新工科背景下《试验设计与数据处理》研究生课程的教学改革与实践

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　　摘要：本文从新工科建设内涵出发，结合课程教学现状，以激发学生学习兴趣、调动学生主动性为思路，从授课模式、教学内容、课堂氛围和考核模式四个方面对《试验设计与数据处理》研究生课程的教学体系进行了改革和实践，显著提升了整体教学质量。
　　关键词：新工科；试验设计；兴趣；主动性；教学改革
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0118-03
　　“新工科”提出了面向工程教育的“新理念”“新结构”“新模式”“新质量”和“新体系”五大建设内涵，是基于新科技、新产业和新经济的工程教育改革新战略，是未来我国工程教育发展的新潮流[1]。在新工科建设和发展背景下，加快高等院校的课程教学改革和实践势在必行。
　　《试验设计和数据处理》是一门理论性、实践性和应用性很强的课程，是中国矿业大学矿物加工专业研究生的重要选修课程，同时也是高等学校化学化工、农学、林学、生物和食品等专业的必修课程或重要选修课程，是培养学生独立思考和解决科学研究问题能力的一个重要环节[2-6]。在新工科建设背景下，本文针对《试验设计和数据处理》课程教学现状和问题，提出了以激发学生学习兴趣、调动学生主动性为核心的改革思路，总结了围绕该改革思路所开展的教学探索、实践和取得的效果。
　　一、《试验设计和数据处理》课程教学现状
　　我校矿物加工专业在本科生阶段开设了《试验研究方法》课程，该课程是本科生的必修主干课程，旨在培养本科生的实验技能与创新能力，使本科生具有初步的研究工作能力和科学素质。同时在研究生阶段开设了《试验设计和数据处理》课程，该课程是研究生的重要选修课程，旨在进一步培养研究生独立思考和解决科学研究问题的能力。从上述的课程设置不难看出，研究生的《试验设计和数据处理》更加强调从实际科研出发，强化试验方案的设计和试验数据的分析，突出理论联系实际，解决研究生在当前科研和学位论文研究中遇到的问题。但是，在实际的研究生《试验设计和数据处理》教学过程中，往往难以达到预期的教学效果，存在一些问题亟待解决。
　　1.采用传统的传授型授课模式。讲授法作为一种传统的教学方法，在高等院校的教学活动中占有重要地位，在不同学科领域和不同层次的教学机构中依旧采用。传统课堂以教师讲授、学生学习为主，教师传授、灌输知识，学生只是被动地学习，加上这门课程难度大、公式多且枯燥，学生感到索然无味失去兴趣，学习动机不足，主动性不强，积极性不高，造成学习效果差。同时，老师以大纲和教材的目标为任务，千篇一律，教案内容过于程序化、机械化和单一化，对于《试验设计与数据处理》这种实践性强的课程来说是不合适的。此外，这种授课模式与矿物加工专业《试验研究方法》本科生课程教学方法类似，不利于进一步提升研究生理论联系实际，以及运用课程所学知识解决实际科研问题的能力。
　　2.课件教案理论性过强、缺少科研实例分析。现有的课件教案公式多、理论多、计算多、推导多，缺少与矿物加工科研试验相关的实例分析。在《试验设计与数据处理》这门课程上，老师通常是先讲解很多理论知识、公式推导，然后介绍相对应的模型及其求解方法，但很少安排案例分析，而且这些案例绝大多数不是基于矿物加工专业的科研实践。由于矿物加工专业的学科特点，要想达到对知识的灵活运用和解决实际的科研问题，现有的案例是远远不够的，课后学生在做作业时往往感觉摸不着头脑。即使是在课堂上认真听讲并作笔记的优秀学生，通过课堂以及课后的学习达到了知识上的要求，但在研究实践环节仍会感到很困难。因此，需要在课件教案内容上突出理论与实践应用方面的联系，大量增加与矿物加工专业密切相关的案例分析，通过讲解和分析大量的科研实际问题，使学生真正掌握课程知识要点，加深记忆，提高对于试验设计是否合理的主观分析能力，进而增强科研能力。
　　3.课堂教学氛围沉闷、学生参与程度较低。在实际授课过程中，学生被灌输知识，与教师的互动少，用于课堂讨论的案例和问题少，学生参与课堂讨论和交流的机会少。几十人的课堂，只有教师自己一个人在讲台上授课，学生的课堂参与度非常低，导致学生不认真听讲，跟不上教师的节奏，更有甚者不去上课。长期以来，老师侧重于理论、公式和概念，讲授占据了大部分时间，缺少激发学生兴趣、让学生参与课堂讨论的话题和方法，使学生与老师之间的互动时间和机会变得非常少，不利于调动学生的上课积极性和自主性，进一步导致了缺勤和课堂氛围差等问题。
　　4.课程考核模式单一。矿物加工专业《试验设计与数据处理》研究生课程考核只有期末闭卷考试，这一份成绩占据很大的比重。这种考核模式強调对知识和概念的记忆以及公式的推导，却忽视了对学生实践能力和创新能力的考查。作为一门研究生课程，更应该注重学生创新和实践等方面的能力。这种单纯的期末闭卷考试模式容易出现的弊端就是“重知识轻能力”，学生只需要把精力都放在抄笔记、记笔记、记重点上，并不需要考虑知识的创造性应用，就会取得不错的成绩，这恰恰违背了研究生课程需要突出创新和实践能力考核的初衷。此外，这种考核模式同样存在“重现场考核轻非现场考核”的问题，即在规定时间地点独立完成任务，取得成绩，仅通过一段很短的时间评价一门实践性和应用性较强的研究生课程是非常不合适的。
　　二、《试验设计和数据处理》课程教学改革
　　1.多元化的授课模式。教师的授课模式对学生的启迪作用至关重要，现阶段学校只重视教师的教而忽视了学生的学。学生通过授课模式的改革，既能活跃课堂的气氛，又能提高学生学习的效率。笔者提出了多元化的授课模式，即问题启发式的预习、问题解决式的复习、问题讨论式的讲授。第一步，问题启发式的预习，即在每节课堂结束以后，布置与下一节课内容相关的启发式问题，将下一节课内容以问题的形式串联成一条线索，预留出学生预习的时间，以便学生更容易掌握下节课的知识点。第二步，问题解决式的复习，即在每节课开始之前，教师先通过提问的方式，带领学生复习和巩固上节课的难点和重点，加深学生对知识点的记忆和理解。第三步，问题讨论式的讲授，即在授课期间通过提出问题、讨论问题的形式，将课堂的气氛活跃起来，要求在规定的时间内解决问题，通过讨论激发学生内心解决问题的想法和观点，形成学生主动参与课堂、“乐学、想学”的良好状态。 　　2.优化课程内容、丰富课程内容表现形式。传统课程内容枯燥乏味，无法激发学生的听课兴趣，限制了学生听课时的思考能力。笔者提出了优化课程内容、丰富课程内容表现形式的改革方法。优化课程内容，即从矿物加工专业研究生的科研实际出发，简化理论知识和公式推导的介绍，将矿物加工专业工程实例和科研实验加入教学内容，强化对实验方案设计和实验数据处理的讲解和分析，突出理论知识和实际科研的结合，加深学生对知识点的理解并提升实际运用能力。同时，从四个方面丰富课程的内容表现形式：（1）美化课件：例如美化课件图片、增加课程内容的趣味性，重点内容标红、易错点增加注释、突出重点和难点，添加逻辑示意图、提高课程内容的可理解性。（2）增加视频动画：例如通过制作视频和动画，使整个实验设计实例以视频动画的形式完整地演示，增加课堂的层次感，使学生身临其境地参与实验设计过程。（3）设置动态数据：例如在讲授正交实验设计原理时，通过设置动态数据，循序渐进地显示推导过程，避免了满屏公式、理论、计算和推导的问题，把原本枯燥无味的公式推导变得生动形象。（4）引入实物模型：例如讲解浮选柱实验设计分析时，引入浮选柱实物模型，增强学生对实验设计过程中选择因素和水平的理解。
　　3.互动式课堂激发学生兴趣、提高学生课堂参与程度。针对课堂教学氛围沉闷、学生参与程度较低的问题，笔者采用互动式的课堂参与模式，注重课堂互动，通过分组讨论、案例分析、个人报告的形式让学生参与到自己的实验设计中，提高学生对知识点的掌握程度，活跃课堂气氛。分组讨论、案例分析、个人报告三个环节紧密相连，最大限度地提高了学生的课堂参与度。分组讨论是将班级学生分成若干个小组，每个小组配备组长组员，每个章节授课结束后进行一次分组讨论，教师提前将讨论的专题布置下去，学生在课下进行小组讨论，在下一次课时进行现场展示，选出小组代表汇报小组讨论结果。案例分析是在学期中、学期末分两次举行，教师挑选矿物加工专业的实际科研案例，在课堂上对案例进行师生互动讨论，串联前一阶段的知识点，起到复习巩固知识点和强化知识点应用的作用。个人报告是在学期末要求学生从自己的实验研究中挑选实例，并结合课程的知识点进行理论知识的应用，解决实际科研问题。
　　4.过程化的多维考核模式。针对课程考核模式单一的问题，笔者提出了过程化的多维考核模式，即从多个方面进行考核，并强调授课过程中的考核。这种考核模式有助于激发学生学习的动力，减少对课堂和老师的抵触心理，同时可以改善教学质量、完善正負反馈系统。通过对矿物加工专业《实验设计和数据处理》研究生课程的摸索和实践，确定了以下考核模式：将原先出勤率（10%）、作业（20%）和闭卷考试（70%）的考核分配比例，调整为出勤率（10%）、作业（10%）、小组讨论（10%）、个人报告（10%）、案例分析（10%）和闭卷考试（50%）的考核分配比例。该考核模式更加注重从多个环节进行课程考核，通过不同过程环节的考核（小组讨论、个人报告、案例分析）让学生参与到学习和课堂中去，提高学生自主思考能力、动手能力以及综合应用能力，避免了以往课堂随性、考前突击、死记硬背的现象。
　　三、《试验设计和数据处理》课程教学改革实践效果
　　经过一年的改革和实践，《试验设计和数据处理》课程教学质量得到了显著提高，主要表现在以下几个方面：
　　1.学生学习效果明显提高。通过多元化的授课方式，学生学习效率得到提升，辅以更加生动形象的教案和课件，学生掌握试验设计和数据处理知识点所需的时间显著缩短。通过设置小组讨论、案例分析和个人报告，学生们可以一边学习理论一边应用实践，一边独立探索一边集体讨论，学生对课程知识要点的理解明显深化。
　　2.学生学习主动性增强、课堂气氛活跃。通过多元化的授课方式，以及设置小组讨论、案例分析和个人报告，学生们在课堂教学过程中的参与程度得到显著提升，课堂气氛活跃，学生学习的主动性增强，学生由被动学习变成主动学习，在理论知识点学习、实验方案设计和数据结果处理等各环节，均形成了以教师为主导、学生为主体的教学模式，实现了以教师教为中心向以学生学为中心的转变。此外，通过科研实例的引入以及形象动态课件的制作和使用，强化了理论知识和科研实际的深度融合，使原本枯燥无味的理论学习变得生动有趣，激发了学生学习的兴趣。
　　3.学生理论联系实际、解决科研问题能力显著提升。在课堂教学中引入科研实例分析，让学生将理论知识与自身的实际科研工作密切联系起来，加深了对知识要点的理解和掌握。在基于过程的多维考核方式激励下，通过小组讨论、案例分析和个人报告等一系列科研实践训练，学生运用理论知识解决实际科研问题的能力得到显著提升。通过本课程的学习，班级里多位学生通过运用巧妙的实验设计和有效的数据分析在国内外学术期刊上发表了多篇学术论文，有利于学生的成长和成才。
　　四、结束语
　　新工科建设对工程人才培养提出了新要求和新目标，加快高等院校的课程教学改革和实践势在必行。本文针对我校矿物加工专业《试验设计与数据处理》研究生课程的教学现状和问题，以激发学生学习兴趣、调动学生主动性为改革思路，从授课模式、教学内容、课堂氛围和考核模式四个方面对课程教学体系进行了改革和实践，提高了学生的学习效果，增强了学生的学习兴趣和主动性，锻炼了学生理论联系实际和解决实际科研问题的能力，显著提升了整体教学质量，对新工科背景下类似课程的教学改革具有一定的指导作用和借鉴意义。
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