《试验设计与数据处理》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：CHEM4110

课程名称：试验设计与数据处理

课程英文名称：Design and Analysis of Experiments

课程所属单位：化学与环境工程学院化工系

课程面向专业：化学工程与工艺

课程类型：限定选修课

先修课程：高等数学、概率论与数理统计，计算机基础

学分：2

总学时：32

二、课程性质与目标

试验设计与数据处理是一概率论和数理统计为理论基础，经济、科学地安排试验的一项技术，它在工业生产和工程设计中能发挥重要的作用。通过本课程的学习，学生可以学习到误差分析、实验数据的图表表达、方差分析和回归分析等数据处理方法，还可以学习到优选法、正交试验设计、均匀试验设计、回归正交试验设计和配方试验设计等试验设计方法；学生能合理地设计试验、科学地分析和处理试验数据，进而摸索出较优的工艺条件或配方。

表1课程目标与毕业要求指标点对应关系

三、课程教学内容与要求

（一）引言

了解试验设计与数据处理的意义，以及该课程的发展概况。

（二）试验数据的误差分析

1、教学内容与要求

（1）了解真值的基本概念，理解平均值的表示方法；

（2）掌握误差的基本概念及表示方法；

（3）理解试验数据误差的来源及分类；

（4）理解描述试验数据的精准度的三个术语：精密度、正确度和准确度；

（5）掌握随机误差误差、系统误差估计的统计方法，掌握可疑数据的取舍规则；

（6）理解有效数字的含义、有效数字的运算；

（8）掌握误差的传递的基本原理；

（9）掌握Excel在误差分析中的应用。

2、重点

随机误差和系统误差估计的统计方法；可疑数据的取舍规则；误差的传递。

3、难点

误差的传递。

（三）试验数据的表图表示法

1、教学内容与要求

（1）列表法：了解试验数据表的两种形式，了解数据表的基本结构；

（2）图示法：理解各种常用数据图的特点及绘图时应注意的事项，理解选择坐标系的基本原则，掌握确定坐标比例尺的基本方法；

（3）掌握Excel在试验数据的图表表示中的应用。

2、重点

图示法。

3、难点

确定坐标比例尺的基本方法。

（四）试验的方差分析

1、教学内容与要求

（1）理解方差分析在数据处理中的作用，理解试验指标、因素、水平的基本含义；

（2）掌握单因素试验的方差分析的基本步骤；

（3）掌握双因素无重复试验的方差分析和双因素重复试验的方差分析的基本步骤；

（4）掌握Excel在试验方差分析中的应用。

2、重点

方差分析的基本步骤；Excel在试验方差分析中的应用。

3、难点

离差平方和的含义。

（五）试验数据的回归分析

1、教学内容与要求

（1）理解回归分析的基本内容；

（2）掌握一元线性回归分析：一元线性回归方程的建立及检验；

（3）理解多元线性回归分析：多元线性回归方程的建立及检验；

（4）理解非线性回归分析的基本方法；

（5）掌握Excel在试验数据的回归分析中的应用。

2、重点

一元线性回归分析；Excel在试验回归分析中的应用。

3、难点

回归分析的理论基础：最小二乘法。

（六）优选法

1、教学内容与要求

（1）理解一些常用的单因素优选法：来回调试方法、黄金分割法、分数法、对分法、抛物线法、分批试验法、逐步提高法；

（2）理解一些常用的双因素优选法：对开法、平行线法、旋升法、按格上升法、翻筋斗法。

2、重点

黄金分割法、分数法。

3、难点

黄金分割法、分数法、抛物线法。

（七）正交试验设计

1、教学内容与要求

（1）了解正交试验设计的优点，掌握正交表的表示符号、基本结构和特点，掌握正交试验设计的基本步骤。

（2）掌握单指标正交试验、多指标正交试验、有交互作用正交试验、混合水平的正交试验的直观分析法；

（3）理解单指标正交试验、多指标正交试验、有交互作用正交试验、混合水平的正交试验的方差分析法。

（4）掌握Ecxel在正交试验设计中应用。

2、重点

正交试验的直观分析法。

3、难点

正交试验的方差分析。

（八）均匀设计

1、教学内容与要求

（1）了解均匀设计的基本思想，掌握均匀设计表的基本结构、特点及选用；

（2）掌握均匀设计基本步骤；

（3）了解均匀设计的应用。

（4）掌握Excel在均匀设计数据处理中的应用

2、重点

均匀设计的应用。

3、难点

均匀设计的结果分析。

（九）回归正交试验设计

1、教学内容与要求

（1）掌握一次回归正交设计的基本方法及结果分析；

（2）掌握二次回归正交组合设计，掌握二次回归正交组合设计，了解二次回归正交组合旋转设计；

（3）掌握Ecxel在回归正交组合设计中应用。

2、重点

回归正交实验设计的基本方法。

3、难点

二次回归正交组合设计表的结构，二次回归正交组合设计结果分析。

（十）配方试验设计

1、教学内容与要求

（1）理解配方试验设计约束条件；

（2）理解单纯形的概念，了解单纯形配方设计的回归模型，掌握单纯形格子点设计和单纯形重心设计的基本方法；

（3）了解配方均匀设计的基本方法；

（4）了解Ecxel在配方试验设计中应用。

2、教学重点

单纯形格子点设计和单纯形重心设计。

3、教学难点：

配方均匀设计。

四、学时分配

本课程各教学环节学时分配表如表2所示。

表2学时分配表

五、教学环节与教学方法

表3课程目标及其实现方法

本课程的主要教学环节有：课堂讲授、课后作业、分组大作业和期末考试。课程目标及其实现方法见表3。

在课堂讲授这个教学环节中，以基于问题导向的课堂讲授为主，引导学生参与分析和讨论，并适度开展案例教学，酌情安排课堂作业。

课后作业是培养学生运用所学的理论知识，独立解决实际问题的环节；要求学生使用计算机完成作业，作业以电子文档的形式上交；作业量3～7题/章，作业批改率≥50%。

分组大作业要求学生运用所学理论知识，根据教师提出的实验目的，自行设计试验方案，完成试验并获取数据，通过合理的数据处理预测较优的试验方案，并验证方案。该环节分组进行，要求团队成员分工协作，共同完成作业，并提交汇报材料。

六、课程考核办法

表4课程目标对应的考核内容及目标分值

表5 课后作业评价标准

表6 分组大作业评价标准

课程总评成绩包括三部分：大作业10%、平时作业25%、期末考试65％。期末考试为开卷上机考试。如果到课率不足1/3，课后作业上交率低于1/3，则无考试资格。课程目标对应考核方式及分值分布如表4所示。各课程作业评价和大作业评价标准分别如表5和表6所示。

七、教材与主要参考书：

1.教材

李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理（第三版）.北京：化学工业出版社，2017.

2.主要参考书

华罗庚.优选学.北京：科学出版社，1981.

方开泰.均匀设计与均匀设计表.北京：科学出版社，1994.

江体乾.化工数据处理.北京：化学工业出版社，1984.

王钦德，杨坚.食品试验设计与统计分析.北京：中国农业大学出版社，2003.

八、课程目标达成情况评价

表7课程目标达成分析统计表

注：“目标分值”为评价依据对应项目或试题的满分，“平均成绩”为评价依据对应项目或试题学生的平均分，“目标达成值”为对应项目或试题学生平均分之和与目标分值之和的比值。

课程目标达成情况从学生个体达成情况和课程整体达成情况两方面评价，前者将作为评判学生是否达到毕业要求以及能否通过课程考核的依据；后者作为课程实施质量的评价及持续改进措施的依据。当参加课程考核的学生班级数为2个班时，样本集为所有学生；当参加课程考核的学生班级为3个班及以上时，样本集通过间隔采样获取（按照所有学生学号序列间隔采样）。学生个体达成度统计表和课程整体达成情况统计表如表7和表8所示。

表8课程整体目标达成评价及持续改进

执笔人：李云雁

时间：2020.1