實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學研究

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［摘要］在工程教育專業(yè)認證的大背景下，結(jié)合我校實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程的實際情況，圍繞化學工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)目標，從畢業(yè)生應具備的相關(guān)能力要求著手，以成果導向為目標，以學生為中心，以持續(xù)改進為突破口，通過一系列教學改革主動強化課程體系對培養(yǎng)目標及畢業(yè)要求的支撐作用，全面激發(fā)學生學習該門課程的興趣，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)學生解決復雜化工問題的能力。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認證；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位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，通過認證的工程專業(yè)畢業(yè)生學位將得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認可，這標志著具有國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認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)認證的理念貫穿于整個教學過程中，實現(xiàn)以成果導向為目標，以學生為中心，以持續(xù)改進為突破口，構(gòu)建符合工程教育專業(yè)認證標準的人才培養(yǎng)體系是目前亟待解決的一個重要問題［2］。我?；瘜W工程與工藝專業(yè)起源于1958年的西安石油學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?；瘜W工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)教育課程，旨在使學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)學生合理設(shè)計科學實驗，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)認證，本課程充分結(jié)合自身特點，緊密圍繞化學工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)目標，從工程教育專業(yè)認證標準規(guī)定的畢業(yè)生應具備的相關(guān)能力要求著手，通過將培養(yǎng)目標細化于畢業(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，促進學生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，著力將成果導向引入課堂，實現(xiàn)以學生為中心，突出持續(xù)改進能力，嚴格按照工程教育專業(yè)認證要求進一步強化課堂教學效果，從而為實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學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、將成果導向引入課堂

所謂成果導向是指所有教學設(shè)計和教學實施的目標都是使學生通過教育過程取得一定的學習成果，而這里所說的學習成果即為學生通過某一階段的學習后所能達到的最大能力［4］。成果導向較好地闡釋了培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和課程體系之間的關(guān)系，學生、家長、教師、學校、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，培養(yǎng)目標決定了畢業(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活動、師資配置和教學資源的有力支撐［5］。與傳統(tǒng)教學模式相比，由培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程體系所形成的環(huán)環(huán)相扣的責任鏈條不但能夠更好地培養(yǎng)學生的綜合能力，同時還可以有效地圍繞學生最終成果來組織和開展教學活動，使得畢業(yè)學生具有良好的文化素養(yǎng)、社會責任感、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)，掌握自然科學和化學工程與工藝及相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識與基本理論，并有持續(xù)學習、適應發(fā)展的能力。由于學習成果的達成需要借助課程教學來實現(xiàn)，因此包括通識教育課程、學科基礎(chǔ)課程、專業(yè)教育課程和實踐教學在內(nèi)的課程體系中的每一門課程都要對學習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。通過本課程的學習，要求學生具備以下幾種能力：第一，能夠基于數(shù)學、自然科學和工程基礎(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)處理的科學思維方法和分析問題、解決問題的能力，為今后開展科學實驗研究打下堅實的基礎(chǔ)。為了促進學生取得上述學習成果，本課程充分考慮我國近年來在化學工程與技術(shù)方面的快速發(fā)展，不斷推進教學內(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)處理在化學化工中的應用》等新教材作為我校學生的教學用書，受到了學生的廣泛好評，取得了良好的教學效果。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，是學生將來適應實際工作、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學生將所學理論知識與實際相結(jié)合，形成“學習-實踐-再學習-再實踐”的良性循環(huán)。本課程充分利用學校的網(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科知識交叉，讓學生理解化工過程的復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活動，讓學生走出課堂、走出學校，通過實踐教學培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、運用所學知識進行工程設(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)應用型人才，提高大學生綜合素質(zhì)，鍛煉大學生操作技能、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學生將課堂知識有效融入各種科技創(chuàng)新活動、學科及文體競賽、社會實踐活動中，以進一步提高學生的基礎(chǔ)理論水平、科技創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

二、實現(xiàn)以學生為中心

以學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生當作被動接受知識的機器，而是應把學生作為教育活動的主體。這是由于傳統(tǒng)教學往往以教師為主體，要求在固定的時間、固定的地方內(nèi)完成固定的教學內(nèi)容，教師不得不以灌輸型教學模式來完成教學大綱規(guī)定的授課任務(wù)，這直接導致課程知識體系碎片化、零散化，嚴重忽視了學生作為本體的創(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生知識，更重要的是要教給學生學習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)從重教輕學的傳統(tǒng)教學模式向教學并重的轉(zhuǎn)變［7］。在這種情況下，教師要充分喚醒學生的主體意識，積極引導學生從被動接受向主動認知轉(zhuǎn)變，進一步調(diào)動學生學習的積極性、主動性和創(chuàng)造性，教師的主要職責也不再是灌輸已有的知識，而是要激發(fā)學生的學習興趣以及為學生引領(lǐng)學習方向，使學生在興趣的驅(qū)使下以及在教師的指導下可以有選擇地獲取知識，這樣不僅提高了學生學習的效率，同時還培養(yǎng)了學生觀察、發(fā)現(xiàn)、研究以及解決問題的能力。同時，以學生為中心要求教師必須認真傾聽學生之聲、深入了解學生之需、充分滿足學生之求，在嚴格遵循學生身心發(fā)展特點和教育教學規(guī)律的前提下，針對學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方法有的放矢地進行有差別式教學，使每個學生都能揚長避短、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，逐一詳細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)式和案例式教學進一步拓展上述知識點在實際生產(chǎn)中的應用，這不但可以提高學生學習的積極性，而且還能夠使學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的微課視頻，以便學生課后進一步學習和掌握。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生完成教師布置的指定習題，并根據(jù)學生提交作業(yè)的情況給出有針對性的學習建議，極大地激發(fā)了學生自主學習的熱情和動力。

三、突出持續(xù)改進

工程教育專業(yè)認證要求建立起一種具有“評價-反饋-改進”反復循環(huán)特征的制度化、常態(tài)化評價機制，培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、教學環(huán)節(jié)都要進行評價，每個教師在持續(xù)改進中均要承擔責任，而整個持續(xù)改進的效果必須通過學生的表現(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，而是需要建立相應的長效機制，通過改進培養(yǎng)目標來保證其始終與內(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)目標相一致，通過持續(xù)性地改進課程體系和教學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過程中通過探索、實踐、改進和研究來不斷提高課堂教學質(zhì)量，通過對教學質(zhì)量評估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行準確的提取、合并、深入和挖掘，找出實際教學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、學生樂于學，通過這種良性的有機互動來全面提高學生專業(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值的要求，但畢業(yè)要求4中的指標點4.1、指標點4.2尚存在一定的薄弱環(huán)節(jié)，拉低了本課程的達成度，需要在教學過程中引起重視和完善。針對上述情況，授課教師應主動改變教學思路，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，在日常教學活動中著重鍛煉、提高學生利用科學原理和科學方法對復雜過程問題類別、性質(zhì)等分析、判斷、抽象的能力，讓學生透過復雜現(xiàn)象準確挖掘問題本質(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，有效促進了學生在知識、能力、素質(zhì)等方面的綜合提升，對于學生學習及全面發(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)處理課程以成果導向為主線，為了適應化學工程與工藝專業(yè)的培養(yǎng)目標以及與之相對應的畢業(yè)能力要求，筆者從教學內(nèi)容、教學方法、教學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，通過不斷鞏固學生的主體地位，變“句號”課堂為“問號”課堂，使學生在教師的引導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)認證要求將持續(xù)改進的理念融入教學環(huán)節(jié)之中，針對存在的薄弱環(huán)節(jié)主動改變教學思路，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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［9］林健.工程教育認證與工程教育改革和發(fā)展［J］.高等工程教育研究，2015（2）：10-19.

作者：范崢 盧素紅 黃風林 唐璇 黎小輝 單位：西安石油大學化學化工學院