《试验优化设计》课程教学方法探讨1

引言
科学技术研究是以理论研究（推测）和实践（试验）方法相辅相成进行。随着计算机技术及数学理论的深化，理论研究的手段越来越发达，作为检验其推算准确性的试验（验证）成为不可缺少的环节。而且，对某些尚未获知机理的现象或者新技术的研究，只能依赖试验的方法获悉其因素与指标间的关系，最终建立数学模型。由此可见，试验是科学研究的“探路石”。
试验优化技术基于数理统计理论，优化试验方案，利用较少的试验次数获取因素与指标间的复杂关系。由于试验优化技术具有设计灵活、计算简便、可靠性高的特点，发展迅速、应用广泛，已成为现代设计方法中较为先进的设计方法。国内已有50多所学校陆续将《试验优化设计》课程作为各学科的专业基础课。吉林大学早在上世纪80年代开始，就把《试验优化设计》课程列入本科生和研究生教学内容，取得了很好的教学效果。
本文根据试验优化技术课程的特点以及对本科教育及研究生的教学实践，分析了试验优化技术这项“工具”对不同层面学生的意义，探讨了本课程的教学目的及教学方法，归纳总结了《试验优化设计》课程在教学中存在的问题。旨在根据授课对象改变课程目的，并为试验优化技术进入更多领域发挥其效用提供参考。
一、《试验优化设计》课程的教学目的及教学内容
教学目的是指教学活动所要达到的最终目的。试验优化技术作为一种基础工具，课程教学的目的是使学生掌握试验优化设计思想、使用方法、分析原理、应用领域，最终为试验研究提供有效手段打下认知和理论基础。
作为一种比较成熟的试验设计技术，基于数学统计等基础软科学的发展，目前试验优化技术发展主要有两个方面：1、应用推广，试验优化技术普遍应用在食品行业、农业施肥、材料等领域，虽然在这些行业中已被较多应用，但是还不全面，如在管理、调查中的应用比率还是较少；2、试验优化技术方案及软件开发推广，实际上具有统计功能的数学专业软件都可实施部分试验优化设计，但是基于试验优化设计的软件存在优化方案不统一和一定差异性等问题。
目前，国内对试验优化设计课程的教学主要以基本理论为主，分为试验方案设计、试验数据处理、试验有效性检验等部分。作为一门“工具”课程，面对不同的授课对象，教授内容存在一定差异。简单而言，在本科生教育中本课程主要采用案例引导学生兴趣、讲授常规试验设计理念及试验优化设计手册使用的教学方法；而针对研究生课程，指导试验研究和结论分析占据主要地位。即本科生教学目的是认知，研究生教学目的是实用，针对不同教学对象，教学内容和教学手段要存在差异。
二、《试验优化技术》的本科教育
高等教育是在完全的中等教育基础上进行的专业教育, 是培养各类高级专门人才的社会活动。本科生教育不同于职业教育及研究生教育，是循序渐进的理论到技术的过程。学生对知识的获取心态存在多次转变。一般而言，本科生刚入学及基础理论学习期间由于高中惯性及对自我的约束能力的不完善，学习主要表现为盲目、受迫形态，即学生不知道所学知识有什么目的或者用途；转入第二阶段进入部分专业基础课后，知道所学知识可能将来有用，并且基于专业特点及自我约束力的提升，会有意识地主动学习；而到第三阶段学生的学习主要依赖于他的欲望，这种欲望可来源于兴趣、好奇或者将来工作社会压力等。普遍高等院校的专业课基本上是基于学生的这种学习动机安排的。试验优化技术作为一种工具，它依赖于数学知识，其理论理解较难，而它的实用性又是学生学习的好奇所在。
针对高年级本科生欲望分析发现，学生普遍对掌握“工具”兴趣浓厚，且其针对性越来越强，从计算机等级证书、外语等级证书到各种专业职能等级考试都是学生自认为是提高未来竞争力的一种手段。除此之外，能提升自我主观能力及情商等的各种课程普遍受到欢迎。对于试验优化技术课程，从最初仅为科研目的讲授，进一步发掘到它作为科研生产、管理等领域的应用逐步开始吸引学生的兴趣。对于学生而言，试验优化技术作为一种方法论，他的学习动机来源于其理论和它的效能，其中更重要的其效能。
一般而言，试验优化技术实施过程如下：针对试验目的，1、选取考察因素及水平；2、编制试验方案；3、按试验方案进行试验；4、对结果进行回归分析；5、建立因素与指标的关系式，即试验因素间的试验指标数学模型。
本科生教育中利用案例来说明试验优化技术的应用时普遍基于以上步骤讲解。如针对农田施肥量的研究，化肥中的氮、磷、钾含量和比率直接影响农作物产量。由此可以以氮、磷、钾作为考查因素，作物产量作为指标进行试验方案设计，以较少的试验快速、准确地确立三种因素和指标间的数学模型。实质上案例的讲解主要是引导学生理解试验优化技术的作用及它的应用方法。此外，结合本科生在低年级时期所学的数学知识，试验结果及过程分析容易掌握。但是对于本科生的教学还是会存在一些问题，如他们对实际工程问题接触的不多以及未尝试过探索性试验等原因，学生很难自我领会因素选取以及系统化试验设计。
由以上本科生特点及多年对本科生试验优化课程讲授经验提出，针对本科生的试验优化技术重点在于对试验优化技术这门课程的认知及基础理念的掌握，如：1、试验优化设计技术理念，即这门“工具”课程，能指导我们作什么，解决什么问题，可应用在什么领域；2、试验优化技术指导试验研究的操作步骤；3、试验优化设计手册的查询方法及试验结果计算方法。结合本科生的学习态度、目的及课程内容，针对本科生的课程主要应以案例多媒体课件方式讲解为主。

三、《试验优化技术》的研究生教育
我国的研究生教育是针对性专业教育，具有学习知识深入化和针对性研究相结合的特点。在这种大环境下，研究生根据各自的研究课题有目的地自我选课、学习，即学习的目的性较强。以工科研究而言，大部分课题研究离不开试验。当前由于试验优化技术在各领域中的大量应用及其实施简单、快速、准确的特点越来越多的试验研究采用该技术。
吉林大学生物与农业工程学院从上世纪80年代开始，结合本身学科的特点在研究生培养方案中增加了试验优化技术学位考试课程。经过近30年的教学实践表明，在研究生中开展试验优化课程，大大提升了研究生课题的研究水平，且为将来的研究提供了可持续性研究基础。目前，研究生论文中试验优化技术使用率达到80%以上。
就研究生学习动机及目的而言，试验优化技术是一门“工具”，学生在听课时关心的是这门课程如何能解决我的研究问题，而并非这门课的理念是什么。学习的目的是选择合适的试验优化技术指导学生进行试验研究，即如何选取、使用这个工具，如何应用。
经过多年的教学经验，针对研究生的试验优化设计课程主要采用讲授加互动交流的方法。讲授试验优化技术的各种方案，如正交试验法，二次组合设计、正交多项式设计、D最优设计、混料设计等，便于学生掌握各种试验优化技术的设计方法；互动交流主要以学生遇到的实际问题为出发点进行分析、讲解。由于研究生教育中学习和研究同步进行，教师担当着教授知识和指导试验的双重任务。
在实际授课中笔者感受到研究生相对于本科生对教学进度及讲授范围有主动要求，即研究生基本通过本行业研究概况熟知课程实用性，学习的重点在于各种优化方法的特点、应用范围、试验方案设计等内容，讲授主要以课程面的覆盖为主，点的深入学生则根据研究生自我研究特点进行自我深入和在教师案例讲解中了解。此外，课后试验方案咨询也非常重要。
四、《试验优化技术》课程的教学规律及存在的问题
作为专业课试验优化技术课程在国内众多高校开展，由于科研及工业、商业等各领域中的大量应用，学生选课率也普遍上升。从刚开始的研究生专业选修课到本科生专业课程，也带动了试验优化技术这门“工具”在应用和深度方向的拓展。
结合上述本科生和研究生特点进行的本课程教学目的及方法，笔者认为本课程的教学规律应按照教学对象特点，合理选择教学内容和教学手段，即本科生教学目的为认知，研究生教学目的为应用。经多年本课程教学实践，笔者也发现目前试验优化技术课程存在的部分问题：
（1）教材未按教学对象进行编写。到目前为止，国内存在多本权威的试验优化技术相关的专业书籍，但尚无针对本科生及研究生分类的课程教科书。目前的教学采用研究生和本科生统一教材，针对不同的教学对象进行删减讲解的方法。
（2）试验优化技术书籍内用词不统一。国内多本权威试验优化技术相关书籍在部分用语和分析过程上不统一。
（3）试验优化设计教学软件应用落后。国内外试验优化技术应用很普遍，并且有很多专业的试验优化设计软件，但是在课程教学中很少涉及或者根本没有涉及。
（4）试验优化设计方案应用单一。对研究生论文的分析表明，大部分试验研究均采用正交试验优化方案，有些试验存在很大弊端，方案的选取有待提高。
（5）案例较少。作为一种“工具”技术，案例的多少直接影响使用者使用效率。即案例库的建立，可快速便捷的指导使用者设计试验方案，使学习者得到感性认识。
五、结束语
当前以全面发展为目的的高等学校教育，要求学生能够掌握各种“工具”以适应工作需要。试验优化技术作为指导试验研究的方法，可扩展为广义试验研究。从多年来的教学实践可发现，试验优化技术课程的推广，为学生作科研以及工业设计工作提供了指导。
根据高等教育教学规律及本课程的特点，笔者提出本科生教育应以认知学习为主，研究生的教育应以应用学习为主；教学手段本科生采用大量案例和查手册方法的学习，研究生采用大范围讲授和互动交流的方法。此外，笔者认为虽然课程的对象得到了扩展，但是相应的教学内容没有根据教学对象进行调整，其教学书籍、教学内容以及教学手段应需进一步改进。
1基金项目：吉林大学研究生核心课程建设项目（20102227），吉林大学第三批重大教学改革项目（ZD110107）
[参考文献]
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主要科研工作
[1]吉林大学校内创新基金“PTFE 填料粘涂层对金属材料表面抗冻粘性能影响”（2001cx015），2002.1-2003.12.已结题,负责冻黏强度测试试验工作.
[2]教育部优秀青年基金“冻粘机理及减粘脱附的仿生研究”,2003.1-2005.12.已结题,负责材料冻黏过程因素效应及矿车防冻黏技术开发研究.
[3]国家科技攻关引导项目“仿生非光滑技术在内燃机中的应用研究”（2005BA429C）,2005.1-2007.12.鉴定结题,负责仿生滑耐磨机理研究和内燃机仿生活塞试验工作.
[4]国家教委博士基金项目“生物非光滑表面的疏水机理及其仿生研究”(20040183048),2005.1-2007.12.已结题,负责表面观察和分类研究.
[5]自然基金面上项目“无痛针头表面结构的仿生优化设计及制备研究”（50875108）,2009.1-2011.12.正常进行,负责“仿生针头制备工艺研发”工作.
[6]国家自然科学基金青年科学基金项目“仿生自清洁表面对冻黏效应的影响规律及机理研究”（51005095），2011.01-2013.12, 20万，负责人
[7]吉林省科学发展计划项目青年科学基金“基于润湿性改良的防结霜汽车玻璃制备”（20100187），2010.09-2012.9, 5万,负责人
[8]教育部博士点基金新教师基金“基于表面形态的防冻黏技术机理研究”（20090061120071） ，2010.01-2012.12，3.6万，负责人
主要发表学术论文：
[1]杨晓东,金敬福.冰的粘附机理与抗冻粘技术进展[J].长春理工大学学报,2002,25(4):17-20.
[2]杨晓东,尚广瑞,金敬福.Q235钢表面PTFE涂层的冻粘试验[J].吉林大学学报（工学版）,2004,34（2）:272-276.
[3]Cong Qian, Yang Xiaodong, Jin Jingfu. Research for freezing adhesion strength between engineering materials and ice[C]//7th ISTVS Asia-Pacific Conference.Sep.2004:14-16.
[4]金敬福,丛茜,杨晓东.常用工程材料的冻黏特性及冻黏界面破坏形态[J].吉林大学学报（工学版）,2005,35（5）:486-489.
[5]丛茜,金敬福,张宏涛,任露泉.仿生非光滑结构的摩擦磨损试验研究[J].润滑与密封,2006,175（3）:22-24.
[6]Hao Jianfeng,Cong Qian,Jin Jingfu,Zhang Hongtao.Experimental research on friction and wear property of bionic through-hole[C]//ICBE(06),2006.sep,2004:14-16.
[7]Jing-fu Jin,Min Cao,Qian Cong,Bao-qing Deng.Test for wear-resistant characteristics of bole-through structure and its application in interanl combustion enginc piston[C]//changchun,ICBE,2008.10:124-128.
[8]金敬福,曹敏,杨晓东,丛茜.冻黏现象及材料表面冻黏特性的试验研究[C]//中国农业机械学会2008年学术年会论文集.济南,2008,10:369-372.
[9]弯艳玲,丛茜,金敬福,王晓俊.蜻蜓翅膀围观结构及其湿润性[J].吉林大学学报（工学版）,2009,39（3）：732-736.
[10]田为军，金敬福，丛茜，非线性时间序列分析在动态稳定性研究中的应用，吉林大学学报工学版.2010,40(增刊1):282－286
[11]金敬福，马毅、刘玉荣，丛茜,长耳鸮翼型组的气动特性分析，吉林大学学报工学版.2010，40(增刊1):278－281(EI)
[12] Xin HUA, Rui GU, Jing-fu JIN, Yi-rong LIU, Yi MA, Qian CONG, Ying ZHENG，Numerical Simulation And Aerodynamic Performance Comparison Between Seagull Aerofoil and NACA 4412 Aerofoil under Low-Reynolds[J]. Advances in Nature Science, 2010，3（2）：244-250.
[13] Yi MA,Yu-rong LIU, Jing-fu JIN, Qian CONG，Analysis of the Aerodynamic Character of Bionic Wingspan on the Basis of Frigate Wing Structure，[J].Advances in Nature Science, 2010，3（2）：330-337.

（作者单位：吉林大学 生物与农业工程学院 长春）