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食品學(xué)科試驗(yàn)方法學(xué)教學(xué)的實(shí)踐與探索論文
摘要：總結(jié)了食品學(xué)科試驗(yàn)方法學(xué)課程開設(shè)的必要性、存在問題、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化以及教學(xué)的實(shí)踐與設(shè)想,以為今后教學(xué)改革提供參考。
關(guān)鍵詞：食品學(xué)科試驗(yàn)方法學(xué);課程教學(xué);教學(xué)實(shí)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(yàn)方法學(xué)(試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理)是自然科學(xué)研究方法論領(lǐng)域中一個(gè)分支,是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)、經(jīng)濟(jì)安排,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析,最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找出優(yōu)化方案的一種科學(xué)方法。試驗(yàn)方法學(xué)也是一門理論和實(shí)踐結(jié)合緊密、實(shí)用性很強(qiáng)的課程,它為以后從事科學(xué)研究、工程試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)工作的學(xué)生提供基本的訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生正確確定科研、工程試驗(yàn)方案和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的能力[1]。
食品學(xué)科是涵蓋農(nóng)副產(chǎn)品貯藏加工、生物科學(xué)、農(nóng)業(yè)工程和輕工業(yè)等學(xué)科的綜合性、交叉型學(xué)科,具有原料廣泛性、加工工藝的多樣性和加工質(zhì)量控制的重要性等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了進(jìn)行食品學(xué)科試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中,對(duì)試驗(yàn)的合理設(shè)計(jì)和科學(xué)安排的注重,注意試驗(yàn)過程的正確運(yùn)轉(zhuǎn),保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,并進(jìn)行科學(xué)正確的統(tǒng)計(jì)分析,以便于正確揭示事物的本質(zhì),得出科學(xué)的結(jié)論[2]。20世紀(jì)80年代以來,世界食品工業(yè)飛速發(fā)展,食品科學(xué)研究朝著自動(dòng)化生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、系統(tǒng)工程、生物酶技術(shù)、基因工程等高新技術(shù)發(fā)展,逐步脫離了傳統(tǒng)的加工方法,體現(xiàn)了科學(xué)化、集約化生產(chǎn)的特色,也對(duì)食品科學(xué)研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)方法提出更高的要求。食品的試驗(yàn)研究已經(jīng)由簡(jiǎn)單的假設(shè)測(cè)驗(yàn)、方差分析發(fā)展到多元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等高級(jí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法,愈加顯出試驗(yàn)方法學(xué)在食品科學(xué)研究中的重要性。
1課程開設(shè)的必要性
試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一項(xiàng)工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。它要求科學(xué)地安排試驗(yàn)方案,以最少的人力和物力消費(fèi),在最短的時(shí)間內(nèi)取得更多、更好的生產(chǎn)和科研成果。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)中能發(fā)揮重要的作用,主要有:提高產(chǎn)量;減少質(zhì)量的波動(dòng),提高產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn);大大縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期;降低成本;試驗(yàn)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。該課程的開設(shè)為大學(xué)生將來從事科學(xué)研究或新產(chǎn)品研發(fā)等實(shí)際工作奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
2存在的問題
該課程因?yàn)樯婕敖y(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí),需要具備深厚的概率論基礎(chǔ)知識(shí),而概率論較為抽象,學(xué)生普遍掌握程度不高;同時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)涉及大量的計(jì)算,通常需要用計(jì)算機(jī)軟件來完成,故必須具備一定的計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)及實(shí)際操作能力,所以對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說,對(duì)該課程的理解和掌握并不容易。
2.1教學(xué)安排問題
不同院校試驗(yàn)方法學(xué)課的課程性質(zhì)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(xué)自由選擇。由于選修課可以自主選擇,也可以放棄學(xué)分,因此學(xué)生對(duì)選修課的態(tài)度普遍不如對(duì)必修課認(rèn)真,這就造成教學(xué)效果相對(duì)較難提高。課時(shí)數(shù)不同,分別為20、30、40、50學(xué)時(shí)等。另外,開設(shè)課程時(shí)間也有不同,分別在大二、大三和大四時(shí)開設(shè),致使學(xué)生對(duì)該課程在知識(shí)儲(chǔ)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(shí)際需求與課程脫節(jié)問題
由于沒有對(duì)該課程進(jìn)行科學(xué)研究,不知道試驗(yàn)方法學(xué)可以解決什么問題。而該課程所具有的內(nèi)容多、公式多、計(jì)算多、圖表多等,決定了課程本身的繁雜性,這樣造成課程對(duì)學(xué)生的吸引力降低,教師雖然付出大量的心血進(jìn)行課前準(zhǔn)備和課堂教學(xué),但在學(xué)生眼里枯燥乏味、難以理解,導(dǎo)致教師厭教、學(xué)生厭學(xué)。
2.3內(nèi)容問題
傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法學(xué)教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于數(shù)學(xué)原理的論述,實(shí)際應(yīng)用例子太少,可操作性差。而該課程實(shí)際是應(yīng)用科學(xué),教學(xué)內(nèi)容的編排應(yīng)圍繞實(shí)際技能的培養(yǎng)進(jìn)行。由于學(xué)生已進(jìn)行過《高等數(shù)學(xué)》《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》等課程的學(xué)習(xí),具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。因此,為了節(jié)省教學(xué)時(shí)間,對(duì)公式和定理的分析、推導(dǎo)一帶而過,不著重強(qiáng)調(diào);降低理論深度,著眼于理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用,深入淺出,以點(diǎn)帶面,使學(xué)生領(lǐng)悟教學(xué)內(nèi)容。
3課程教學(xué)的內(nèi)容優(yōu)化
3.1引入試驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展史
為了使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的,有必要在課堂教學(xué)中引入試驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展史。例如:1949 年,日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”,運(yùn)用正交設(shè)計(jì)技術(shù),對(duì)數(shù)十個(gè)特性值、2 000 多個(gè)變量進(jìn)行研究,制造出比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手美國(guó)西方電器公司先進(jìn)、價(jià)廉的產(chǎn)品,給該所帶來幾十億美元的效益[3]。1978 年原七機(jī)部在進(jìn)行某項(xiàng)產(chǎn)品的試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),須考慮5 因素31 水平,且要求試驗(yàn)次數(shù)不能超過50 次。5因素31水平可能的試驗(yàn)次數(shù)多達(dá)2 800 多萬(wàn)次,為研究其數(shù)學(xué)模型曾試用國(guó)外的方法,長(zhǎng)時(shí)間得不到理想的結(jié)果,而運(yùn)用“正交設(shè)計(jì)”方法,5 因素31水平的試驗(yàn)次數(shù)為312=961。為解決該難題,我國(guó)著名的數(shù)理統(tǒng)計(jì)專家方開泰與數(shù)論專家王元合作,將數(shù)論理論成功地應(yīng)用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)問題中,創(chuàng)立了一種全新的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,即“均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法”,運(yùn)用該方法于上述試驗(yàn),僅做31次,其效果便接近于2 800多萬(wàn)次的試驗(yàn),成功解決了該難題。在講這段歷史時(shí),學(xué)生感興趣,不僅認(rèn)識(shí)到進(jìn)行該課程學(xué)習(xí)的重要性,變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”,而且激發(fā)出強(qiáng)烈的愛國(guó)主義熱情和努力學(xué)習(xí)的決心。
3.2重視教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性
在試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、方差分析、回歸分析、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、回歸正交設(shè)計(jì)、回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等教學(xué)內(nèi)容中,對(duì)基礎(chǔ)理論不作重點(diǎn)闡述,強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)果理解與現(xiàn)象解釋的作用,重點(diǎn)講解遇到什么樣的研究課題需用哪種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),采用什么軟件對(duì)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理。例如:采用物理和化學(xué)結(jié)合的辦法來提取酵母細(xì)胞中的海藻糖[4],先用微波處理,后用溶劑來提取�？疾斓囊蛩厥俏⒉〞r(shí)間(min)、提取體積(mL)、提取時(shí)間(min)、提取溫度(℃)(X1、X2、X3、X4)。針對(duì)這4個(gè)影響因素,每個(gè)因素安排6個(gè)水平,4 因素的取值范圍分別為微波時(shí)間2.0～5.0 min;提取體積10～50 mL;提取時(shí)間10～60 min;提取溫度0~100 ℃。如果采用全面試驗(yàn)則需64=1 296次試驗(yàn),如果是正交法必須做62=36次試驗(yàn),而均勻試驗(yàn)法6次就可以解決,所以選擇均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果如何處理,均勻設(shè)計(jì)法由于沒有正交法整齊可比的特點(diǎn),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(qiáng)對(duì)實(shí)用軟件使用的教學(xué)
目前,具體可用于試驗(yàn)方法學(xué)中進(jìn)行數(shù)據(jù)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(gè)軟件有其自己的特點(diǎn),例如SPSS主要用于統(tǒng)計(jì)量計(jì)算,Matlab主要用于數(shù)值分析,Mathematics主要用于函數(shù)分析與計(jì)算,Origin主要用于繪圖等等。另外,還有專門用于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正交設(shè)計(jì)助手軟件,用于均勻設(shè)計(jì)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(xué)的關(guān)鍵是要使學(xué)生在不同方案設(shè)計(jì)中采用不同的軟件處理試驗(yàn)結(jié)果,以提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。
4課程教學(xué)的實(shí)踐與設(shè)想
課程教學(xué)方法改革的總原則是:把培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力作為教學(xué)的重點(diǎn);遵循現(xiàn)代教育以人為本的觀念,給學(xué)生發(fā)展以最大的空間;在教學(xué)中應(yīng)因材施教,采用多種方法,切實(shí)發(fā)揮學(xué)生的自主性和教師的促進(jìn)作用。同時(shí),通過該課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生能自己設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,自己動(dòng)手進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.1積極解決學(xué)生的思想問題
要讓學(xué)生學(xué)好課程,必須確保其對(duì)課程的正確認(rèn)識(shí)。筆者教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),只有通過鮮明的個(gè)案引導(dǎo)、啟發(fā)才能使學(xué)生覺得試驗(yàn)方法學(xué)的學(xué)習(xí)可以解決許多難點(diǎn)問題,提高知識(shí)層次結(jié)構(gòu),挖掘隱含在試驗(yàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的深層次要素,以保證學(xué)生有積極學(xué)習(xí)該課程的意識(shí)。
4.2在教學(xué)過程中,采用“主導(dǎo)—主體”的設(shè)計(jì)模式,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究,小組討論,動(dòng)手實(shí)踐
引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行食品學(xué)科的試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理,課后撰寫技術(shù)報(bào)告,通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐讓其親自體驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)整個(gè)過程:①了解試驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃囼?yàn)設(shè)計(jì)首先要考慮的問題,對(duì)其應(yīng)當(dāng)深入了解,認(rèn)真分析,提出試驗(yàn)?zāi)康募邦A(yù)期效果,避免盲目性。②確定因素和水平,試驗(yàn)設(shè)計(jì)之前必須了解可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選出適當(dāng)因素加以研究。③確定指標(biāo),在選擇試驗(yàn)指標(biāo)時(shí),必須考慮指標(biāo)對(duì)所研究問題能提供的信息,及其測(cè)定方法。④確定試驗(yàn)計(jì)劃,實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的確定在整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。采用何種設(shè)計(jì)方案須考慮試驗(yàn)誤差、方便程度、人力、物力、財(cái)力等多個(gè)方面。⑤實(shí)施試驗(yàn)設(shè)計(jì)。⑥數(shù)據(jù)分析。
4.3改革考試和考核方法
考試是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效的一種重要手段。學(xué)生最簡(jiǎn)單的目的就是拿學(xué)分,增加獲得獎(jiǎng)學(xué)金和就業(yè)機(jī)會(huì)。為了克服平時(shí)不認(rèn)真、一到考試就死記硬背突擊過關(guān)的弊端,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性,增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)思維的積極性,在考試、考核中可將討論、課程的論文成績(jī)與平時(shí)成績(jī)相結(jié)合,綜合評(píng)定。如平時(shí)表現(xiàn) 10%,課外作業(yè) 10%,課堂討論 20%,課程論文 60%。將考試的重點(diǎn)側(cè)重于提交課程論文上。課程論文是培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和提高研究能力的有效途徑,許多學(xué)生習(xí)慣老師問學(xué)生答的考試模式,依賴?yán)蠋焺澐秶�、定重點(diǎn)地被動(dòng)學(xué)習(xí)方法。采用課程小論文的考試形式會(huì)給學(xué)生提供一個(gè)展現(xiàn)創(chuàng)造能力的機(jī)會(huì),促使他們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中深層次地理解知識(shí)和方法,主動(dòng)搜尋資料,閱讀參考書,解決科研中的方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理問題。
5結(jié)語(yǔ)
試驗(yàn)方法學(xué)課的角色,其實(shí)無論是必修課還是選修課并不重要,重要的是應(yīng)當(dāng)教給學(xué)生真正有用的知識(shí)和技能,幫助其在今后科研和管理工作中解決實(shí)際問題,借助各種應(yīng)用軟件,根據(jù)具體問題進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理,揭示隱含在試驗(yàn)現(xiàn)象中的科學(xué)問題,完成科學(xué)研究和論文寫作。
6參考文獻(xiàn)
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