食品學科試驗方法學教學的實踐與探索論文

　　摘要：總結了食品學科試驗方法學課程開設的必要性、存在問題、教學內容優化以及教學的實踐與設想,以為今后教學改革提供參考。

　　關鍵詞：食品學科試驗方法學;課程教學;教學實踐

　　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

　　試驗方法學(試驗設計與數據處理)是自然科學研究方法論領域中一個分支,是以概率論、數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎,對試驗進行科學、經濟安排,并對試驗結果計算分析,最終達到減少試驗次數、縮短試驗周期、迅速找出優化方案的一種科學方法。試驗方法學也是一門理論和實踐結合緊密、實用性很強的課程,它為以后從事科學研究、工程試驗、工程設計工作的學生提供基本的訓練,培養學生正確確定科研、工程試驗方案和進行數據處理的能力[1]。

　　食品學科是涵蓋農副產品貯藏加工、生物科學、農業工程和輕工業等學科的綜合性、交叉型學科,具有原料廣泛性、加工工藝的多樣性和加工質量控制的重要性等特點。這些特點決定了進行食品學科試驗和生產實踐中,對試驗的合理設計和科學安排的注重,注意試驗過程的正確運轉,保證試驗結果的可靠性和準確性,并進行科學正確的統計分析,以便于正確揭示事物的本質,得出科學的結論[2]。20世紀80年代以來,世界食品工業飛速發展,食品科學研究朝著自動化生產、計算機應用、系統工程、生物酶技術、基因工程等高新技術發展,逐步脫離了傳統的加工方法,體現了科學化、集約化生產的特色,也對食品科學研究的試驗設計和統計方法提出更高的要求。食品的試驗研究已經由簡單的假設測驗、方差分析發展到多元分析、優化設計等高級試驗設計分析方法,愈加顯出試驗方法學在食品科學研究中的重要性。

　　1課程開設的必要性

　　試驗設計方法是一項工程技術人員必須掌握的技術方法。它要求科學地安排試驗方案,以最少的人力和物力消費,在最短的時間內取得更多、更好的生產和科研成果。試驗設計在工業生產和工程設計中能發揮重要的作用,主要有:提高產量;減少質量的波動,提高產品質量水準;大大縮短新產品試驗周期;降低成本;試驗設計延長產品壽命。該課程的開設為大學生將來從事科學研究或新產品研發等實際工作奠定了理論和實踐基礎。

　　2存在的問題

　　該課程因為涉及統計學知識,需要具備深厚的概率論基礎知識,而概率論較為抽象,學生普遍掌握程度不高;同時統計學涉及大量的計算,通常需要用計算機軟件來完成,故必須具備一定的計算機軟硬件知識及實際操作能力,所以對于大多數學生來說,對該課程的理解和掌握并不容易。

　　2.1教學安排問題

　　不同院校試驗方法學課的課程性質不同,有些是必修課,有些是限選課,有些是公共選修課,讓感興趣的同學自由選擇。由于選修課可以自主選擇,也可以放棄學分,因此學生對選修課的態度普遍不如對必修課認真,這就造成教學效果相對較難提高。課時數不同,分別為20、30、40、50學時等。另外,開設課程時間也有不同,分別在大二、大三和大四時開設,致使學生對該課程在知識儲備、使用迫切性以及將來需求等方面的掌握和了解較少。

　　2.2實際需求與課程脫節問題

　　由于沒有對該課程進行科學研究,不知道試驗方法學可以解決什么問題。而該課程所具有的內容多、公式多、計算多、圖表多等,決定了課程本身的繁雜性,這樣造成課程對學生的吸引力降低,教師雖然付出大量的心血進行課前準備和課堂教學,但在學生眼里枯燥乏味、難以理解,導致教師厭教、學生厭學。

　　2.3內容問題

　　傳統的試驗方法學教學內容側重于數學原理的論述,實際應用例子太少,可操作性差。而該課程實際是應用科學,教學內容的編排應圍繞實際技能的培養進行。由于學生已進行過《高等數學》《概率論與數理統計》等課程的學習,具備一定的數學基礎。因此,為了節省教學時間,對公式和定理的分析、推導一帶而過,不著重強調;降低理論深度,著眼于理論知識的實際應用,深入淺出,以點帶面,使學生領悟教學內容。

　　3課程教學的內容優化

　　3.1引入試驗設計發展史

　　為了使學生明確學習目的,有必要在課堂教學中引入試驗設計發展史。例如:1949 年,日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”,運用正交設計技術,對數十個特性值、2 000 多個變量進行研究,制造出比競爭對手美國西方電器公司先進、價廉的產品,給該所帶來幾十億美元的效益[3]。1978 年原七機部在進行某項產品的試驗設計時,須考慮5 因素31 水平,且要求試驗次數不能超過50 次。5因素31水平可能的試驗次數多達2 800 多萬次,為研究其數學模型曾試用國外的方法,長時間得不到理想的結果,而運用“正交設計”方法,5 因素31水平的試驗次數為312=961。為解決該難題,我國著名的數理統計專家方開泰與數論專家王元合作,將數論理論成功地應用于試驗設計問題中,創立了一種全新的試驗設計方法,即“均勻設計試驗法”,運用該方法于上述試驗,僅做31次,其效果便接近于2 800多萬次的試驗,成功解決了該難題。在講這段歷史時,學生感興趣,不僅認識到進行該課程學習的重要性,變“要我學”為“我要學”,而且激發出強烈的愛國主義熱情和努力學習的決心。

　　3.2重視教學內容的實用性

　　在試驗設計基礎、方差分析、回歸分析、正交試驗設計、均勻設計、回歸正交設計、回歸旋轉正交試驗設計等教學內容中,對基礎理論不作重點闡述,強調理論在實際應用中的結果理解與現象解釋的作用,重點講解遇到什么樣的研究課題需用哪種設計方法進行設計,采用什么軟件對所得到的數據結果進行處理。例如:采用物理和化學結合的辦法來提取酵母細胞中的海藻糖[4],先用微波處理,后用溶劑來提取。考察的因素是微波時間(min)、提取體積(mL)、提取時間(min)、提取溫度(℃)(X1、X2、X3、X4)。針對這4個影響因素,每個因素安排6個水平,4 因素的取值范圍分別為微波時間2.0～5.0 min;提取體積10～50 mL;提取時間10～60 min;提取溫度0~100 ℃。如果采用全面試驗則需64=1 296次試驗,如果是正交法必須做62=36次試驗,而均勻試驗法6次就可以解決,所以選擇均勻試驗設計。對于試驗結果如何處理,均勻設計法由于沒有正交法整齊可比的特點,所以不能采用方差分析方法去處理,而采用回歸分析的方法。

　　3.3加強對實用軟件使用的教學

　　目前,具體可用于試驗方法學中進行數據處理的廣泛流行的軟件有Mathematics[5]、SAS[6]、Minitab 、Matlab、SPSS、DPS、Origin、Design expert等。每個軟件有其自己的特點,例如SPSS主要用于統計量計算,Matlab主要用于數值分析,Mathematics主要用于函數分析與計算,Origin主要用于繪圖等等。另外,還有專門用于正交試驗設計的正交設計助手軟件,用于均勻設計的均勻分析軟件,用于曲線擬合的Curve expert等專門軟件。因此,該課程教學的關鍵是要使學生在不同方案設計中采用不同的軟件處理試驗結果,以提高試驗的準確性和可靠性。

　　4課程教學的實踐與設想

　　課程教學方法改革的總原則是:把培養創新精神和實踐能力作為教學的重點;遵循現代教育以人為本的觀念,給學生發展以最大的空間;在教學中應因材施教,采用多種方法,切實發揮學生的自主性和教師的促進作用。同時,通過該課程的學習,使學生能自己設計試驗方案,自己動手進行數據處理。

　　4.1積極解決學生的思想問題

　　要讓學生學好課程,必須確保其對課程的正確認識。筆者教學實踐發現,只有通過鮮明的個案引導、啟發才能使學生覺得試驗方法學的學習可以解決許多難點問題,提高知識層次結構,挖掘隱含在試驗數據內部的深層次要素,以保證學生有積極學習該課程的意識。

　　4.2在教學過程中,采用“主導—主體”的設計模式,引導學生進行自主探究,小組討論,動手實踐

　　引導學生進行食品學科的試驗及數據處理,課后撰寫技術報告,通過學生動手實踐讓其親自體驗試驗設計整個過程:①了解試驗目的,實驗目的是試驗設計首先要考慮的問題,對其應當深入了解,認真分析,提出試驗目的及預期效果,避免盲目性。②確定因素和水平,試驗設計之前必須了解可能對試驗結果產生影響的因素,并根據實驗要求選出適當因素加以研究。③確定指標,在選擇試驗指標時,必須考慮指標對所研究問題能提供的信息,及其測定方法。④確定試驗計劃,實驗計劃的確定在整個實驗設計中至關重要。采用何種設計方案須考慮試驗誤差、方便程度、人力、物力、財力等多個方面。⑤實施試驗設計。⑥數據分析。

　　4.3改革考試和考核方法

　　考試是促進學生學習、檢驗學習成效的一種重要手段。學生最簡單的目的就是拿學分,增加獲得獎學金和就業機會。為了克服平時不認真、一到考試就死記硬背突擊過關的弊端,激發學生自主學習的能動性,增強學生主動思維的積極性,在考試、考核中可將討論、課程的論文成績與平時成績相結合,綜合評定。如平時表現 10%,課外作業 10%,課堂討論 20%,課程論文 60%。將考試的重點側重于提交課程論文上。課程論文是培養創新意識和提高研究能力的有效途徑,許多學生習慣老師問學生答的考試模式,依賴老師劃范圍、定重點地被動學習方法。采用課程小論文的考試形式會給學生提供一個展現創造能力的機會,促使他們在學習過程中深層次地理解知識和方法,主動搜尋資料,閱讀參考書,解決科研中的方案設計與數據處理問題。

　　5結語

　　試驗方法學課的角色,其實無論是必修課還是選修課并不重要,重要的是應當教給學生真正有用的知識和技能,幫助其在今后科研和管理工作中解決實際問題,借助各種應用軟件,根據具體問題進行方案設計及試驗結果的數據處理,揭示隱含在試驗現象中的科學問題,完成科學研究和論文寫作。

　　6參考文獻

　　[1] 孫培勤,劉大壯.實驗設計與數據處理課程的教學實踐[J].化工高等教育,2003(1):84-85.

　　[2] 王欽德.食品試驗設計與統計分析[M].北京:中國農業大學出版社,2003.

　　[3] 陳紅,黃海東.試驗設計與數據處理課程教學改革的探討[J].農機化研究,2004(2):266-267.

　　[4] 章銀良,劉庭淼,張鑫,等.微波破碎酵母細胞提取海藻糖的研究[J].鄭州輕工業學院學報:自然科學版,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] 林維宣.試驗設計方法[M].大連:大連海事大學出版社,1995.

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