基于工程教育专业认证的化工专业“实验设计与数据处理”教学实践

晋 梅，邹琳玲，吴宇琼，刘红姣，安 良

（1.江汉大学光电材料与技术学院，湖北 武汉 430056；2.江汉大学智能制造学院，湖北 武汉 430056）

“实验设计与数据处理”是以概率论、数理统计及线性代数为基础，能够对实验进行合理设计，并采用恰当方法对实验数据进行处理，以得到有效结论的一门课程，也是在科研过程中应具备基本技能的一门课程[1-2]。基于工程教育专业认证，化学工程与工艺专业学生通过本课程的学习，应掌握常用的实验设计及数据处理方法，并在解决复杂化学工程问题过程中会选用适当的方法设计实验，对获得的实验数据进行处理、分析、建模，以获得合理有效的结论。

目前，“实验设计与数据处理”教学过程中，主要存在的问题：课程教学内容与专业课程之间的关联度较弱，对专业人才培养的支撑力度稍显不足；课程中涉及到数学内容多，公式多，数学基础弱的学生学习积极性不高等等[3]。因此，结合化工专业人才培养目标，为了更好为学生开展综合性或设计性实验、毕业论文（设计）以及科研工作打下坚实基础，在课程教学探索与实践中对教学内容进行优化设计，采用多元化教学方法和教学手段，强化实验设计与统计分析专业软件的实践应用，注重学生解决复杂化学工程问题的思维能力训练，以提高课程教学质量，激发学生学习兴趣，提升学生创新意识和科研基本素养，对课程目标和毕业要求的达成进行有效支撑。

1 体现专业特色的教学内容优化设计

化学工程与工艺专业具有自身的专业特点：一是工程特色显著，要求学生具有设计、优化与管理能力；二是专业口径宽，覆盖面广，培养学生具有从事科学研究、产品开发的能力。从专业课程的学习中可知，专业主干课程中涉及到大量经验和半经验公式，导致数据处理过程繁琐且计算量大。因此，相比于其他专业或学科来讲，化工科研和设计工作中离不开计算机软件及技术。结合这一特点，教学中拓展计算机软件的应用，如Excel和Origin 等常用数据处理软件，STATISTICA、SPSS、MATLAB 和MAPLE 等化工计算软件，Aspen Plus、PRO II 和HYSYS 等化工流程模拟软件，以及FLUENT、CFD 和COMSOL等化工流体力学计算软件等。

众所周知，化学工业过程以经济效益最大化为目标，在实际的研究过程中，常通过实验室研究建立能准确反映其生产状况的过程模型，在此基础上，对生产过程进行工艺操作条件优化，提高产品质量的同时降低能耗及生产成本。因此，过程模型是对化工过程进行控制、优化、调度、管理等工作的前提和基础[4]。鉴于此，在教学中将化工中数学模型的建立纳入教学内容。

另外，对于“概率论与数理统计”课程中已经学过的教学内容，在本课程教学中进行了删减。表1 为“实验设计与数据处理”授课内容和课时分配。

表1 “实验设计与数据处理”授课内容和课时分配

2 多元化教学方法和教学手段

“实验设计与数据处理”课程教学内容分为实验设计与数据处理两部分，内容繁杂且多，同时涉及到的数学公式多，理论性强，在教学中采用多元化教学方法和手段，激发学生的学习兴趣和主动性，提高课程教学质量。

PBL教学法，即以问题为基础，以学生为主体，以教师为导向，通过教师“问”和学生“答”，发挥问题对学习的导向作用，以“问题”激发学生学习主动性和积极性，以“回答”培养学生自主学习能力和探究能力。如在实验数据回归分析教学中，针对反应动力学数据的回归，所提出的问题可涉及到基础性问题“针对实验数据应建立什么样的回归方程？模型参数采用什么样的方法进行回归？”与专业知识关联度大的交叉性问题“建立机理模型的回归方程还是黑箱的线性代数模型回归方程？”以及拓展性问题“回归出的方程能否用于化学反应中的预测和控制问题？”通过一系列问题的提出和回答，学生在掌握所学理论知识的基础上，将所学知识用于解决专业问题，鼓励学生“学以致用”。另外，在“问-答”互动环节中，通过教学反馈掌握学生学情，及时开展教学反思，调整教学方法和手段，更好地体现“学生中心、成果导向和持续改进”的工程教育专业认证的核心理念。

案例教学法在教学中具有理论联系工程实践的特点，如结合环己烷氧化脱氢制取环己烯动力学模型研究案例，结合专业背景知识，确定该研究案例的教学思路为“探讨反应机理→选择动力学模型→设计动力学实验→实施实验→获取实验数据→求取动力学模型参数→验证动力学模型可靠性检验→采用建立的模型进行预测与控制”。在教学中，将本课程的“实验设计”和“数据处理”两部分教学内容全部贯穿于该研究案例中。通过此案例教学，在深刻体会“实验设计-数据处理-实验设计”内涵的同时，提升学生学会用理论知识分析、判断和解决问题的能力，培养学生创新思维和创新意识，训练学生解决复杂化学工程问题的思维能力。

为了更好地体现“学生中心”理念，本课程同时上线“超星学习通”教学平台，内容包含教学ppt、化工常用计算机软件介绍、上机软件教程以及测验等教学资源；另外，还通过讨论和留言等互动板块，师生间建立良好的教学互动，强化课程教学效果。

3 强化上机实践操作与软件应用

随着计算机技术发展与普及，一方面，计算机软件做为辅助教学也越来越成为课程教学和实际应用的发展趋势；另一方面，在科研中可通过借助计算机软件将复杂的实验设计与数据处理分析变得简便易操作，利于提高工作效率。

以课程教学内容为根本，结合化工专业学生科研、综合性/设计性实验和毕业论文（设计）等环节的实际需要，课程上机环节设置了“化工数据处理软件应用”以及“化工实验设计-数据处理综合应用”实践任务。为了达成课程目标和学生能力培养，上机实践环节按照“三步走”原则开展教学：首先，确定上机实践软件，即所选用的计算机软件应具有代表性，如要求通过Excel 对化工数据进行简单处理，Origin 软件进行数据绘图、统计假设检验、回归分析及数据拟合，SPSS软件进行正交实验设计、统计假设检验以及回归分析，DPS 软件进行均匀实验设计等，体现“基本技能”课程的内涵，并通过自学和熟悉软件，锻炼学生的自主学习能力；其次，本着“学以致用”原则，布置与专业结合度高的上机实践任务，如根据动力学实验数据建立某一反应的机理模型或根据实验数据绘制符合论文发表图例等简单任务，或根据研究目的采用恰当的软件进行实验设计，并对获得的实验数据采用合适的数据处理方法进行数据处理等综合任务，体现“工具”课程的特点，并通过综合任务训练学生在解决复杂化学工程问题时的思维能力；最后，按照规定的格式规范要求撰写上机实践报告，体现专业术语进行交流和沟通的必要性，训练学生应用专业术语进行写作的能力。

4 结束语

基于工程教育专业认证，依据“实验设计与数据处理”课程性质和课程目标，在教学中，结合化学工程与工艺专业特点，对课程教学内容进行优化设计，推动化工专业人才培养质量的提升；采用多元化教学方法和手段，激发学生的学习兴趣和主动性，促进“学以致用”；强化计算机软件的实践应用，培养学生创新实验设计方案的能力。通过一系列教学实践，激发了学生的学习兴趣，提升了学生创新意识和科研基本素养，提高了课程教学质量，对化学工程与工艺专业人才培养目标进行了有效支撑。