首页 > 论文范文 > 教育综合论文 > 高等教育论文 > 课程改革论文 > 实验教学改革土壤肥力综合评价

实验教学改革土壤肥力综合评价

2023-10-09 58 上传者：管理员

摘要：草地生态化学实验课是甘肃农业大学草业学院草业科学专业本科三年级学生的必修课。通过该实验课程教学，使学生掌握植物及土壤样品采集与制备、营养指标的测定原理与技术等技能。为进一步培养学生分析问题和解决问题的能力，在实验教学过程中还加入了土壤测定指标数据分析及肥力进行综合评价环节，使学生学会用Q检验法科学取舍所测定数据，掌握通过模糊数学中的加权乘法原理对土壤肥力综合评价的数据统计方法，了解分析采集样地土壤肥力特征，进而提出土壤的管理利用措施。实验结果的统计分析及其对土壤肥力的综合评价是对实验教学内容的进一步补充及诠释，从而形成野外“观”+室内“测”+数据“统计”+结果“分析”的较系统全面的教学体系。实验教学思路及体系的补充与完善不但可以提高学生动手和独立工作的能力，培养学生敢想敢为的素质，为学生今后从事草业科学教学、科研、生产等工作打下坚实的基础。

关键词：
Q检验法
因子分析法
土壤肥力综合评价
实验教学改革
实验数据
加入收藏

高校实验课程教学方法的探索及实践对提高教学水平及效果意义重大。目前，大多数实验课教学注重于让学生全面了解和熟悉实验的设计原理、步骤和实验中所用仪器的结构与操作方法[1,2]，往往忽视了实验数据的精密度、对可疑值的取舍及对结果的综合分析。实验数据的统计分析是对实验操作精细程度的进一步验证，实验结果的综合评价是对实验目的的进一步诠释。通过引导学生掌握实验数据的统计分析方法，对采集样品特征综合分析且提出相应的管理措施，不但可以提高学生获得感，而且能激发学生的科研兴趣。

为了培养学生的实验技能，提高分析问题、解决问题的能力，甘肃农业大学草业学院于2012年将《土壤学》实验并入《草原生态化学》课程，并成立了一门独立的实验课——《草原生态化学实验》。该课程共计48学时，分为两大部分，一部分为土壤肥力相关指标的测定，一部分为牧草营养价值有关指标的测定。土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征[3]，土壤肥力的高低直接影响着作物的生长状况和产量，影响着农业生产结构和效益等方面[4]，因此客观全面评价土壤的实际肥力对科学施肥、农业可持续发展等具有十分重要的意义[5]。教学过程中发现，经过学习学生掌握了每个指标的特定意义及测定办法，但学生对所采样地的整体肥力情况仍不了解，因为单一指标并不能完全反映土壤的肥力状况。因此，在实验教学过程中，学生在测定单一指标之后进行土壤肥力评价的综合实验，学习对单一指标测定数据的科学取舍方式及利用数学方法对土壤肥力进行综合评价的方法，将会使学生对整体实验有更深入的了解。

1、实验教学改革设计思路

土壤肥力综合评价实验是对土壤养分测定的补充。供土壤养分测定的试验地有3块，样地1为刚刚收割的苜蓿地，样地2为刚刚收割的燕麦地，样地3为当年荒地，3块样地均位于甘肃农业大学牧草实训基地，土壤类型为微黄绵土，各样地地势平坦，面积均为5 m×2 m。学生3人一小组，每块样地约有6～7小组学生采样。测定的土壤养分指标有土壤含水量、容重、有机质、pH、速效氮、速效磷、速效钾等，要求每个学生独立测定所有指标，并以小组为单位随堂汇报数据（实验教学设计思路见图1）。土壤肥力综合评价实验以学生单独测定的土壤含水量等7个土壤养分指标为数据基础，以学生已修的专业必修课——《田间试验与统计分析》为数据分析的理论基础。土壤肥力综合评价实验中，教师讲解综合评价原理及方法后，首先引导学生对本样地内测定数据进行横向比较，用Q检验法去除可疑值后计算单项指标平均值、标准差及变异系数，其次演示并指导学生以隶属度函数对原始数据进行标准化处理，以因子分析法确定权重，通过模糊数学中的加权乘法原理计算该样地土壤肥力综合指数，最后比较分析不同样地肥力综合指数，判断样地土壤肥力状况，该方法可最大限度地避免主观因素带来的偏差，能较为客观地评价土壤肥力状况。

2、实验教学内容拓展

2.1可疑值的取舍

当测定结果出现个别的极端数据（过大或过小）时，应按统计学的原理与方法对可疑数据进行处理，使学生学会如何取舍数据。目前较常用的是Q检验法（舍弃商法），公式如下：

式中：X疑表示可疑的测定结果；X邻表示与可疑值最邻近的测定结果；X大表示最大的测定结果（包括可疑值）；X小表示最小的测定结果（包括可疑值）。

根据测定次数和置信概率在表1中查出Q值。如果计算出的Q值大于或等于表中查出的Q值，可疑值即可取舍，否则予以保留。可一起与其他数值进行平均分析。

2.2土壤综合肥力的计算与评价

土壤肥力综合评价之前，学生已测定并获得了土壤含水量和容重2个物理指标及pH、有机质、速效氮、速效磷和速效钾5个化学指标。根据Q检验法去除可疑值后，即可引导学生掌握土壤肥力综合分析的数据统计方法，目前较常用的方法是隶属函数法。

2.2.1隶属度值的确定

由于已测定的各指标单位不同、最适范围不同，因此需对原始数据进行标准化处理。数据标准化处理可将原始数据转化为无量纲的纯数值，去除了数据单位限制，使得不同单位或量级的指标能进行加权与比较[6]，一般采用隶属度函数法。土壤肥力综合评价的实验课中，根据土壤肥力指标的性质、土壤容重和pH值采用降型分布函数（式2），而土壤含水量、有机质、速效氮、速效磷、速效钾采用升型分布函数（式3),2种隶属度函数的计算表达式如下：

式中：F(Xi）表示各评价指标的隶属度值；Xi表示土壤指标的测定值；Ximax表示第i项指标的最大值；Ximin表示第i项指标的最小值。

2.2.2权重的确定

不同土壤指标对土壤肥力的重要性和影响各不相同，因此需通过计算权重来表示各指标对土壤肥力的贡献程度。肥力评价实验课中采用因子分析法[7]来确定评价指标权重系数。根据公式（2）和（3）对各评价指标数据进行标准化处理，然后运用SPSS 19.0软件对其进行主成分分析，根据特征根、方差解释率和旋转载荷矩阵计算出综合得分系数，某指标的综合得分系数与所有评价指标的综合得分系数之和的比值即为该评价指标的权重。

2.2.3综合评价分值的计算

根据模糊数学中的加权乘法原理，计算土壤肥力综合指数（IFI)[8]，分值越高，土壤肥力越好，计算公式如下：

式中：Fi表示第i项的隶属度值；Wi表示第i项的权重系数；n表示评价指标个数。

3、结果与分析

以下是以某大学一年级全班同学实验结果为例对土壤肥力指标数据的统计分析。土壤肥力综合评价是样地1的肥力评价。

3.1土壤肥力指标的描述性统计分析

根据Q检验法去除可疑值后，要求学生对土壤养分指标数据进行统计分析，结果见表2。变异系数是评价指标的标准差对平均值的百分数，在土壤科学中，其可以反映土壤性质的变异程度，并以此对土壤进行分类[9]。含水量、容重、pH和速效钾变异系数低于15%时属于弱变异，其余指标的变异系数都在16%～35%之间，属于中等变异。由此变异系数结果可知，有机质和速效氮变异系数较高，说明不同组学生测定的这2个指标做的准确性偏低，要求学生分析问题的原因。

各土壤指标间的Pearson相关性分析如表3所示。速效氮与容重呈极显著负相关（P<0.01），与pH呈显著负相关（P<0.05），与速效磷呈显著正相关（P<0.05）。有机质与pH呈极显著正相关（P<0.01），与速效钾呈显著负相关（P<0.05）。

3.2土壤肥力综合评价

3.2.1评价指标权重的确定

首先选用公式（2）和（3）对各指标数据进行标准化处理，然后运用SPSS 19.0软件对其进行主成分分析，得到主成分的特征根和方差解释率。通过旋转载荷矩阵核算综合得分系数，并计算权重。土壤肥力评价指标主成分方差贡献率和权重核算结果见表4及表5。提取的3个主成分因子的累计贡献率为89.48%，表明7个评价指标所反映的信息可以由前3个主成分来表示。根据主成分载荷值可知（表5），有机质和速效钾对第一主成分贡献较大，含水量对第二主成分贡献较大，pH对第三主成分贡献较大。

3.2.2土壤肥力综合评价

如表6所示，确定每块样地各评价指标的权重系数和隶属度值后，按照公式（4）计算土壤肥力综合指数（IFI）。结果发现IFI指数样地1>样地2>样地3，即苜蓿地肥力强于燕麦地肥力强于荒地。

4、实验教学效果分析与讨论

4.1实验教学效果

以往土壤实验教学主要集中在土壤单项养分指标的测定及评价中，但单项肥力指标不能代表土壤的综合肥力水平，而肥力综合指数能更直观地反映土壤肥力的高低。草地生态化学实验教学计划中土壤养分测定包括土壤含水量、容重、有机质、pH、速效氮、速效磷、速效钾7个指标。土壤养分测定实验要求每个学生都要独立完成，并于实验结束后随堂登记实验数据，3人/组，取平均值为该组实验结果，并根据实验操作规范性、熟练度及实验结果准确性评定分数。

在土壤肥力综合评价实验中，以土壤采集样地不同分为三大组分别进行综合评价，组内数据作为重复处理共享。教师讲解完数据取舍和综合评价的原理及方法后引导学生对该样地测定数据进行横向比较，去除可疑值后计算单项指标平均值、标准差及变异系数，分析数据离散变异程度及原因，总结实验注意事项；演示并指导学生以隶属度函数对原始数据进行标准化处理，以因子分析法确定权重，通过模糊数学中的加权乘法原理计算土壤肥力综合指数；比较分析不同样地肥力综合指数并撰写报告。在这个过程中，学生不仅复习巩固了单项肥力指标测定的实验技术和理论知识，同时锻炼了数据分析、思考问题及团队合作的能力。在综合评价实验中，通过模糊数学中的加权乘法原理，将单独的肥力指标连接在一起进行总体量化评价，调动了学生的学习兴趣，培养了学生运用统计学手段分析解决专业问题的能力，达到了较好的实验教学效果。

4.2对实验教学问题的思考

土壤肥力综合评价中，土壤肥力评价指标的选取、标准化与权重分配相当重要，本节实验仅选择已有数据的土壤含水量、容重、有机质、pH、速效氮、速效磷、速效钾7项指标以隶属度函数进行标准化处理，并以因子分析法进行权重分配后进行土壤肥力评价，但尚未考虑对土壤肥力变化较为敏感的生物学性质的测定及分析处理，而这部分数据对土壤肥力的评价十分重要。此外，土壤评价指标权重的确定方法还有相关系数法[10]等客观权重赋值法和层次分析法[11]等主观权重赋值法，而且聚类分析法[12]和内梅罗指数法[13]等方法均可对土壤肥力进行综合评价，后续可根据学生兴趣或实验需要，以开放课程或大学生科研训练项目等形式开展，拓展学生实验技能，提高学生科研素养。本次实验中，供学生采样的样地仅有3块，后期可选择更多的样地类型或处理，以促进教学与科研的相互融合。

参考文献:

[1]李俊丽,邱凌之,谢浩等利用Win-RHIZO系统分析重金属胁迫下小麦幼苗根系生长状况教学实验设计[J]实验技术与管理2022 39(7):191-195.

[2]徐志霞,孙杰杨勇,等面向应用创新型本科生培养的生物化学实验教学设计:以GFP蛋白的表达分离纯化为例[J]实验室研究与探索,2022 ,41(1):226 -229+258.

[3]熊顺贵,吕贻忠成春彦土壤肥力概念与肥力评判方法[J]中国农业大学学报,1997(S2):21-24.

[4]骆东奇,白洁,谢德体.论土壤肥力评价指标和方法[J].土壤与环境, 2002, 11(2)-.202-205.

[5]廖桂堂李廷轩,王永东等基于GIS和地统计学的低山茶园土壤肥力质量评价[J.生态学报.2007.27(5):1978- 1986.

[6]范少辉赵建诚,苏文会等不同密度毛竹林土壤质量综合评价[J].林业科学,2015(10)-1-9.

[7]赵蛟,徐梦洁,庄舜尧,等基于模糊综合评价法的建瓯市毛竹林地土壤肥力评价[J].土壤通报2018.49(6): 1428-1435.

[8]于寒青,徐明岗,吕家珑等长期施肥下红壤地区土壤熟化肥力评价[J]应用生态学报,2010,21():1772-1778.

[9]管孝艳,王少丽,高占义,等盐渍化灌区土壤盐分的时空变异特征及其与地下水埋深的关系[J]生态学报,2012,32(4):1202-1210 .

[10]赵敬坤,陈松柏,李忠意等模糊综合评价法判断重庆花椒种植区土壤肥力水平[J].中国农机化学报2021,42(10):206-212.

[11]周王子.董斌,刘俊杰等基于权重分析的土壤综合肥力评价方法[J]灌溉排水学报2016,35(6):81-86.