摘要总结了食品学科试验方法学课程开设的必要性、存在问题、教学内容优化以及教学的实践与设想,以为今后教学改革提供参考。
关键词食品学科试验方法学;课程教学;教学实践
中图分类号G642.0文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)10-0025-02
ExplorationandPractice of Food Science Experimental MethodologyTeaching
WU Xiao-zong
(Zhengzhou Institute of Light Industry,Zhengzhou Henan 450002)
AbstractIn the paper,the necessity,problem,content optimization and practice of food science experimental methodology were summarized to provide a reference for further teaching reform.
Key wordsfood science experimental methodology;curriculum teaching;education practice
试验方法学(试验设计与数据处理)是自然科学研究方法论领域中一个分支,是以概率论、数理统计、专业技术知识和实践经验为基础,对试验进行科学、经济安排,并对试验结果计算分析,最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找出优化方案的一种科学方法。试验方法学也是一门理论和实践结合紧密、实用性很强的课程,它为以后从事科学研究、工程试验、工程设计工作的学生提供基本的训练,培养学生正确确定科研、工程试验方案和进行数据处理的能力[1]。
食品学科是涵盖农副产品贮藏加工、生物科学、农业工程和轻工业等学科的综合性、交叉型学科,具有原料广泛性、加工工艺的多样性和加工质量控制的重要性等特点。这些特点决定了进行食品学科试验和生产实践中,对试验的合理设计和科学安排的注重,注意试验过程的正确运转,保证试验结果的可靠性和准确性,并进行科学正确的统计分析,以便于正确揭示事物的本质,得出科学的结论[2]。20世纪80年代以来,世界食品工业飞速发展,食品科学研究朝着自动化生产、计算机应用、系统工程、生物酶技术、基因工程等高新技术发展,逐步脱离了传统的加工方法,体现了科学化、集约化生产的特色,也对食品科学研究的试验设计和统计方法提出更高的要求。食品的试验研究已经由简单的假设测验、方差分析发展到多元分析、优化设计等高级试验设计分析方法,愈加显出试验方法学在食品科学研究中的重要性。
1课程开设的必要性
试验设计方法是一项工程技术人员必须掌握的技术方法。它要求科学地安排试验方案,以最少的人力和物力消费,在最短的时间内取得更多、更好的生产和科研成果。试验设计在工业生产和工程设计中能发挥重要的作用,主要有:提高产量;减少质量的波动,提高产品质量水准;大大缩短新产品试验周期;降低成本;试验设计延长产品寿命。该课程的开设为大学生将来从事科学研究或新产品研发等实际工作奠定了理论和实践基础。
2存在的问题
该课程因为涉及统计学知识,需要具备深厚的概率论基础知识,而概率论较为抽象,学生普遍掌握程度不高;同时统计学涉及大量的计算,通常需要用计算机软件来完成,故必须具备一定的计算机软硬件知识及实际操作能力,所以对于大多数学生来说,对该课程的理解和掌握并不容易。
2.1教学安排问题
不同院校试验方法学课的课程性质不同,有些是必修课,有些是限选课,有些是公共选修课,让感兴趣的同学自由选择。由于选修课可以自主选择,也可以放弃学分,因此学生对选修课的态度普遍不如对必修课认真,这就造成教学效果相对较难提高。课时数不同,分别为20、30、40、50学时等。另外,开设课程时间也有不同,分别在大二、大三和大四时开设,致使学生对该课程在知识储备、使用迫切性以及将来需求等方面的掌握和了解较少。
2.2实际需求与课程脱节问题
由于没有对该课程进行科学研究,不知道试验方法学可以解决什么问题。而该课程所具有的内容多、公式多、计算多、图表多等,决定了课程本身的繁杂性,这样造成课程对学生的吸引力降低,教师虽然付出大量的心血进行课前准备和课堂教学,但在学生眼里枯燥乏味、难以理解,导致教师厌教、学生厌学。
2.3内容问题
传统的试验方法学教学内容侧重于数学原理的论述,实际应用例子太少,可操作性差。而该课程实际是应用科学,教学内容的编排应围绕实际技能的培养进行。由于学生已进行过《高等数学》《概率论与数理统计》等课程的学习,具备一定的数学基础。因此,为了节省教学时间,对公式和定理的分析、推导一带而过,不着重强调;降低理论深度,着眼于理论知识的实际应用,深入浅出,以点带面,使学生领悟教学内容。
3课程教学的内容优化
3.1引入试验设计发展史
为了使学生明确学习目的,有必要在课堂教学中引入试验设计发展史。例如:1949 年,日本电讯研究所研制的“线形弹簧继电器”,运用正交设计技术,对数十个特性值、2 000 多个变量进行研究,制造出比竞争对手美国西方电器公司先进、价廉的产品,给该所带来几十亿美元的效益[3]。1978 年原七机部在进行某项产品的试验设计时,须考虑5 因素31 水平,且要求试验次数不能超过50 次。5因素31水平可能的试验次数多达2 800 多万次,为研究其数学模型曾试用国外的方法,长时间得不到理想的结果,而运用“正交设计”方法,5 因素31水平的试验次数为312=961。为解决该难题,我国著名的数理统计专家方开泰与数论专家王元合作,将数论理论成功地应用于试验设计问题中,创立了一种全新的试验设计方法,即“均匀设计试验法”,运用该方法于上述试验,仅做31次,其效果便接近于2 800多万次的试验,成功解决了该难题。在讲这段历史时,学生感兴趣,不仅认识到进行该课程学习的重要性,变“要我学”为“我要学”,而且激发出强烈的爱国主义热情和努力学习的决心。
3.2重视教学内容的实用性
在试验设计基础、方差分析、回归分析、正交试验设计、均匀设计、回归正交设计、回归旋转正交试验设计等教学内容中,对基础理论不作重点阐述,强调理论在实际应用中的结果理解与现象解释的作用,重点讲解遇到什么样的研究课题需用哪种设计方法进行设计,采用什么软件对所得到的数据结果进行处理。例如:采用物理和化学结合的办法来提取酵母细胞中的海藻糖[4],先用微波处理,后用溶剂来提取。考察的因素是微波时间(min)、提取体积(mL)、提取时间(min)、提取温度(℃)(X1、X2、X3、X4)。针对这4个影响因素,每个因素安排6个水平,4 因素的取值范围分别为微波时间2.0～5.0 min;提取体积10～50 mL;提取时间10～60 min;提取温度0~100 ℃。如果采用全面试验则需64=1 296次试验,如果是正交法必须做62=36次试验,而均匀试验法6次就可以解决,所以选择均匀试验设计。对于试验结果如何处理,均匀设计法由于没有正交法整齐可比的特点,所以不能采用方差分析方法去处理,而采用回归分析的方法。
3.3加强对实用软件使用的教学
目前,具体可用于试验方法学中进行数据处理的广泛流行的软件有Mathematics[5]、SAS[6]、Minitab 、Matlab、SPSS、DPS、Origin、Design expert等。每个软件有其自己的特点,例如SPSS主要用于统计量计算,Matlab主要用于数值分析,Mathematics主要用于函数分析与计算,Origin主要用于绘图等等。另外,还有专门用于正交试验设计的正交设计助手软件,用于均匀设计的均匀分析软件,用于曲线拟合的Curve expert等专门软件。因此,该课程教学的关键是要使学生在不同方案设计中采用不同的软件处理试验结果,以提高试验的准确性和可靠性。
4课程教学的实践与设想
课程教学方法改革的总原则是:把培养创新精神和实践能力作为教学的重点;遵循现代教育以人为本的观念,给学生发展以最大的空间;在教学中应因材施教,采用多种方法,切实发挥学生的自主性和教师的促进作用。同时,通过该课程的学习,使学生能自己设计试验方案,自己动手进行数据处理。
4.1积极解决学生的思想问题
要让学生学好课程,必须确保其对课程的正确认识。笔者教学实践发现,只有通过鲜明的个案引导、启发才能使学生觉得试验方法学的学习可以解决许多难点问题,提高知识层次结构,挖掘隐含在试验数据内部的深层次要素,以保证学生有积极学习该课程的意识。
4.2在教学过程中,采用“主导—主体”的设计模式,引导学生进行自主探究,小组讨论,动手实践
引导学生进行食品学科的试验及数据处理,课后撰写技术报告,通过学生动手实践让其亲自体验试验设计整个过程:①了解试验目的,实验目的是试验设计首先要考虑的问题,对其应当深入了解,认真分析,提出试验目的及预期效果,避免盲目性。②确定因素和水平,试验设计之前必须了解可能对试验结果产生影响的因素,并根据实验要求选出适当因素加以研究。③确定指标,在选择试验指标时,必须考虑指标对所研究问题能提供的信息,及其测定方法。④确定试验计划,实验计划的确定在整个实验设计中至关重要。采用何种设计方案须考虑试验误差、方便程度、人力、物力、财力等多个方面。⑤实施试验设计。⑥数据分析。
4.3改革考试和考核方法
考试是促进学生学习、检验学习成效的一种重要手段。学生最简单的目的就是拿学分,增加获得奖学金和就业机会。为了克服平时不认真、一到考试就死记硬背突击过关的弊端,激发学生自主学习的能动性,增强学生主动思维的积极性,在考试、考核中可将讨论、课程的论文成绩与平时成绩相结合,综合评定。如平时表现 10%,课外作业 10%,课堂讨论 20%,课程论文 60%。将考试的重点侧重于提交课程论文上。课程论文是培养创新意识和提高研究能力的有效途径,许多学生习惯老师问学生答的考试模式,依赖老师划范围、定重点地被动学习方法。采用课程小论文的考试形式会给学生提供一个展现创造能力的机会,促使他们在学习过程中深层次地理解知识和方法,主动搜寻资料,阅读参考书,解决科研中的方案设计与数据处理问题。
5结语
试验方法学课的角色,其实无论是必修课还是选修课并不重要,重要的是应当教给学生真正有用的知识和技能,帮助其在今后科研和管理工作中解决实际问题,借助各种应用软件,根据具体问题进行方案设计及试验结果的数据处理,揭示隐含在试验现象中的科学问题,完成科学研究和论文写作。
6参考文献
[1] 孙培勤,刘大壮.实验设计与数据处理课程的教学实践[J].化工高等教育,2003(1):84-85.
[2] 王钦德.食品试验设计与统计分析[M].北京:中国农业大学出版社,2003.
[3] 陈红,黄海东.试验设计与数据处理课程教学改革的探讨[J].农机化研究,2004(2):266-267.
[4] 章银良,刘庭淼,张鑫,等.微波破碎酵母细胞提取海藻糖的研究[J].郑州轻工业学院学报:自然科学版,2001(4):51-53.
[5] ELIZABETH B.Data processing mathematics[M].Englewood Cliffs,N J:Preontice-Hall,1995.
[6] SUSAN M,DYSZEL.Country of origin of peanuts:a comparison of statistical Software for discriminate analysis of DSC results[J].Thermoc-himica Acta,1996(284):103-108.
[7] 林维宣.试验设计方法[M].大连:大连海事大学出版社,1995.