生物工程專業試驗設計與數據處理課程教學對策論文
作者：許彬薛剛李慧星 臧普
摘要試驗設計與數據處理是一門應用廣泛的技術課程,主要解決工藝控制、過程優化模擬等工程問題,是生物工程專業課程之一,具有實用性強、內容繁復、初學者難于記憶和靈活運用等特點。從課堂教學出發,闡述了該課程在應用型工科院校生物工程專業中的教學對策。
關鍵詞生物工程專業;試驗設計與數據處理;教學對策
作為地方本科院校,將教學目標定位于培養應用型人才,是提高學校競爭力、突出辦學特色的關鍵。南陽理工學院生物工程專業立足于自身教學條件,積極將培養模式與南陽地區經濟特點相結合,緊密圍繞南陽市支柱產業——生物制藥和工業發酵,發展工業微生物菌種選育、發酵工藝調控和中藥材藥用成分提取分離為主攻方向的專業特色。畢業生主要在科研開發、生產監控、質量檢測等方向就業,工作中經常涉及到工藝控制、過程優化模擬、質量檢測控制等問題。對于這些實際問題若不進行科學的試驗方案設計和數據結果分析,將很難在短時間、低成本內得到正確的結果。因此,有必要對生物工程專業學生開設相關課程。
試驗設計與數據處理是一門應用領域相當寬廣的現代技術課程,主要介紹工程技術和科研試驗中常用的試驗設計與數據處理方法。通過對本課程的學習,學生能夠掌握試驗設計和數據處理的基本原理和方法,為后續教學環節如專業試驗、畢業論文和今后在工作中開展產品工藝優化、質量管理等工作的順利進行打下良好基礎。該門課程教學內容主要包括2個方面:試驗設計和數據處理。試驗設計部分主要是讓學生掌握設計試驗的方法,能做到在有限的試驗條件下,用最少的試驗量獲得盡可能多的信息;數據處理部分主要是讓學生學會對實驗結果采用合理、有效的分析方法,從而發掘出潛在的、有用的信息[1]。
為了提高試驗設計與數據處理的教學質量,培養學生的學習興趣,增強學生應用的能力,筆者對試驗設計與數據處理的教學研究做了很多努力和嘗試,現將幾點教學心得體會歸納如下。
1、講好緒論,強調課程的重要性
緒論就像是一部電影的開場,直接影響著整門課程的教學效果,好的開場才能吸引學生的注意力,激發其學習興趣。試驗設計與數據處理是統計學在生物領域的應用,是一門應用技術學科,在緒論中不僅要介紹學科發展的歷史,還應該清晰展示課程的內容體系及本門課的任務和作用,重點介紹要學習什么、知識點之間有什么聯系、這些知識可以幫助解決什么問題、該如何學習等。在緒論中應多列舉一些利用本門課程的知識解決實際問題的例子來強調本門課程的重要性,如在畢業實踐環節,將試驗設計和數據分析的知識用于畢業論文的設計和撰寫中,以求論文結構的系統性和試驗結果的科學性。在走向科研工作崗位后,利用試驗設計和數據分析的知識合理設計科研方案、分析結果,以求在低成本、短時間內完成任務。通過這些例子來明確學生的學習目的,激發其學習興趣。
2、重在培養應用能力
應用性本科培養的是運用科學理論從事高技術工作的應用型專門人才,在培養規格上以行業需求為本位,注重知識的復合性、現時性和應用性。培養出的人才應具備綜合運用理論知識和方法解決實際問題的綜合能力和實踐能力,并兼備技術創新能力[2]。因此,在教學內容組織和知識側重點的處理上應以結合專業特色、適應行業需要為主旨。試驗設計與數據處理是以統計學原理為基礎的學科,其原理部分涉及到高等數學、概率論和線性代數的知識,這部分內容在基礎課程中已有詳細講述。因此,教學重點放在各種試驗設計方法和數據處理方法的具體應用上,而方法的理論推導過程可以作為學生自學內容。如講解方差分析時,將重點放在方差分析的具體步驟上,而偏差平方和分解過程的推導則作為自學內容;在正交試驗設計及分析部分,教學側重點主要放在如何使用正交表及如何對正交試驗結果作恰當的分析上,而對于正交表的構成原理、特點僅作簡要介紹。
3、選擇合適的例題,做到熟能生巧
試驗設計與數據處理的應用領域非常廣泛,不僅用于生物,還應用于化工、食品、機械加工制造等領域。為了讓學生正確理解和掌握知識,在舉例說明時應選擇試驗設計與數據處理在本學科的應用實例。面向生物工程專業的學生時,結合生物工程專業的特色,主要從菌種選育條件、發酵工藝控制、目標產物分離等方面選擇相應的例子,最好是專業試驗或科研中的真實問題,如淀粉酶產生菌選育方案的設計、乳酸發酵條件的確定、茶多酚提取工藝的優化,這有助于學生了解本門課的應用領域,激發學生學習本課程的興趣,調動學生的積極性和主動性。
對于應用技術學科,關鍵是能將書本上的知識應用自如。對于試驗方案設計方法,如正交試驗設計、均勻試驗設計、回歸旋轉試驗設計、SN比試驗設計等方法,要求能夠根據試驗周期的長短、原料易得性、條件控制難易、待考察因素水平的數量等實際情況,選擇合理可行的試驗方案設計(下轉第33頁)
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方法。對于所得數據結果,要求能夠采用正確的分析方法,發掘出有用的信息。數據分析方法部分有很多公式,如偏差平方和的分解公式、回歸系數的求解公式等,若要做到靈活運用課程的知識,就必須加強公式的記憶,因此多做練習是必要的。雖然現在有很多軟件能解決計算問題,但是還要求學生掌握各種分析方法的分析過程,這些都需要在教學中安排一定的練習量,使學生熟能生巧。
4、把握前沿知識,擴展學生視野
試驗設計與數據分析的方法種類多樣,在本科教學階段主要要求學生掌握單因素試驗設計、正交試驗設計和均勻試驗設計等方案設計方法,極差分析、方差分析和回歸分析等數據分析方法。這些內容是本門課程的基本內容,但并不是本學科的全部知識。為了讓學生充分認識本學科的重要性,可以在教學學時允許條件下,補充知識點,開拓學生的視野。如向學生介紹旋轉試驗設計及其分析方法,指出它的作用和優勢;對于解決多指標問題的試驗設計和分析時引入主成分分析方法的知識[3];在對回歸方程求解最優解時引入遺傳算法的理論[4];對于試驗問題建模分析時引入神經網絡建模方法[5]。這些試驗設計和分析方法很多都是近幾年才應用到生物工程領域的,在要求學生牢固掌握基本知識的前提下,引入前沿知識有助于拓寬知識面,在今后的學習和工作中能更好地發揮學生的能動性。
5、重視上機環節
試驗數據的處理計算量很大,完全依靠手算既浪費時間又容易出錯。而現在有多種軟件,它們可以對數據作各種分析,并能夠在短時間內得到準確的結果。因此,應重視上機環節,要求學生至少掌握1種統計軟件的使用方法,學會用軟件繪圖、計算,并能正確理解分析結果。例如SPSS是一個功能全面的統計分析軟件,操作界面友好,易學易用,廣泛應用于自然科學、社會科學領域[6]。在教學過程中安排適當學時進行上機操作,要求學生能夠使用軟件進行平均數假設檢驗、方差分析、多重比較、回歸分析等操作,不僅能增強知識的掌握程度,還可以激發學生的學習興趣,獲得良好的教學效果。
6、參考文獻
[1] 薛剛,郭書賢.優化試驗設計及統計分析法[M].武漢:湖北人民出版社,2004.
[2] 徐理勤,顧建民.應用型本科人才培養模式及其運行條件探討[J].高教探索,2007(2):57-60.
[3] 曹定華.多元分析基礎[M].北京:科學出版社,2001.
[4] 雷英杰,張善文,李續武,等.MATLAB遺傳算法工具箱及其應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2005.
[5] 葛哲學,孫志強.神經網絡理論與MATLABR2007實現[M].北京:電子工業出版社,2008.
[6] 薛薇.SPSS統計分析方法及應用[M].北京:電子工業出版社,2004.
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