【实验设计论文】实验设计与数据处理课程教学研究(共6081字)
［摘要］在工程教育专业认证的大背景下，结合我校实验设计与数据处理课程的实际情况，围绕化学工程与工艺专业培养目标，从毕业生应具备的相关能力要求着手，以成果导向为目标，以学生为中心，以持续改进为突破口，通过一系列教学改革主动强化课程体系对培养目标及毕业要求的支撑作用，全面激发学生学习该门课程的兴趣，促使其在知识、能力、素质等方面得到综合提升，进一步培养学生解决复杂化工问题的能力。
［关键词］工程教育专业认证；实验设计与数据处理；人才培养；课程改革
工程教育专业认证作为提高我国工程教育质量的有力手段，不仅是我国工程教育发展的必然趋势，同时还是增强我国工程教育国际影响力和竞争力的必经之路［1］。工程教育专业认证制度始于美国，在历经了几十年的快速发展后，我国于2016年6月正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议《华盛顿协议》，通过认证的工程专业毕业生学位将得到《华盛顿协议》其他组织的认可，这标志着具有国际实质等效的工程教育专业认证的帷幕已在我国徐徐拉开。在此背景下，如何有效地将工程教育专业认证的理念贯穿于整个教学过程中，实现以成果导向为目标，以学生为中心，以持续改进为突破口，构建符合工程教育专业认证标准的人才培养体系是目前亟待解决的一个重要问题［2］。我校化学工程与工艺专业起源于1958年的西安石油学院石油炼制本科专业，该专业结合我国、我省能源化工的现状，坚持以化工为基础，以石油天然气化工利用为主攻方向，依托石油、煤炭等能源化工企业，为能源化工产业输送了大批优秀的专业技术人才，已成为中国西部地区、陕西区域石油化工领域的特色优势专业。该专业于2014年获批教育部“卓越工程师教育培养计划”和陕西省“专业综合改革试点”立项，并于2017年获批陕西省重点建设“一流专业”。实验设计与数据处理现为我校化学工程与工艺专业的一门专业教育课程，旨在使学生了解并掌握实验前的实验方案设计以及对实验所获得的数据进行分析和处理的基本理论和知识，培养学生合理设计科学实验，并对实验数据进行分析和处理的技能，最终达到提高学生分析问题和解决问题的能力的目的，为其后续专业实验、毕业论文环节的顺利进行打下良好的基础［3］。为了更好地服务于工程教育专业认证，本课程充分结合自身特点，紧密围绕化学工程与工艺专业培养目标，从工程教育专业认证标准规定的毕业生应具备的相关能力要求着手，通过将培养目标细化于毕业要求中，将毕业要求内化于课程体系中来构建全过程、全方位的协同育人体系，促进学生知识、能力和素质的协调发展，着力将成果导向引入课堂，实现以学生为中心，突出持续改进能力，严格按照工程教育专业认证要求进一步强化课堂教学效果，从而为实验设计与数据处理课程教学模式改革和全面提高毕业生综合素质能力奠定坚实的基础。
一、将成果导向引入课堂
所谓成果导向是指所有教学设计和教学实施的目标都是使学生通过教育过程取得一定的学习成果，而这里所说的学习成果即为学生通过某一阶段的学习后所能达到的最大能力［4］。成果导向较好地阐释了培养目标、毕业要求和课程体系之间的关系，学生、家长、教师、学校、政府和用人单位这些利益相关方的要求与期望决定了培养目标，培养目标决定了毕业要求，毕业要求决定了课程体系，而课程体系的确立则需要教学活动、师资配置和教学资源的有力支撑［5］。与传统教学模式相比，由培养目标、毕业要求、课程体系所形成的环环相扣的责任链条不但能够更好地培养学生的综合能力，同时还可以有效地围绕学生最终成果来组织和开展教学活动，使得毕业学生具有良好的文化素养、社会责任感、工程伦理道德、法治精神、现代经济及创新思维等基本素质，掌握自然科学和化学工程与工艺及相关领域的基础知识与基本理论，并有持续学习、适应发展的能力。由于学习成果的达成需要借助课程教学来实现，因此包括通识教育课程、学科基础课程、专业教育课程和实践教学在内的课程体系中的每一门课程都要对学习成果的达成具有明确的贡献和作用。实验设计与数据处理课程的主要内容包括实验数据的误差分析、实验数据的表图表示法、实验的方差分析、实验数据的回归分析、优选法、正交实验设计、均匀设计和回归正交实验设计以及配方实验设计等。通过本课程的学习，要求学生具备以下几种能力：第一，能够基于数学、自然科学和工程基础知识等，掌握方差分析和优选法的原则及方法，并将其用于解决科学实验问题；第二，利用正交实验设计、均匀设计、回归正交实验设计和配方实验设计对科学实验进行合理的规划和设计，并对实验数据进行准确的分析和处理；第三，能够通过查阅相关文献对实验误差进行正确的分析，掌握实验数据的整理方法，会基于回归分析建立合适的数学模型并对简单的模型进行参数估计，同时对实验数据进行初步处理；第四，能够根据实验设计与数据处理的基本原理、基本方法和基本手段，借助表图表示法对实验信息进行综合梳理，得到合理、可靠的正确结论；第五，培养实验设计与数据处理的科学思维方法和分析问题、解决问题的能力，为今后开展科学实验研究打下坚实的基础。为了促进学生取得上述学习成果，本课程充分考虑我国近年来在化学工程与技术方面的快速发展，不断推进教学内容的完善、整合、凝练与优化，强化章节和课程之间的衔接与更新，使本课程的专业知识更好地与实际生产过程相结合，组织教学团队的相关教师编写了《实验设计与数据处理在化学化工中的应用》等新教材作为我校学生的教学用书，受到了学生的广泛好评，取得了良好的教学效果。同时，实践能力作为综合素质的重要方面和创新人才的重要特征，是学生将来适应实际工作、熟悉实际工作、进而发现问题并提出新的解决方法的基础，而实践教学是培养实践能力的最直接、最有效的方法，其主要作用就是引导学生将所学理论知识与实际相结合，形成“学习-实践-再学习-再实践”的良性循环。本课程充分利用学校的网络资源、计算机资源等优势条件，通过大量案例分析和多学科知识交叉，让学生理解化工过程的复杂性及合理解决方案的积极意义。同时，本课程还紧密依托校企合作基地，陆续开展了研讨、讲座、参观等形式多样的教学活动，让学生走出课堂、走出学校，通过实践教学培养学生理论联系实际、运用所学知识进行工程设计的创新能力、开发能力、独立分析问题和解决问题的能力，从而全面提高学生的综合素质。除此之外，第二课堂是第一课堂的延伸和有益补充，是培养应用型人才，提高大学生综合素质，锻炼大学生操作技能、实践能力、创新能力的不可或缺的教育手段。本课程积极鼓励和指导学生将课堂知识有效融入各种科技创新活动、学科及文体竞赛、社会实践活动中，以进一步提高学生的基础理论水平、科技创新意识和工程实践能力。
二、实现以学生为中心
以学生为中心不但充分体现了对人的生命意义的尊重，而且从本质上揭示了高等教育的价值与意义。它要求教师不能只把学生当作被动接受知识的机器，而是应把学生作为教育活动的主体。这是由于传统教学往往以教师为主体，要求在固定的时间、固定的地方内完成固定的教学内容，教师不得不以灌输型教学模式来完成教学大纲规定的授课任务，这直接导致课程知识体系碎片化、零散化，严重忽视了学生作为本体的创造性和主动性［6］。为了彻底解决上述问题，教师在授课过程中不仅要教给学生知识，更重要的是要教给学生学习知识的方法和解决问题的能力，授人以鱼不如授人以渔，充分利用师生、生生之间的传递、交流与互动，打破封闭课堂在时间、空间和内容上的拘束，实现从重教轻学的传统教学模式向教学并重的转变［7］。在这种情况下，教师要充分唤醒学生的主体意识，积极引导学生从被动接受向主动认知转变，进一步调动学生学习的积极性、主动性和创造性，教师的主要职责也不再是灌输已有的知识，而是要激发学生的学习兴趣以及为学生引领学习方向，使学生在兴趣的驱使下以及在教师的指导下可以有选择地获取知识，这样不仅提高了学生学习的效率，同时还培养了学生观察、发现、研究以及解决问题的能力。同时，以学生为中心要求教师必须认真倾听学生之声、深入了解学生之需、充分满足学生之求，在严格遵循学生身心发展特点和教育教学规律的前提下，针对学生个体差异因材施教，采用启发式、讨论式、案例式、对比式、情景式、互动式和专题式等多种教学方法有的放矢地进行有差别式教学，使每个学生都能扬长避短、获得最佳的发展。实验设计与数据处理课程以高等数学和概率论为基础，通过专业知识的不断渗透和实践经验的不断积累来潜移默化地增强学生处理和解决实际生产问题的能力。由于本课程经常涉及大量的公式推导，逐一详细讲解势必花费大量课时，因此，提纲挈领地对重点内容进行粗线条串讲，画龙点睛地对难点内容进行针对性剖析，在充分结合我校“石油石化”特色的基础上，通过启发式和案例式教学进一步拓展上述知识点在实际生产中的应用，这不但可以提高学生学习的积极性，而且还能够使学生掌握最实用的实验设计与数据处理方法。鉴于近年来多媒体技术在教学中起到了越来越重要的作用，实验设计与数据处理课程针对一些难以理解、难以记忆的知识点录制了相应的微课视频，以便学生课后进一步学习和掌握。同时，由于目前所用教材侧重利用Excel实现实验数据的输入输出、内置函数的选择、表图的绘制以及分析工具库和规划求解的使用等，故本课程还自主开发了《实验设计与数据处理教学辅助系统V1.0》专用软件，该软件采用C/S结构，能够自动在线辅助学生完成教师布置的指定习题，并根据学生提交作业的情况给出有针对性的学习建议，极大地激发了学生自主学习的热情和动力。
三、突出持续改进
工程教育专业认证要求建立起一种具有“评价-反馈-改进”反复循环特征的制度化、常态化评价机制，培养目标、毕业要求、教学环节都要进行评价，每个教师在持续改进中均要承担责任，而整个持续改进的效果必须通过学生的表现来具体体现。持续改进不是对现有举措的修修补补，而是需要建立相应的长效机制，通过改进培养目标来保证其始终与内部和外部需求相吻合，通过持续性地改进毕业要求来保证其始终与培养目标相一致，通过持续性地改进课程体系和教学活动来保证其始终与毕业要求相符合［8］。工程教育专业认证的过程实际上就是一个持续改进的过程，它要求授课教师在教学过程中通过探索、实践、改进和研究来不断提高课堂教学质量，通过对教学质量评估的关键数据进行准确的提取、合并、深入和挖掘，找出实际教学中可能存在的薄弱环节并及时整改，而整改评价结果则作为下一次持续改进的基础和依据，使得教师乐于教、学生乐于学，通过这种良性的有机互动来全面提高学生专业能力和综合素质［9］。实验设计与数据处理课程的达成度涵盖毕业要求1.1、毕业要求4.1、毕业要求4.2、毕业要求4.3、毕业要求12.1共5个指标点，它们的支撑权重值分别为0.10、0.25、0.25、0.25和0.15，其评价方式包括作业、报告、答辩和考试等多种形式，评价周期为3年，并将0.6000设定为达成度合格值。2015年，实验设计与数据处理课程的实际达成度为0.6258，这说明虽然本课程已满足了达成度目标值的要求，但毕业要求4中的指标点4.1、指标点4.2尚存在一定的薄弱环节，拉低了本课程的达成度，需要在教学过程中引起重视和完善。针对上述情况，授课教师应主动改变教学思路，通过课堂提问、作业检查、多媒体展示、报告撰写等多样化的考核手段来促进学生对于基本概念、基本理论和基本方法的掌握；同时，在日常教学活动中着重锻炼、提高学生利用科学原理和科学方法对复杂过程问题类别、性质等分析、判断、抽象的能力，让学生透过复杂现象准确挖掘问题本质，以期得到合理有效的结论。经过近两年的努力，实验设计与数据处理课程2016年、2017年的实际达成度分别达到0.6759和0.7028，呈现出逐年提高的趋势，这表明本课程的不断持续改进全面调动了各方面的积极性，有效促进了学生在知识、能力、素质等方面的综合提升，对于学生学习及全面发展起到了至关重要的作用。
四、结论
综上所述，随着工程教育专业认证的进一步深入，实验设计与数据处理课程以成果导向为主线，为了适应化学工程与工艺专业的培养目标以及与之相对应的毕业能力要求，笔者从教学内容、教学方法、教学手段和评价方式等诸多方面对本课程进行了系统改革。同时，通过不断巩固学生的主体地位，变“句号”课堂为“问号”课堂，使学生在教师的引导下积极参与开放课堂的构建并享受知识的饕餮大餐。此外，工程教育专业认证要求将持续改进的理念融入教学环节之中，针对存在的薄弱环节主动改变教学思路，充分利用校内外辅助资源，通过构建持续改进的质量保障机制，不断提升专业竞争力和人才培养质量。
［参考文献］
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［6］李志义.解析工程教育专业认证的学生中心理念［J］.中国高等教育，2014（21）：19-22.
［7］牛连强，冯海文.关于高校课程教学开展形成性评价的思考：基于工程教育专业认证背景［J］.大学教育，2017（9）：192-195.
［8］李志义.解析工程教育专业认证的持续改进理念［J］.中国高等教育，2015（Z3）：33-35.
［9］林健.工程教育认证与工程教育改革和发展［J］.高等工程教育研究，2015（2）：10-19.
作者：范峥 卢素红 黄风林 唐璇 黎小辉 单位：西安石油大学化学化工学院