式推導為主要內容的理論教學，再輔以課后作業進行訓練，理論與實踐脫節，學生課堂參與度低［9-11］。而“實驗設計與數據處理”課程涉及誤差理論、概率論、數理統計、線性代數等數學知識，正交試驗設計、均勻試驗設計、正交回歸試驗設計等眾多理論和方法，同時還會用到Excel、Origin、SPSS、DPS 等多種數據處理工具。因此，缺乏實踐支撐的課程教學，難以取得理想的教學效果，會影響課程目標的達成。

1.2 教學案例與專業脫節

實驗方案設計與數據處理結果的分析和解讀需要針對具體的對象。傳統教學中采用的例題或教學案例多來自教材，與學生所學專業脫節，缺少針對專業實驗項目的實驗設計和數據處理訓練。因此，學生不了解所學課程對后續專業課程的支撐、所學內容與專業發展之間的關系，學習興趣缺失。

“實驗設計與數據處理”課程的學習成效對學生科研實踐、專業綜合設計性實踐環節、畢業論文乃至將來的科研工作都至關重要。由于課程在教學內容、教學組織等方面存在與專業脫節的現象，學生無法將所學的知識和原理與“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”“畢業論文”等環節的具體實驗項目進行有機融合。如在專業課程實驗、專業綜合實驗等教學環節，有不少學生無法針對具體實驗對象設計實驗方案，只能按部就班執行老師給定的方案，設計性訓練無從談起。在畢業論文環節，雖然同學能夠采用單因素實驗結合正交試驗優化實驗方案，但僅采用簡單的圖表反映實驗結果，缺少對實驗數據的深入挖掘和分析，正交試驗缺乏必要的影響因素顯著性分析，缺少實驗數據的模擬和實驗結果的預測分析，因而所獲得的實驗結論的論據不足。這勢必影響相關課程的教學目標達成，從而影響課程所支撐的畢業要求的達成。

2 反向教學設計

“實驗設計與數據處理”的課程教學采用反向設計、正向實施和反饋［8，12-13］。教學團隊依據課程所支撐的畢業要求觀測點設計課程目標，圍繞課程目標的達成整合教學內容和教學資源、設計教學方法、組織教學活動、收集考核數據、實施達成情況評價，并依據評價結果進行持續改進，從而形成“實施－評價－反饋－改進”的閉環。課程的教學設計思路如圖1 所示。

圖1 “實驗設計與數據處理”課程教學設計思路

2.1 課程目標

OBE教學理念強調學生的學習成果，對課程而言就是課程目標，而課程目標取決于其所支撐的畢業要求觀測點。因此，任課教師首先必須明確課程與畢業要求觀測點的支撐關系，基于畢業要求觀測點設計課程目標，這是開展OBE驅動的工程教育課程教學創新設計的關鍵。

我校制藥工程專業的“實驗設計與數據處理”支撐3 個畢業要求觀測點，即“觀測點4-3”“觀測點5-3”“觀測點10-2”，教學團隊圍繞這3 個觀測點設計教學目標?！皩嶒炘O計與數據處理”的課程目標及其所支撐的畢業要求觀測點及課程目標定位如表1 所示。

表1 “實驗設計與數據處理”課程目標及其支撐的畢業要求和觀測點

2.2 基于課程目標的教學設計

“實驗設計與數據處理”的教學內容較多，涉及誤差分析、極差和方差分析、回歸分析等數據處理的基礎知識，以及正交試驗設計、均勻設計、回歸正交試驗設計等實驗設計方法等內容，知識點散而雜，公式多而繁，如果學生統計學基礎不夠扎實，則會感覺晦澀難懂，從而失去學習興趣。另一方面，本課程是一門實用性較強的課程，關鍵在于應用知識和原理解決實際工程問題，并對實驗數據處理結果進行分析和解讀。

教學團隊從應用出發，引入“工藝優化驅動教學”的項目式教學法。課上，將涵蓋實驗方案設計、實驗數據處理和方案優化的“灰樹花多糖提取工藝優化”科研項目引入課堂教學，以提取工藝的優化設計驅動課堂教學。課下以小組為單位，結合“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”等教學環節的實踐成果，完成針對具體對象的實驗方案設計和數據處理訓練。在進行教學設計時，圍繞課程目標重新梳理教學內容，根據內容特點采用跨課程聯動、問題引導、案例教學、項目教學、實踐訓練、成果分享等多種教學方法開展教學。在考核評價方面，除隨堂訓練、課下實踐外，引入實踐成果的口頭展示和視頻解說、課程大作業、分組答辯等多種考核方式，對學生的學習成效實施形成性多元化考核評價。各課程目標的主要學習內容、教學特點、教學活動及評價方式等見表2 所示。

表2 “實驗設計與數據處理”基于課程目標的教學設計

3 提取工藝優化設計，驅動課堂教學

教學團隊將“灰樹花多糖提取工藝優化”引入課堂教學，引導學生通過文獻調研確定實驗指標和實驗因素，完成單因素和雙因素實驗的方差分析和回歸分析，采用正交實驗設計、均勻設計、回歸正交試驗設計等方法優化提取工藝，提出優化結果的驗證方案。

課前，老師通過云班課提供課上實踐需要用到的實驗數據；課上，老師通過課堂討論、案例分析等形式講授方法，學生分組實踐消化吸收，具體實施過程如表3 所示。

4 基于真實需求的實踐訓練

在實施“工藝優化驅動教學”的課下實踐過程中，最大的困惑來自實驗數據的獲取，因為本課程不涉及具體的實驗過程，無法通過具體實驗獲取相關實驗數據，服務于課程教學。如果僅從文獻獲取數據或直接給學生提供數據，有點紙上談兵，教學效果會大打折扣。而專業任課教師在指導學生進行專業課程的綜合設計實驗、專業綜合性實驗以及科研實踐的過程中，發現學生的實驗方案設計和數據處理的能力存在不足。

為解決這一問題，專業內部打通課程壁壘，“實驗設計與數據處理”聯合“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”等教學環節實現跨課程教學聯動，由“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”等環節提供實驗項目任務和實驗平臺，由“實驗設計與數據處理”課程提供實驗方案設計和實驗數據處理指導，從而對學生進行完整的實驗方案設計、實驗開展、實驗數據采集、實驗數據統計分析、實驗結果表達等實踐訓練，加強對學生解決復雜工程問題能力的培養，支撐畢業要求的達成。

如圖2 所示，跨課程教學聯動包括以下4 個階段：

圖2 跨課程教學聯動設計

（1）開課前，指導教師根據課程目標確定授課方案，發布教學任務、分組要求、實驗項目選題指導等，指導學生針對具體實驗對象進行文獻調研，確定實驗指標、實驗因素和實驗水平，初選分析方法和實驗方法。一般4 人一大組，2 人一小組。

（2）任課教師指導學生針對具體實驗對象設計單因素、雙因素實驗方案，根據實驗對象特點選擇正交試驗設計、均勻設計或回歸正交試驗設計優化實驗方案。

（3）指導教師指導學生按照設計方案開展實驗，采集實驗數據。

（4）任課教師與指導教師從以下4個方面指導學生進行實驗方案設計和數據統計分析：

①提取方法優選。有效成分的提取方法一般包括水提、醇提、超聲輔助提取、微波輔助提取、雙水相提取、復合酶輔助提取等。每個小組選定其中的一種方法進行單因素實驗，獲取實驗數據；每個大組的2 個小組選用不同的提取方法，2 個小組共享數據，采用雙樣本等方差／異方差假設的t檢驗對兩組實驗結果進行分析，判定兩種提取方法的結果是否存在顯著性差異，并根據檢驗結果選定一種提取方法。

②單因素和雙因素方差分析。通過對單因素實驗和雙因素實驗結果進行方差分析，基于方差分析結果，對實驗因素影響的顯著性進行分析，為實驗方案設計和優化提供數據支撐。

③實驗設計和方案優化。根據實驗對象、實驗因素和水平數選擇正交試驗設計、均勻設計或回歸正交試驗設計，設計實驗方案，安排實驗，采集數據；采用多項式回歸分析擬合實驗數據，方差分析結合復相關系數檢驗回歸方程的顯著性，偏回歸系數的t檢驗結合F檢驗判斷偏回歸系數的顯著性、實驗因素影響的主次關系，預測實驗結果，規劃求解優化實驗方案。

④表達實驗結果：采用常規圖表、等高線圖、響應曲面圖等表達實驗結果。

5 課程目標達成情況評價

5.1 課程目標達成期望值

依據北京聯合大學有關學生考核合格標準、學位授予績點要求、課程性質、學生學情、考核難度等，將課程目標的達成合格標準值設定為0.60，達成期望值設定為0.70。

5.2 課程目標達成情況評價

制藥工程專業2019 級“實驗設計與數據處理”課程目標達成情況為例進行說明，各課程目標以及課程總體達成結果見圖3 ～4。

圖3 課程目標達成情況

圖3 達成結果表明所有課程目標和總體教學目標均達到預期教學目標。在這3 個教學目標中，課程目標2 的達成值較低，說明學生使用現代工具解決實際工程問題的能力還有待進一步加強。

由圖4 可以看出，每個課程目標都有未達成同學。課程目標1 有3 位同學未達成，說明這些同學在綜合運用知識原理設計實驗方案、分析處理實驗數據等方面存在短板。課程目標2 有4 位同學未達成，說明這些同學在利用現代工具獲取專業信息、分析處理實驗數據等能力有待加強。課程目標3 有5 位同學未達成，說明這些同學在用專業術語口頭或書面闡述實驗設計思路、展示設計成果等方面存在不足。

圖4 課程目標達成情況分布

5.3 持續改進

為進一步改進教學，教學團隊向2019 級制藥工程專業的同學發放調查問卷39 份，回收問卷39 份，回收率100%，問卷調查結果如圖5 所示。由調研結果可知，學生對教學過程中采取的①理論學習與操作實踐并行，②跨課程教學聯動，③案例教學，④課堂直播等教學方法給予了肯定，學生對理論學習和操作實踐并行的這種教學模式和跨課程教學聯動的認可度分別高達72.41%和70.14%。在課堂教學互動頻次和實踐強度設計上，部分學生認為還不夠，希望有更多的實踐機會，但過多的課堂互動和實踐成果展示也給部分學生帶來了一定的壓力。

圖5 學生對課程所采用教學方法的反饋結果（多選題）

結合課程目標達成情況，教學團隊在繼續推進理論教學和操作實踐并行、跨課程教學聯動、案例教學、師生互評等教學活動的同時，還將進一步優化教學設計和課堂互動策略，根據學生的實際情況，提供個性化的學習指導和實踐訓練，在訓練學生解決復雜工程問題高階能力的同時，兼顧基礎薄弱的同學，為他們提供促進知識內化吸收的基礎訓練，以促進低階知識目標和中階應用能力目標的達成。

6 結 語

OBE教學理念在課程層面的落實，是體現以學生為中心和成果為導向的教育價值轉型和模式轉型的關鍵一環［14］?！皩嶒炘O計與數據處理”教學團隊基于OBE教學理念重新對課程進行整體設計，依據其所支撐的畢業要求觀測點設計課程目標，圍繞課程目標達成整合教學內容和教學資源、設計教學方法、組織教學活動。為加強學生針對具體制藥問題設計實驗方案、處理實驗數據的能力培養，引入“工藝優化驅動教學”的項目式教學法。與“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”等教學環節實現跨課程聯動，由“專業課程實驗”“專業綜合實驗”“科研實踐”等環節提供實驗設計和數據處理的任務需求以及相關實驗數據，“實驗設計與數據處理”課程的課下分組實踐完成“專業綜合實驗”“科研實踐”等環節的實驗方案設計與實驗數據處理。通過課上“工藝優化驅動教學”、課下“跨課程教學聯動”進行的針對具體對象的“實驗方案設計和數據處理”實踐訓練，學生對文獻查閱、單因素實驗、雙因素實驗、工藝優化實驗設計方法及實驗數據處理過程和結果表達等有了系統全面的訓練，這對學生畢業論文的順利開展以及未來的研究工作都有極大的裨益，也有利于培養學生的實踐創新能力。