时间:2023-02-25 18:05:41
生物统计学是生物学学科不同专业学生都应该掌握的一门重要的工具课,是许多高等院校生物学、农学、医学等专业的必修课程之一。它是现代生物学研究不可缺少的工具,是培养学生科学研究和综合分析问题能力的重要课程,也是生物学等工作者必备的基础,同时该课程又是其他专业课程的重要基础。因此该课程在生物学、农学、林学、医学、食品、环保等专业中占有十分重要的地位[12]。生物统计学需以生物材料进行研究,但通常所涉及的材料数量较大,很难也没有必要全部参加试验,必须通过科学的方法抽取有代表性的试验个体进行试验,以获得相关的数据,实现由样本推断总体的重要功能。因此生物统计学与试验设计紧密联系,主要讲授数据资料收集和整理的方法、数据资料的统计分析方法和手段以及在概率论的基础上对统计结果做出科学的推断,从而帮助我们认识研究对象的现象和本质[13]。因此,生物统计学已成为生物科技工作者必备的基础,也有利于培养和提高大学生的科学研究能力以及独立分析问题和解决问题的能力,是当代大学生系统的能力培养和全面的素质教育的具体体现。
二、生物统计学教学存在的主要问题
1.生物统计学教材方面。教材是体现教学内容和教学要求的知识载体,也是教学最基本的工具,它不仅是教师进行教学的依据,而且是学生获取知识的重要资料,选择适合教师和学生的生物统计学教材,能够保证教学过程的顺利进行,而且还能提高教学质量,达到良好的教学效果[14,15]。目前,国内所出版的生物统计学教材种类较多,各大高校由于教师和学生的情况不同,在教材方面的选择和使用也不一样。尽管如此,目前国内所出版的生物统计学教材主要包括两大类。第一大类完全是传统生物统计学的知识和内容,不涉及统计软件的介绍和使用,这一大类教材包含两小类,一类主要侧重理论教学,过分强调课程体系的完整性和理论讲授,注重公式的推导而忽视了实际应用例题的讲解。这类教材忽略了对大学生统计思维和综合分析问题能力的培养,因此有一定的缺陷。另一类是目前各大高校使用较多的生物统计学教材,该类教材虽然也存在一些必要的公式推导,但更侧重于统计学理论与实际结合,清楚介绍每一个统计原理理论后,再通过具体实例分析和巩固统计学的基本原理和基本方法,注重培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力,因此这类教材比较适合现在生物科学等本科专业的使用。但这类生物统计学教材由于不涉及统计软件的内容,也存在一定的不足。如果教师在授课过程中未涉及一些统计软件的介绍和使用,那么即使学生完全掌握了相关的统计原理和方法,学生在复杂的试验设计及庞大的数据面前可能也会束手无策,即使会计算,在复杂及庞大的数据计算中也可能会算错,因此可能会得出相反的结论。第二大类统计教材完全是统计软件的介绍和使用,如Excel软件、SAS统计软件、SPSS统计软件、DPS统计软件、R统计软件等的介绍和使用。生物科学、技术等飞速发展的今天,这类统计软件发挥了很大的优势,给科技工作者带来了极大的方便。但这类教材也存在一定的不足,它只注重统计过程的运算和统计,没有统计原理的介绍,因此对没有相关统计学知识或统计学基础较差的学生或老师来说,即使按照教材上的步骤计算出相应的结果,但也不知道具体的含义,也不知道怎么分析。因此这类教材不适合大学本科生的教学。另外,这两大类教材要么只注重数理统计方法的讲授,要么只重视统计软件的使用,而忽视了统计学中的数理统计分析方法是建立在正确的试验设计以及所获数据资料准确的基础上才能发挥正确的作用,这是这两大类生物统计学教材共同存在的不足之处。因此,目前市场上还未见有统计学理论与实际结合,试验设计与统计原理相结合,统计软件与统计学原理相结合的较为完善的生物统计学教材。笔者认为这类生物统计学教材是当前生物科学专业、生物技术专业、生物工程专业、农学专业、医学专业、食品专业等本科专业较为适合的教材。
2.生物统计学与高等数学方面。①生物统计学与高等数学开课时间上的不一致性。国内许多高等学校生物科学等本科专业的培养方案中都把高等数学课程作为一门必修的基础课,学生通过对该门课程的学习,系统获得函数、极限、连续、导数、微积分及常微分方程等基础知识,它为后续课程的学习和解决实际问题提供必不可少的数学基础知识及常用的数学方法。而且,通过各个知识点的学习,逐步培养学生具有较为熟练的基本运算能力和自学能力,综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力。更重要的是,高等数学课程是学习生物统计学的关键,生物统计学中的许多原理和方法都需要高等数学中相应的知识作为基础。②生物统计学与高等数学教学上的脱节性。高等数学课程作为生物科学本科专业一门必修的基础课,各高校均认识到它在生物科学本科专业中的重要性。但长期以来,高等数学和生物统计学均作为两名独立的课程开设,一般情况下,高等数学课程由数学专业教师讲授,由于数学专业的教师没有生物学专业的相关知识,不清楚生物统计学课程的知识体系,只注重数学知识的推导、讲授。因此所讲授的知识内容之间通常存在许多不衔之处,形成了不利于生物统计学课程教学的知识的断层。同样,这也是生物统计学中教师难教,学生难学、难懂、难用的原因之一。
3.生物统计学教师知识结构和科研能力方面。常言道,学生需要一滴水,教师至少要有一桶水。生物统计学的教学,相对于其他课程而言,对教师的要求更高,不仅要求教师要有一定的数学知识,较为渊博的统计学知识,还要求教师要有较强的科研能力。教师只有具备一定的数学知识和渊博的统计学知识,才能很好把握生物统计学相关原理、理论、统计分析方法等。具备较强的科研能力,才能很好将生物统计学相关原理、理论、统计分析方法与实际相结合,才能很好地进行案例教学。4.考试制度方面。考试制度在高等教育中占有非常重要的地位,考试是教学质量评价的一项重要指标,它既是对教师教学质量的反映,也是对学生学习效果的检验。考试制度是否合理
,决定着教学质量的好坏以及学生学习积极性是否能得到最大限度地调动[16]。但是现阶段我国许多高校的考试制度较为死板,缺乏合理性和灵活性。如在学期期末考试中规定一定数量的题型,当然,这种考试制度对于规范考试是必须的,但是应该根据具体课程而定,而不能一概而论。就生物统计学课程而言,如果规定一定数量的考试题型(比如四种题型),那么教师只能根据考试规定勉为其难考虑四种题型。比如说名词解释、填空、问答、计算这四种题型。很明显,这种考试方式只是较为死板的考试,不能真证体现生物统计学课程的本质,不能很好考察学生对生物统计学原理的掌握及运用。
三、生物统计学教学策略
针对目前生物统计学存在的问题,笔者根据自己近十年的生物统计学教学实践,就如何提高生物统计学的课堂教学效果,提出如下建议。
1.选择合适的教材并优化教学内容。教材是教学最基本的工具,选择适合的生物统计学教材,能够保证教学过程的顺利进行,并能提高教学质量。针对目前市场上的不同种类教材,结合学生的实际,选择统计学理论与实际相结合,试验设计与统计原理相结合,统计软件与统计学原理相结合的生物统计学教材进行教学较为合适。据笔者过去的教学实践,该课程授课内容不宜过多和过深,授课内容过多学生精力会分散,分不清重点,而过深则影响学生的接受效果[17]。因此应根据学生实际优化教学内容,坚持以试验研究实例为线索,以科学的试验研究方法为主线,理论原理和实际例子相结合,从试验研究的选题和设计、试验方案的制定和实施、试验数据的收集和整理到试验数据的统计分析,最后做出科学的推断等,尽可能把抽象的统计学概念和原理转变为具体的实例,提高学生的学习兴趣,使其更好地理解和掌握所学的课程内容[7]。很好激发学生学习生物统计学课程的兴趣,从而更好地提高教学效果和教学质量。
2.处理好高等数学和生物统计学的关系。高等数学作为生物科学本科专业的基础课,是学习生物统计学的关键。一方面,高等数学一般在第一学年开设,因此生物统计学安排在第二学年开设为宜,这样能避免高等数学和生物统计学课程开设在时间上形成的断层,有利于学生对生物统计学的学习。另一方面,高等数学和生物统计学不应分别让不同专业的教师讲授,而均应由生物学专业教师讲授,因为生物学专业的教师清楚生物统计学课程的知识体系,在讲授高等数学时,能够根据生物统计学的相关原理和内容,优化高等数学的教学内容,有侧重点进行知识的讲授。从而能避免生物统计学与高等数学教学在知识上的脱节性,也有利于学生对生物统计学的学习。
3.提高自身知识结构和科研能力,注重案例教学。生物统计学教材大多理论性强,内容枯燥,容易使学生产生厌烦感。照本宣科的传统授课方法,更会使学生失去兴趣,对于培养学生的独立思考能力和创造能力十分不利。在现代教学中,教师既是知识的传授者,也是教学活动的组织者,在教学过程中起到关键的作用,教师知识水平的高低直接影响学生的学习效果[18]。因此教师应不断加强对生物统计学基本原理、基本理论和基本方法的学习与实践。另外,教师还应不断加强自身的科研能力,在教学过程中将自己的科研工作或生产实践案例贯穿到教学中,以自身科研实例辅助教学,增加学生的学习兴趣,培养学生的统计学思维以及对统计学的实际应用能力。
4.加强试验设计的教学和实践。试验设计又称为实验设计,它以概率论和数理统计的原理和方法为理论基础,科学地、经济地设计研究方案的一项技术。一个良好的试验设计,可以用最少的实验次数,得到足够的实验数据,从而能减少人力、物力和财力的投入[6]。由于生物统计学理论性和实践性较强,且涉及大量的数学公式、抽象的概念和复杂的内容。因此在生物统计学的教学中应充分调动学生学习的主动性,加强学生对生物统计学原理、知识的理解和综合运用,强化学生综合试验设计的锻炼及其应用。提高学生利用统计原理、方法分析和解决实际问题的能力。生物统计学教学中,一方面,教师应该有渊博的统计学知识及其丰富的科研经历,另一方面,应让学生走出教室,加强实践,使学生不但能够掌握统计分析的原理和方法,而且可以解决一些生产中的实际问题,真正达到生物统计学教学的目的。
5.改革传统的考核方式,着力培养学生综合运用生物统计学知识的能力。很多学校传统的考试以闭卷笔试的考核方式为主,试卷内容主要测重基本概念、理论知识和方法的考核,期末考试成绩基本决定了学期的成绩,这种考试方式造成的结果是学生平时可以不听课,考试前通过突击,也能考合格,但考后就可能全忘了。更重要的是学生学完生物统计学,学期考试后,都不知道学了些什么,更不知道怎么用,到做毕业论文需用到统计学原理和知识时,很多学生不会用或者乱用。一些高校期末考试总评成绩由平时成绩、期中成绩和期末成绩三部分组成。这种方式在一定程度上重视了学生平时学习情况和期中考试成绩,避免了期末考试成绩基本决定了学期成绩的弊端,但是某些高校规定了每门考试课必须有四种以上的题型,对于一般的学科而言,这种规定也许是可行的,但对于生物统计学而言,这种规定是不合理的。因为生物统计学的教学主要是培养学生综合运用统计学原理和知识的能力,培养学生如何进行试验设计、试验数据的统计、分析以及对统计结果的解释等。因此笔者认为,对于生物统计学的教学,教师应从学生的实际情况出发,以培养学生综合运用统计学原理和知识为目标,合理讲授统计学的相关内容。期末考试以开卷考试为宜,学期总评成绩由平时成绩、期中成绩和期末成绩三部分组成,考试题型只需考察计算题和试验设计题两种题型,即重点考察学生对基本知识的掌握程度及灵活运用统计学原理和方法解决实际问题的能力。生物统计学是一门理论性较强的应用学科,涉及的内容多、公式多、概念多,对学生而言,难懂、难记、更难用,而且很多学生不愿意学习。因此在生物统计学教学过程中,教师应从学生的实际情况出发,选择合适的教材并优化教学内容,提高自身知识结构和科研能力,改变教学方法,加强试验设计的教学和实践,改革传统的考核方式,着力培养学生综合运用生物统计学原理和知识的能力为教学目标,充分调动学生学习生物统计学的主动性和积极性,同时增加学生上机学习统计软件的操作,掌握EXCEL、SPSS、DPS等统计软件的使用,提高学生利用生物统计学的原理和相关统计软件解决实际问题的能力。
关键词:生物统计学;精品课程;教学改革
一、引言
随着生物科学的发展,只有定性的结论已不能满足实践的需要,实现生物科学结论定量化是人们长期追求探索的目标;生物统计学是生物学科定量化的重要分析理论与方法,生物统计学是生物学科应具备的基本知识和素质,与生命活动有关的各种现象中普遍存在着随机现象,大到森林陆地生态系统,小至分子水平,均受到许多随机因素的影响,表现为各种各样的随机现象,而生物统计学正是从数量方面揭示大量随机现象中存在的必然规律的学科。因此,生物统计学是一门在实践中应用十分广泛的工具学科,它是生命科学各专业的专业基础课,对后续生命科学课程学习和生物科研有重要作用。
同时,生物统计作为数理统计在生物学领域的应用,是教学难度较大的一门课程。因此,在生物统计学精品课程建设过程中,针对各专业培养目标的定位,因材施教,更新教育理念,加强实践训练,在教学方法和教学手段上进行改革和大胆探索。
二、二十一世纪对生物统计学课程的重新定位
(一)新世纪对生物统计学课程提出的新要求。
二十世纪上半叶农业和遗传统计学首先获得了发展,在其基础上发展起来的生物统计学、统计流行病学、随机化临床试验学已经成为攻克人类疾病的一个里程碑。这在过去的半个世纪里显著提高了人类的期望寿命。
21世纪人类基因组,基因芯片等实验科学产生出的巨量数据,需要新工具来组织和提取重要信息。
将数据转化为信息需要统计理论和实践方面的洞察力、技术和训练。
未来的生物统计学将会与信息技术密切结合,较少侧重传统数理统计,而会更多注意数据分析,尤其是大型数据库的处理。生物统计学越来越不同于其它数学领域,计算机和信息科学工具至少和概率论一样重要。
(二)生物统计学对大学生素质培养的作用。
生物统计学的一个重要特点就是通过样本来推断和估计总体,这样得到的结论有很大的可靠性但有一定的错误率,这是统计分析的基本特点,因此在生物统计课程的学习中培养了一种新的思维方法———从不肯定性或概率的角度来思考问题和分析科学试验的结果。
生物统计学是通过个别的试验研究得出其一般性结论,属于归纳推理的范畴。但其有别于简单枚举法和科学归纳法,是一种或然性归纳推理或者概率归纳推理。在生命科学的研究中绝大多数涉及到的是随机事件,因此,生物统计学不仅是试验设计与统计方法的教学,更重要的还是大学生思维方式的培养,这对提高大学生的素质很有必要。
生物统计学包括试验设计和统计方法两个有机联系的组成部分。通过试验设计的教学可提高大学生设计研究课题试验方案的能力,使之明确课题的研究目的、试验因素与水平以及试验设计方法等方面的内容。通过统计方法的教学除让学生弄清各种统计方法的内涵外,还需要使学生能够正确地选择最适合的统计方法,以揭示资料潜在的信息,达到研究的最终目的,从而提高大学生科学研究素质。
三、教学方法和教学手段的改革
(一)加强电子课件及网络平台建设。
生物统计学是应用概率论和数理统计原理研究生物界数量变化的学科,而概率统计的理论和思维方法对本科生来说有一定的难度,加之课程学时的减少(由原来的60-70学时,降到现在的40学时左右),如何深入浅出地引导学生入门,并使学生在了解概率统计思想的基础上,掌握常用统计分析方法的应用及使用条件是课程的教学难点。为此,我们利用多媒体技术,制作了与教材配套的课件,通过在课堂上把抽象内容形象化与直观化,收到了良好教学效果。建设了一个生物统计学教学网络支撑平台,现有课程简介、教学大纲、师资力量、授课教案、电子版《生物统计学》教材、课程录像、实习指导、在线测试题、参考文献、其它教学资源等栏目,免费向全校师生开放。
(二)将多媒体教学优势与学生的认知规律有机结合,用较少的学时得到良好的教学效果。
多媒体具有信息量大、形象化、直观化的特点。
但是如果不能很好地将多媒体这些特点与学生的认知规律相结合,多媒体教学就可能会带来一些弊端诸如:(1)内容多,幻灯片变换快,由照本宣科变为照屏宣科,为新的“满堂灌”;(2)课件图片多,内容以展示为主,缺乏启发性;(3)教学内容常用满屏的方式显示(即所谓“死屏”),老师照着屏幕上的内容给学生讲解,失去了传统教学方法,老师边讲边板书能给学生留下比较深刻印象的特点,缺乏吸引力。
而多媒体在教学中只能充当工具的角色,在教学过程中必须将多媒体信息量大、形象化、直观化的特点与学生的认知规律紧密结合在一起。在制作课件时,采用启发式教学方式,精炼教学内容,模仿传统教学书写板书的过程,根据教学内容的难易程度,采用逐字、逐句、逐段显示教学内容的动画方式。在课堂教学中,老师仍然保持传统教学方法的教姿教态,在授课的过程中与学生保持互动,根据学生在课堂上接受知识的能力,掌握屏幕上显示内容的速度,必要时辅以板书进行讲解。这样做既发挥了多媒体教学的特点,又充分照顾到学生的认知规律,在内容没有缩减,学时减少近三分之一的情况下,仍然取得良好的教学效果。
(三)长期坚持教育教学方法及教学规律的研究。
生物统计学的理论基础是概率论与数理统计,从这个层面上讲,它有非常浓的数学味道,但是它又有别于概率论与数理统计,生物统计学更主要强调的是概率论及数理统计的思想和方法在解决生命科学中一些具体问题的应用。因此在教学过程中就存在一个“度”的把握问题,如果将概率论及数理统计的原理讲得太多,一是学时不允许,二是学生难以消化,得不到好的教学效果;如果只注重方法的讲解,学生知其然不知其所以然,就会误入乱套公式的歧途。经过将教学的重点放在教学中引导学生重点掌握统计方法的功能与用途,方法与步骤,防止各类方法的误用,淡化定理的证明与公式的推导。在教学内容的安排上采用“保干削枝”,即在学时减少很多的情况下,将一些次要的统计方法去掉,也要保证有足够的学时讲授理论分布与抽样分布、统计假设测验等方面的内容,让学生掌握生物统计学中所蕴含的概率论及数理统计的思想精髓,从而避免学生乱套统计公式。
(四)密切跟踪生命科学发展的前沿动向,探索生物统计学解决前沿问题的理论与方法。
统计学在生物学中的应用已有长远的历史,许多统计的理论与方法也是自生物上的应用发展而来,而且生物统计是一个极重要的跨生命科学各研究领域的平台。现在基因组学、蛋白质组学与生物信息学的蓬勃发展,使得生物统计在这些突破性生物科技领域上扮演着不可或缺的角色。在课程建设中,随时注意纳入生物统计学在前沿领域研究应用的内容,增强课程的活力,提高教师和学生面向生物产业主战场解决实际问题的能力。
四、加强实践教学,注重学生能力培养
生物统计学要不要开实验课,怎样开实验课,一直存在争议,在此认为生物统计学不仅应该开设实验课,而且还要将实践教学的重点放在计算机技术和统计软件的应用上,让学生不仅掌握统计方法,而且加深对原理的认识,获得就业或升学的必备计算机统计技能,提高解决复杂问题的能力。
(一)开展统计软件的实习,扩大学生的视野,提高学生素质。
20世纪20年展起来的多元统计方法虽然对于处理多变量的种类数据问题具有很大的优越性,但由于计算工作量大,使得这些有效的统计分析方法一开始并没有能够在实践中很好推广开来。而电子计算机技术的诞生与发展,使得复杂的数据处理工作变得非常容易,所以充分利用现代计算技术,通过计算机软件将统计方法中复杂难懂的计算过程屏障起来,让用户直接看到统计输出结果与有关解释,从而使统计方法的普及变得非常容易。在课程体系改革中,各课程的教学时数与达到培养目标所需完成的教学内容相比还是不足的。为此,可以通过标准的统计软件的教学实习来达到以点带面,扩大学生视野,提高学生素质。
为此我们建立了一个专用于实习教学的生物统计电脑实验室。现共有50余台电脑,并连接到校园网。实验室配备有指导教师,负责对上机的学生答疑。除按教学计划进行的正常实习教学外,实验室还对优秀学生免费开放,鼓励他们结合教师的科研活动,应用所学生物统计学知识,学习新的生物统计学知识,掌握应用计算机解决生物统计学问题的技能。
(二)全方位、多层次的实践教学。
为了进一步培养学生实际动手能力和科学严谨的治学态度,必须将本课程的实践教学活动延伸到课堂教学外,开展全方位、多层次的实践教学。
在原绵阳农专期间,主要在作物育种、作物栽培、动物营养等课程实验与实习中,根据相关内容加入了试验设计方法以及数据统计分析的相关内容。
组建了西南科技大学生命科学与工程学院以后,由原来的单一农科专业变成了理、工、农三大学科均有专业的格局。虽然专业的学科归属不同,但有一点是相通的,其内涵均属于生命科学的范畴。以科学研究的方法进行划分,均属于实验科学。
掌握正确的实验设计方法,从不确定性数据中挖掘事物的客观规律,是实验科学工作者必备的技能。因此,我们将原来只是在农科专业上延伸实践教学的作法推广到全院的所有专业,结合实验课教学的改革,对发酵工艺学实验、植物细胞工程实验、食用菌实验、微生物学实验等课程的内容全部或部分改为用生物统计学指导学生自主进行实验设计,把过去单一的实验流程、样品观察或检测实验改变为试验条件的优化试验,提出在不同条件下对样品测定的比较试验设计、单因素试验设计、多因素试验设计、正交试验设计、均匀试验设计,对试验结果要求学生使用统计学的方法对进行分析和讨论,最后得出最佳试验条件。
这样的实验教学改革起到了一箭双雕的作用,从专业基础课或专业课的角度看,改验证性实验为设计型、综合性实验,增强了学生解决实际问题的能力,培养了学生创新思维的能力;从生物统计学角度看,将课程的教学实践延伸到课程外,弥补了学时的不足,更重要的是学生将自己学到的统计学知识,转化为解决实际问题的能力,知识得到很好的内化。
此外,在学生课外科技活动中指导学生选用正确的实验设计和数据的统计分析方法,提升科技作品的档次;在毕业论文(设计)中要求学生采用恰当的生物统计学方法进行设计与分析,写出高质量的毕业论文(设计)。
通过这样的教学实践,训练了学生的统计思维能力,使学生充分认识到掌握生物统计学这一工具的重要性和必要性,增强了学生学好用好这门工具的信心,提高了学生从复杂的生命现象中挖掘事物客观发展规律的能力。
精品课程是集科学性、先进性、教育性、整体性、有效性和示范性于一身的优秀课程。作为精品课程的载体,应具有一流的教师队伍、一流的教学内容、一流的教学方法、一流的教材、一流的教学管理等特点。与之相比,我们在生物统计学精品课程的建设上,才刚刚起步,今后还要在教材建设、师资队伍建设、科学研究等方面加大力度,将生物统计学建设成体现现代教育教学思想、符合现代科学技术和适应社会发展进步的需要、能够促进学生的全面发展而深受学生欢迎的一门课程。
参考文献:
[1]何风华,李明辉。生物统计学多媒体教学的探索与实践[J].江西教育学院学报(综合),2004,25(6):25~27
[2]洪伟,吴承祯,陈辉,等。精品课程建设的核心:学科、队伍建设与科学研究[J].高等农业教育,2004,6:50~51.
[3]崔相学。提高学生统计分析素质的实践与探讨[J].成都中医药大学学报(教育科学版),2004,6(2):67~68.
[4]邓华玲,傅丽芳,孟军,等。概率论与数理统计课程的改革与实践[J].大学数学,2004,20(1):34~37.
[5]张红平,李利,明道绪,等。培养学生正确的统计学思维[J].四川农业大学学报,2004,22(s):56~57.
关键词:生物统计学;精品课程;教学改革
一、引言
随着生物科学的发展,只有定性的结论已不能满足实践的需要,实现生物科学结论定量化是人们长期追求探索的目标;生物统计学是生物学科定量化的重要分析理论与方法,生物统计学是生物学科应具备的基本知识和素质,与生命活动有关的各种现象中普遍存在着随机现象,大到森林陆地生态系统,小至分子水平,均受到许多随机因素的影响,表现为各种各样的随机现象,而生物统计学正是从数量方面揭示大量随机现象中存在的必然规律的学科。因此,生物统计学是一门在实践中应用十分广泛的工具学科,它是生命科学各专业的专业基础课,对后续生命科学课程学习和生物科研有重要作用。
同时,生物统计作为数理统计在生物学领域的应用,是教学难度较大的一门课程。因此,在生物统计学精品课程建设过程中,针对各专业培养目标的定位,因材施教,更新教育理念,加强实践训练,在教学方法和教学手段上进行改革和大胆探索。
二、二十一世纪对生物统计学课程的重新定位
(一)新世纪对生物统计学课程提出的新要求。
二十世纪上半叶农业和遗传统计学首先获得了发展,在其基础上发展起来的生物统计学、统计流行病学、随机化临床试验学已经成为攻克人类疾病的一个里程碑。这在过去的半个世纪里显著提高了人类的期望寿命。
21世纪人类基因组,基因芯片等实验科学产生出的巨量数据,需要新工具来组织和提取重要信息。
将数据转化为信息需要统计理论和实践方面的洞察力、技术和训练。
未来的生物统计学将会与信息技术密切结合,较少侧重传统数理统计,而会更多注意数据分析,尤其是大型数据库的处理。生物统计学越来越不同于其它数学领域,计算机和信息科学工具至少和概率论一样重要。
(二)生物统计学对大学生素质培养的作用。
生物统计学的一个重要特点就是通过样本来推断和估计总体,这样得到的结论有很大的可靠性但有一定的错误率,这是统计分析的基本特点,因此在生物统计课程的学习中培养了一种新的思维方法———从不肯定性或概率的角度来思考问题和分析科学试验的结果。
生物统计学是通过个别的试验研究得出其一般性结论,属于归纳推理的范畴。但其有别于简单枚举法和科学归纳法,是一种或然性归纳推理或者概率归纳推理。在生命科学的研究中绝大多数涉及到的是随机事件,因此,生物统计学不仅是试验设计与统计方法的教学,更重要的还是大学生思维方式的培养,这对提高大学生的素质很有必要。
生物统计学包括试验设计和统计方法两个有机联系的组成部分。通过试验设计的教学可提高大学生设计研究课题试验方案的能力,使之明确课题的研究目的、试验因素与水平以及试验设计方法等方面的内容。通过统计方法的教学除让学生弄清各种统计方法的内涵外,还需要使学生能够正确地选择最适合的统计方法,以揭示资料潜在的信息,达到研究的最终目的,从而提高大学生科学研究素质。
三、教学方法和教学手段的改革
(一)加强电子课件及网络平台建设。
生物统计学是应用概率论和数理统计原理研究生物界数量变化的学科,而概率统计的理论和思维方法对本科生来说有一定的难度,加之课程学时的减少(由原来的60-70学时,降到现在的40学时左右),如何深入浅出地引导学生入门,并使学生在了解概率统计思想的基础上,掌握常用统计分析方法的应用及使用条件是课程的教学难点。为此,我们利用多媒体技术,制作了与教材配套的课件,通过在课堂上把抽象内容形象化与直观化,收到了良好教学效果。建设了一个生物统计学教学网络支撑平台,现有课程简介、教学大纲、师资力量、授课教案、电子版《生物统计学》教材、课程录像、实习指导、在线测试题、参考文献、其它教学资源等栏目,免费向全校师生开放。
(二)将多媒体教学优势与学生的认知规律有机结合,用较少的学时得到良好的教学效果。
多媒体具有信息量大、形象化、直观化的特点。
但是如果不能很好地将多媒体这些特点与学生的认知规律相结合,多媒体教学就可能会带来一些弊端诸如:(1)内容多,幻灯片变换快,由照本宣科变为照屏宣科,为新的“满堂灌”;(2)课件图片多,内容以展示为主,缺乏启发性;(3)教学内容常用满屏的方式显示(即所谓“死屏”),老师照着屏幕上的内容给学生讲解,失去了传统教学方法,老师边讲边板书能给学生留下比较深刻印象的特点,缺乏吸引力。
而多媒体在教学中只能充当工具的角色,在教学过程中必须将多媒体信息量大、形象化、直观化的特点与学生的认知规律紧密结合在一起。在制作课件时,采用启发式教学方式,精炼教学内容,模仿传统教学书写板书的过程,根据教学内容的难易程度,采用逐字、逐句、逐段显示教学内容的动画方式。在课堂教学中,老师仍然保持传统教学方法的教姿教态,在授课的过程中与学生保持互动,根据学生在课堂上接受知识的能力,掌握屏幕上显示内容的速度,必要时辅以板书进行讲解。这样做既发挥了多媒体教学的特点,又充分照顾到学生的认知规律,在内容没有缩减,学时减少近三分之一的情况下,仍然取得良好的教学效果。
(三)长期坚持教育教学方法及教学规律的研究。
生物统计学的理论基础是概率论与数理统计,从这个层面上讲,它有非常浓的数学味道,但是它又有别于概率论与数理统计,生物统计学更主要强调的是概率论及数理统计的思想和方法在解决生命科学中一些具体问题的应用。因此在教学过程中就存在一个“度”的把握问题,如果将概率论及数理统计的原理讲得太多,一是学时不允许,二是学生难以消化,得不到好的教学效果;如果只注重方法的讲解,学生知其然不知其所以然,就会误入乱套公式的歧途。经过将教学的重点放在教学中引导学生重点掌握统计方法的功能与用途,方法与步骤,防止各类方法的误用,淡化定理的证明与公式的推导。在教学内容的安排上采用“保干削枝”,即在学时减少很多的情况下,将一些次要的统计方法去掉,也要保证有足够的学时讲授理论分布与抽样分布、统计假设测验等方面的内容,让学生掌握生物统计学中所蕴含的概率论及数理统计的思想精髓,从而避免学生乱套统计公式。
(四)密切跟踪生命科学发展的前沿动向,探索生物统计学解决前沿问题的理论与方法。
统计学在生物学中的应用已有长远的历史,许多统计的理论与方法也是自生物上的应用发展而来,而且生物统计是一个极重要的跨生命科学各研究领域的平台。现在基因组学、蛋白质组学与生物信息学的蓬勃发展,使得生物统计在这些突破性生物科技领域上扮演着不可或缺的角色。在课程建设中,随时注意纳入生物统计学在前沿领域研究应用的内容,增强课程的活力,提高教师和学生面向生物产业主战场解决实际问题的能力。
四、加强实践教学,注重学生能力培养
生物统计学要不要开实验课,怎样开实验课,一直存在争议,在此认为生物统计学不仅应该开设实验课,而且还要将实践教学的重点放在计算机技术和统计软件的应用上,让学生不仅掌握统计方法,而且加深对原理的认识,获得就业或升学的必备计算机统计技能,提高解决复杂问题的能力。
(一)开展统计软件的实习,扩大学生的视野,提高学生素质。
20世纪20年展起来的多元统计方法虽然对于处理多变量的种类数据问题具有很大的优越性,但由于计算工作量大,使得这些有效的统计分析方法一开始并没有能够在实践中很好推广开来。而电子计算机技术的诞生与发展,使得复杂的数据处理工作变得非常容易,所以充分利用现代计算技术,通过计算机软件将统计方法中复杂难懂的计算过程屏障起来,让用户直接看到统计输出结果与有关解释,从而使统计方法的普及变得非常容易。在课程体系改革中,各课程的教学时数与达到培养目标所需完成的教学内容相比还是不足的。为此,可以通过标准的统计软件的教学实习来达到以点带面,扩大学生视野,提高学生素质。
为此我们建立了一个专用于实习教学的生物统计电脑实验室。现共有50余台电脑,并连接到校园网。实验室配备有指导教师,负责对上机的学生答疑。除按教学计划进行的正常实习教学外,实验室还对优秀学生免费开放,鼓励他们结合教师的科研活动,应用所学生物统计学知识,学习新的生物统计学知识,掌握应用计算机解决生物统计学问题的技能。
(二)全方位、多层次的实践教学。
为了进一步培养学生实际动手能力和科学严谨的治学态度,必须将本课程的实践教学活动延伸到课堂教学外,开展全方位、多层次的实践教学。
在原绵阳农专期间,主要在作物育种、作物栽培、动物营养等课程实验与实习中,根据相关内容加入了试验设计方法以及数据统计分析的相关内容。
组建了西南科技大学生命科学与工程学院以后,由原来的单一农科专业变成了理、工、农三大学科均有专业的格局。虽然专业的学科归属不同,但有一点是相通的,其内涵均属于生命科学的范畴。以科学研究的方法进行划分,均属于实验科学。
掌握正确的实验设计方法,从不确定性数据中挖掘事物的客观规律,是实验科学工作者必备的技能。因此,我们将原来只是在农科专业上延伸实践教学的作法推广到全院的所有专业,结合实验课教学的改革,对发酵工艺学实验、植物细胞工程实验、食用菌实验、微生物学实验等课程的内容全部或部分改为用生物统计学指导学生自主进行实验设计,把过去单一的实验流程、样品观察或检测实验改变为试验条件的优化试验,提出在不同条件下对样品测定的比较试验设计、单因素试验设计、多因素试验设计、正交试验设计、均匀试验设计,对试验结果要求学生使用统计学的方法对进行分析和讨论,最后得出最佳试验条件。
这样的实验教学改革起到了一箭双雕的作用,从专业基础课或专业课的角度看,改验证性实验为设计型、综合性实验,增强了学生解决实际问题的能力,培养了学生创新思维的能力;从生物统计学角度看,将课程的教学实践延伸到课程外,弥补了学时的不足,更重要的是学生将自己学到的统计学知识,转化为解决实际问题的能力,知识得到很好的内化。
此外,在学生课外科技活动中指导学生选用正确的实验设计和数据的统计分析方法,提升科技作品的档次;在毕业论文(设计)中要求学生采用恰当的生物统计学方法进行设计与分析,写出高质量的毕业论文(设计)。
通过这样的教学实践,训练了学生的统计思维能力,使学生充分认识到掌握生物统计学这一工具的重要性和必要性,增强了学生学好用好这门工具的信心,提高了学生从复杂的生命现象中挖掘事物客观发展规律的能力。
精品课程是集科学性、先进性、教育性、整体性、有效性和示范性于一身的优秀课程。作为精品课程的载体,应具有一流的教师队伍、一流的教学内容、一流的教学方法、一流的教材、一流的教学管理等特点。与之相比,我们在生物统计学精品课程的建设上,才刚刚起步,今后还要在教材建设、师资队伍建设、科学研究等方面加大力度,将生物统计学建设成体现现代教育教学思想、符合现代科学技术和适应社会发展进步的需要、能够促进学生的全面发展而深受学生欢迎的一门课程。
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李春喜教授主编的第五版生物统计学教材中,前一章内容分别为概论。结合SPSS特点,在讲授本章内容的同时,SPSS上机实验课应设置为SPSS软件的界面介绍、基本特点和作用,数据的建立、导入与导出部分。SPSS软件的特点与作用:SPSS(StatisticalPackagefortheSocialScienceorStatisticProductsandServiceSolution)软件是于1968年由美国斯坦福大学(StanfordUniversity,USA)的三位研究生研发而成,并以此名创立SPSS公司。该软件操作简单,易学易用,具有较强的统计功能和强大的作图功能,特别是能够快速准确地完成大量的、烦琐的、专业的和复杂的数据统计分析,是国际上认可的专业统计分析软件之一。其可广泛应用于统计分析(例如均值比较、相关分析、方差分析等)以及统计图形(例如柱状图、散点图、饼状图等)的制作和编辑。在介绍这些功能的同时,打开SPSS窗口,兼并介绍SPSS视图窗口中标题栏、菜单栏、数据单元格显示、工具按钮、数据视图和变量视图的一些简单用法。数据文件的建立:SPSS软件打开之后,会进入数据编辑窗口,新建一组数据后可将变量依据实验内容进行命名,并选择输入数据的基本变量类型(例如数值型、逗号型、句点型、科学计数型、日期格式型、美元型、定制货币型和字符串型等)。数据文件的导入与导出:SPSS可以导入SPSS(*.sav),Exce(l*.xls),dBASE(*.dbf),ASCⅡ(*.dat,*.txt),Access(*.mdb),Lotus(*.w*),Foxpro(*.dbc)等数据文件,以及各类SASS数据文件。即从菜单选择File中选Open,弹出OpenFile对话框,文件框内显示以选择所需文件后缀类型,之后选择对象,单击打开(O)按钮,或双击对象文件,从而将文件导入。同样文件的导出通过File中的save/saveas(保存数据对话框),选择保存路径,键入文件名,确定数据类型,单击保存(S)按钮,其导出文件。
二、应用SPSS软件的基本统分析
教学材料第二、三章内容为资料的整理与特征数的计算、概率和概率分布,结合教学内容SPSS上机实验课应设置基本统计分析课程,该部分包括数据汇总报告和描述性统计分析两方面的内容。基本统计分析可通过菜单栏的分析(Analyze)窗口进入,点击分析栏之后,鼠标放置数据汇总报告(Reports)栏,即可显示分层报告(OLAP—OnlineAna-lyticalProcessing)、数据汇总(CasesSummarize)、行汇总报告(ReportSummariesinRows)、列汇总报告选项(ReportSummariesinColumns)。其中分层报告主要用于中位数、最大值、最小值、方差、偏度系数等统计描述;数据汇总可用于对编辑窗口中的数据在结果窗口中罗列出来,以便浏览和打印,同时也可对数据的基本特征进行描述;行汇总报告可罗列原始数据,其格式是以观察单位和统计量为行标目,以报告变量为列标目;列汇总报告主要用来生成按列显示统计量计算结果的报告,同时也可以完成许多统计计算。当鼠标放置描述性统计分析(DescriptiveStatistics)位置后,选中响应的功能即可进入频数分析(Frequen-cies)、描述性分析(Descriptives)、探索性分析(Ex-plore)、多维交叉表分析(Crosstabs)、比值分析(Ratio)窗口从而根据自己的目的进行响应的数据分析。
三、应用SPSS软件的均值比较和方差分析
生物统计学基本知识熟悉之后,在随后在课堂教学中会开始进行统计推断和方差分析部分的内容。SPSS实验课在此部分结合课堂教学相应的设置均值比较和方差分析上机内容。均值比较可通过菜单栏的分析(Analyze)窗口进入,点击分析栏之后,鼠标放置数据均值比较(Com-pareMeans)上即可显示相应分析栏:平均数基本分(Means)可用于定量资料的统计分析,按分组变量计算因变量的描述统计量值,如均值、方差、标准差、偏度、峰度等统计量,并显示结果;单样本T-test(One-SampleTTest)单样本t检验主要用于样本平均数和已知总体平均数的比较;独立样本T-tes(tInde-pendent-SamplesTTest)可用于检验两个独立样本的总体平均数之间是否有显著差异;配对样本T-test(Paired-SamplesTTest)用于配对计量资料的比较,检验配对样本差值的总体均数与0的差异有无显著意义,以及配对样本是否相关方差分析包括单因素方差分析和多因素方差分析。其中单向方差分析(One-WayANOVA)可通过均值比较(CompareMeans)进入,其用于完全随机设计资料的多个样本均数比较和样本均数间的多重比较,也可进行多个处理组与一个对照组的比较。多因素方差分析可通过分析栏里的多因素方差分析(GeneralLinearModel)选项进入,进入之后会设置四个不同要求的选择:单变量多因素方差分析(Univariate)可用于一个因变量受一个或多个自变量影响的方差分析;多因变量方差分析(Multivariate)主要用于多个因变量受一个或多个因素变量或协变量影响的方差分析;多因变量方差分析(Multivariate)对同一因变量进行重复测量的方差分析;混合效应分析(VarianceCompo-nents)用来估计每个随机因素对因变量方差的贡献。在分析过程中可根据不同的需要和要求,选择相应的方差分析。
四、应用SPSS软件的回归和相关分析
在方差分析之后,李春喜教授主编的第五版生物统计学教材第七章内容为直线回归和相关分析。根据课程设置,SPSS上机实验课最后应设置为回归分析和相关分析的内容。回归分析包括线性回归分析和可转化的线性回归分析。其中线性回归分析包括一元、多元线性回归,其可通过分析(Analyze)中的Regression选项进入,进入之后可通过选择Linear选项进行数据的线性回归分析;可转化的线性回归分析,是将非线性数据通幂指数、倒数、等转化,转化为可线性回归的数据,从而进行分析,其可通过Regression里的CurveEstima-tion选项进入。相关分析是一种将客观事物之间相互联系反映到数量上,从而说明相关变量之间关系的一种分析。SPSS软件中可通过分析(Analyze)中相关(Correlate)里的Bivariate选项进行二元变量的相关分析;当实验要在进行排除其他变量影响下的两变量相关分析时,可通过选择相关(Correlate)里的PartialCorrelationAnaly-sis进行偏相关分析;而当研究问题涉及变量较多,众多变量间的相似性和信息交叠使得我们难以从中提炼出主要信息时,可选择相关(Correlate)里的Distances来进行距离分析。五、总结本人依据生物统计学的实际教学经验,将李春喜教授所编生物统计学第五版教材的教学内容与SPSS统计学专业软件的基本功能相结合,对不同章节的教学内容全部在SPSS软件中进行操作应用。通过SPSS实验教学与生物统计学课堂教学的相互照应,必将加深学生对本门的掌握程度,同时在以后的现实应用中也必会起到良好的效果。
关键词:生物统计学;开放式考核;毕业论文
0引言
当前,我国的高等教育正处在改革和发展的关键时期,高等教育如何才能更好地适应新时代的发展和需要,这是每一个从事高等教育的人必须认真思考的问题.全面深化高等教育综合改革的工作也在有序推进.高校应该在人才培养模式和实践教学等关键环节进行综合改革,高校教师应该加强教学研究和教学改革工作,对人才培养模式进行改革.其中,课程教学内容、教学方法以及考核方式等方面的改革尤显重要.下面将对普通高等师范院校“生物统计学”课程如何改革考核方式进行一些探讨.
1“生物统计学”课程的地位和作用
“生物统计学”是一门应用数学,是高等师范院校生物学专业本科生的专业基础课程.该课程要求学生能够运用统计学原理和方法来分析和解释生物学界的各种现象,对实验所获得的数据能进行科学分析,从而做出符合实际的推断,生物统计学已成为生物科学研究所必需的重要手段.实验设计本身并不是生物统计学的内容,但是,只知道统计分析方法,而不知道如何设计符合统计学要求的实验,知识并不系统、全面.因此,多数统计学教材都加入了实验设计的内容.通过学习实验设计的内容,可以使学生掌握正确的数据收集、整理和分析的方法,并掌握常用的实验设计方法(简单实验设计、单因素实验设计、两因素实验设计、多因素实验设计),为完成其他专业课程的学习、毕业论文以及以后从事科学研究工作奠定基础,这对学生分析和解决问题能力的培养起着重要的作用.按照目前高等教育综合改革对人才培养模式的要求,学生应该具备较强的综合能力,而这些能力需要通过扎实的科技知识训练和系统的能力培养来实现.此外,生物统计学也是培养和提高大学生科技素质的一个很重要的方面.由于生物统计学要求学生具有一定的数学基础和较好的逻辑推理能力,普通高等师范院校的生物学专业虽然在大一时开设了高等数学这样的基础课,但是,数学基础仍然相对较差,所以,该课程一直被认为是生物学专业最具难度的课程之一.
2“生物统计学”课程考核方式现状分析
课程考核是教学的必要环节,既能检验学生对知识的掌握程度,又可以衡量教师的教学效果.现阶段我国许多高校的考试制度缺乏合理性和灵活性,如在课程的期末考试中规定必须要通过完成试卷的方式来考核,有的高校还规定必须具有一定数量的题型.传统的考核方式主要以考试(闭卷或开卷)为主,试题的内容主要体现在基本概念、基本原理和相关的统计分析方法的应用,期末考试成绩基本决定了课程的学期综合成绩.但是,不同的课程有不同的特点和要求,就生物统计学课程而言,考试的考核方式虽然可以通过让学生完成相应题目来考察学生对生物统计学原理的掌握及运用能力,但是,完成试题的过程需要使用计算器进行大量的运算,而在实际运用环节中,很少会使用计算器进行计算,都是通过相关的统计软件来进行统计分析.由此可见,通过完成试卷来考核的方式与实际应用脱节,缺乏合理性.此外,由于普通高等师范院校生物相关专业学生数学基础稍显薄弱,所以,这种传统的完成试题的考核方式会导致学生的考试分数不理想,不及格的学生比例较高.从生物统计学的教学目标来看,主要由试卷考核来评价学生的学习效果显得不够全面.前述考核方式可能还存在以下一些不足之处:首先,部分高校的课程总评成绩由考勤成绩、平时成绩和期末成绩三部分组成,各部分所占比例不同.
这种考核方式在一定程度上重视了学生的课题出勤率和平时完成作业的情况,避免了期末考试成绩在课程学期总成绩起主要作用的弊端.但是,部分同学在平时完成课后作业的过程中,由于没有学会相应的知识,无法独立完成作业,于是采用抄袭的方法来完成作业,这样就无法通过完成作业的过程来巩固相应的理论知识.其次,与多数课程一样,部分学生平时不认真学习,考前通过突击复习,即便考试通过,但是对知识掌握不牢靠,一段时间后就会忘记所学知识,当然更谈不上会运用统计学知识来解决生物学问题,到做毕业论文需用到统计学知识时,很多学生显得毫无头绪.第三,学生虽然掌握了统计学的基本理论知识,但缺乏基本的统计思维能力和实践经验,对理论知识不能灵活运用,也不能举一反三.这样的一些考核方式将学生引向了一种为了应付考试而学习的轨道,学生为了完成试题,需要花大量时间去进行计算,理论与实践脱节,当然会限制学生学习主动性和积极性的发挥.对于“生物统计学”这种注重分析和应用能力并且实践性较强的课程而言,这样的考核方式不够灵活,也不能使学生有较好的学习效果.
3“生物统计学”课程考核方式的改革探索
高等教育综合改革要求改变人才培养模式,培养出创新性人才是当下时代的需求.这样就要求学生拥有较强的学习能力以及运用所学的专业知识解决实际问题的能力.课程的考核是教学活动的必要环节,灵活合理的考核方式能很好地促进学生巩固教材上的学习内容,并培养其解决实际问题的能力.为了达到上述教学目标,对生物统计学课程进行考核方式的改革是必要的.在教学工作中,可以根据高等教育综合改革的具体要求,按照教学目标,对考试观念、内容和形式等方面进行改革,充分发挥考核的功能.改变传统的课程总成绩的测评方式,将考勤成绩、平时成绩、统计软件应用成绩、期末考核成绩相结合而综合考核.考勤成绩可以督促学生进入教室听课;平时成绩可以督促学生通过完成作业来加强对所学理论知识的掌握,只是,要避免学生为了平时作业的成绩较好而去抄袭作业的情况发生;统计软件的应用已经普及,通过统计软件应用这个项目的考核,可以督促学生掌握相应的统计软件的使用方法;期末考核内容可以结合学生之前学过的专业知识以及将要进行的毕业论文内容,学生可以查阅有关参考资料后选择一个小的研究课题,独立设计实验,并能够独立完成相关的统计分析内容,最后给予合理的生物学解释.生物统计学的教学主要是培养学生如何进行实验设计,如何收集并整理数据,并能用相关的统计分析方法分析出结果,最后得出相应的专业解释的能力.因此,教师首先要转变观念,认识到大趋势下进行高等教育综合改革的必要性,认识到人才的培养模式要有所调整,认识到教学改革的重要性.
对于生物统计学的教学,教师应根据学生的知识基础和学习能力,因材施教,以培养学生综合运用统计学原理和知识为目标,重点培养学生运用统计学原理和方法解决实际问题的能力.传统的用试卷进行考试的方法的实际应用价值并不是太大,这种考核方式要求学生使用计算器等工具进行大量的计算.而随着计算机技术的发展,相关的统计软件可以完成基本统计分析,因此这种传统的考核方式的实际应用价值并不太大.同时,由于该门课程本身较难,可能会导致学生花了太多的时间复习应考却并不能及格.大学生科学研究素养的培养主要体现在如何发现科学问题以及如何对所要研究的课题进行设计和实施两个方面.而生物统计学的教学正好可达到这一培养目标.“生物统计学”的教学内容包括实验设计和统计分析方法两块大的内容.通过实验设计内容的学习,可培养学生独立设计研究课题的能力(实验因素与水平的选择、实验设计方法的选择);
通过统计学原理和相关统计分析方法的学习,培养其利用统计学知识解决生物实际问题的能力.上述两个方面综合起来,还可以培养学生的逻辑思维能力,锻炼其科研能力.因此,考核方式和内容就应该通过改革来反应学生对这些能力的运用能力,摒弃单纯以理论知识的难度、深度和完成试卷的好坏来衡量学生对知识的掌握程度的做法.经过在普通高等师范院校多年的生物统计学教学实践,笔者提出如下针对期末考核方式的改革内容:可以采用开放式考核的方式,摈弃传统的试卷考试的方法.把生物统计学的考核与学生的毕业论文结合起来,毕业论文的前面一部分工作通过课程考核的方式来完成,让学生自己拟定实验计划书(包括题目选取、文献查阅、设计实验等).由于学生并没有实际开展实验,只能通过文献中的数据,列出相应的统计分析方法的计算步骤,再运用统计学软件进行统计分析.
通过这种开放式的考核,可以使学生在结合应用实际的基础上掌握相应的统计分析方法,综合培养学生的多方面能力,达到能够独立进行相应的统计分析的目的.到了毕业论文的实验部分完成后,对数据的整理以及统计分析方法的应用就能轻车熟路,达到较好的学习效果.具体内容可以从如下方面进行考虑:结合教材的两个大的方面的内容,统计分析和实验设计,让学生自己编制实验计划书,计划书包括选题、国内外研究动态、实验目的、预期结果、实验方法、实验设计(重点内容)、确定统计方法,并从文献中收集相关的数据来进行统计分析,列出分析步骤,最后运用统计软件进行分析,对结果进行解释.通过上述考核内容,还可以引导学生树立良好的学术道德观念.学生选题后进行实验设计时知道需要遵循的随机、重复、设置对照等原则,通过这个过程,应该认识到实验所获得的数据是分析问题、解释问题的基础,所获得的任何数据和结果一定要经得起别人的检验,不能为了得到理想的结果而去修改或者编造数据.这对他们今后从事科学研究或其他方面的工作保持良好的道德操守影响深远.
4结语
经过几年的教学实践,结果表明,通过以上考核方式的改革,学生没有了应付试卷的压力,学习的主动性和积极性都会有所提升.在完成期末考核内容的过程中,也锻炼了学生运用生物统计学原理和统计分析方法解决生物学实际问题的综合能力.此外,还能提高学生的逻辑思维能力和独立分析能力,使其具备基本的科研能力.今后,该课程的考核方式还需要进行如下的完善:更深层次将该课程考核与学生毕业论文进行融合,具体与学生的论文指导教师进行沟通,确定选题的大方向;可以将统计软件应用能力的考核与期末考核的内容结合起来,让学生上机分析从文献中获得的数据并给予适当的生物学解释.
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关键词: 生物统计学 教学方法 实践应用 慕课平台
生物统计学是所有生命科学专业里面最重要的专业课程之一,它的基础是高等数学,概率论、微积分及线性代数是这门课程理论知识体系的核心工具,学好这门课程具有相关的数学基础是基本要求。生物统计学归根结底是为了应用,掌握相关的分析软件是学好这门课程的另一个基本要求。如何把理论体系和实践应用有机地结合起来,是教学中最核心的任务。作者在多年的生物学统计教学的基础上,从以下几个方面阐述这个问题。
1.理论知识的掌握
生物统计学是统计学的手段运用到生物学研究中,因此学好这门课程首先要熟练地掌握统计学相关理论知识。一般来说,高校在学生大一大二的时候开设与数学相关的所有课程,如概率论、线性代数等,为了更好地衔接,生物统计学课程就安排在大三的上学期。生物统计学很多的知识点和概率论与数理统计这门课程高度重合,很多情况下就是对这门课程的一个回顾,这对刚刚学完这门课的学生来说,掌握起来相对简单。而整个理论体系里面的难点是如何把统计学知识和生物学结合起来,这需要学生从思维上真正认识到统计学只有运用到实践中才能发挥作用,尤其在生物学领域中,统计学这个工具在具体的方案解决中的运用才是其生命力的体现。这就需要在教学过程中通过一个个案例分析让学生真正了解统计学是如何运用到实际应用中的,这对他们以后进行毕业论文实验结论的分析有重要的意义。
2.案例分析
上面提到理论知识的真正掌握是运用在实践中,生物统计学教材上也给予大量生物研究方面的案例,但不同的教材偏重点不同,如杜宋骞主编的教材,就是偏重于遗传学方面的知识运用。而你所面对的学生,以后进行的毕业论文研究涉及生物领域的方方面面,因此你所需要进行的案例分析不要仅局限于课本上,而要在各个领域搜寻典型的案例,尽可能地涵盖生命科学的几个主要学科,使学生以后面对任何方面的问题都能够找到相关的借鉴。另外,案例分析要注重案例的代表性和普遍性,尽可能地通过一个案例衍生出多种生物统计学的解决方案,让学生掌握在何种情况下运用何种分析方法,每种分析方法的适用条件是什么,各自的优缺点等。这是生物统计学最精髓的地方,经过这门课程的学习,让学生把这个工具真正运用到实践中,因此这是生物统计学教学的重中之重。这对教师的要求非常高,只有亲身在科研领域进行多年研究的老师才能胜任。因此在选择授课老师方面,科研经验丰富,带过多届研究生的导师是最佳人选。
3.分析软件的运用
生物统计学的计算是一个非常复杂的过程,一个简单的生物统计学分析要伴随大量的计算,如果仅靠人力计算,效率低不说,而且容易出错。在很多年前,统计学相关的软件就已经开始应用到生物统计学的领域。最著名的是SPSS软件,其他的像R,METLAB,ORIGIN等也在各个领域得到广泛的使用。正如前面所说,生物统计学授课的最根本目的是应用,因此理论知识转化到软件的操作,是这门课程的最后一步。SPSS功能强大,可以实现绝大多数的生物统计学分析,如果完全熟练地掌握这个软件工具,所需要的时间远远大于这门课的课时;因此在有限的教学时间里,应尽可能地把生物统计学最基本和最典型的分析教授给学生,并以此作为一个引子,在课余的时间里,让学生自学,根据自己的需要确定掌握到什么程度。老师的作用是把这个软件介绍给他们,并且开启应用的大门,里面的“宝藏”让学生自己挖掘。
4.大学生慕课平台的使用
大学生慕课平台已经开始在中国大学教育体系里崭露头角,这种新形式的教学方法近几年来取得瞩目的成绩。生物统计学这门理论和实践并重的专业课程,如果借助此平台,将会进一步达到课程的核心要求。尤其是关于软件的应用方面,老师可以把相关的操作通过视频讲解的方式到这个平台上,让学生随时都可以查阅,这对他们熟练掌握生物统计学的应用起到事半功倍的作用。在以后这些学生进行毕业论文里面数据分析的时候,慕课平台可以提供他们所需的解决方法,同时平台的互动性也可以让他们随时获得老师的线上线下支持。
关键词:生物统计学;教学效果;案例教学
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)01-0110-02
生物统计学(Biostatistics)学是概率论和数理统计的原理和方法在生命科学领域的重要应用,它贯穿于生物医学研究流程的始终,不仅提供试验设计、数据收集整理和数据描述的基本方法,还提供合理选择统计分析方法以及对统计结果的分析与应用的重要原则[1]。因此,生物统计学是生物医学类各专业的重要基础课和必修课。该课程旨在培养学生具备统计思维,正确选择、应用统计方法解决生物医学研究中遇到的问题。通过该课程的学习,能为学生后续课程学习、毕业设计及科研论文撰写打好基础,也有利于培养学生的科学素养以及运用数学工具分析和解决问题的能力,从而大大提高学生的综合素质[2]。但生物统计学有很强的理论性和实践性,教学内容包含大量复杂的数学公式和抽象概念,需要学生具备一定的数学基础和逻辑推理能力。与其他专业课相比,普遍反映授课难度大、学生积极性不高、遗忘快。因此,必须针对该课程特点,改革教学体系、教学方法和考核方式,达到激发学生学习兴趣,培养学生熟练掌握并灵活运用常用试验设计和统计分析方法的目的。作者结合自己近年来的教学实践,分析教学过程中存在的问题,就如何提高生物统计学的教学效果浅谈自己的体会,为提升生物统计学的教学质量提供一定的参考。
一、生物统计学的教学体系建立
课程体系和教学内容直接反应课程的教学目的和培养目标,是培养学生学习能力、提高教学质量的核心环节。在生物统计学教学体系建立过程中,我们综合考虑课程特色和教学要求,从理论教学和实践应用环节入手,组织整合教材内容,精心提炼生物医学研究中的实际问题,以期给予学生在生物统计学的学习和应用中以科学、合理的引导。首先,理论教学是整个教学体系构建的基础,而教材则是教学体系是否完整而有效的基础与核心。作为教学内容的载体,教材是学生获取知识的来源,也是教师教学的依据,它是贯穿教学活动的重要因素,因此,教材的选择将直接影响教学质量和效率。在教材选择方面我们主要考虑了教学内容覆盖的全面性,在教学中指定李春喜主编的《生物统计学》(第五版)作为教材,根据本科教学的实际需求选择部分内容进行详细讲解。同时,授课教师归纳和融合其他参考书的优秀教学内容,透彻理解教学内容的内在逻辑联系,打造适合本专业的理论教学体系。
其次,生物统计学课程具有很强的实践性。因此,实践教学体系是生物统计学教学的另一关键,也是检验课程实际效果的最终标准。在教学过程中,我们将计算机技术和统计软件引入生物统计学的实践教学,向学生介绍Excel、SAS、SPSS等经典统计软件的特点,在不同章节教学中穿插具体统计方法的统计软件实现,讲解利用统计软件进行统计分析的步骤,达到将抽象统计理论与直观形象操作相结合的目的。统计软件引入生物统计学教学既体现信息技术时代的特点,又适应了高素质应用型人才培养的要求[3]。另一方面,我们以具体的科研案例为基础,指导学生运用生物统计学知识自主进行实验设计和数据分析,并将实验方案和统计方法运用到学科竞赛等课外科技活动中,不仅巩固了学生对知识的理解,也提升科技作品的档次。在毕业论文环节,加强对学生论文中统计学方法运用的培训和规范化要求,提高毕业论文的质量。这些实践教学活动使学生把所学的知识真正运用于解决实际问题。
二、多元化教学,提高生物统计学教学效果
传统的生物统计教学以教师课堂理论讲授为主,教学活动以教师为中心,有利于教师掌控课程内容和进度,但教学效果主要取决于教师个人的课堂组织和语言表达能力。由于生物统计学教学内容枯燥,抽象概念多、关联度高,公式多且难记忆,学生在被动听课的过程中易产生厌学情绪,学习积极性不高,对知识的掌握效果欠佳。同时,单一的讲授教学使学生在课后除完成习题外,无任何其他检测手段,难以达到学以致用的效果,学生也难于感受该课程的现实意义。从教学实践中也发现,依靠传统教学模式,尽管教师和学生都投入了大量时间和精力,学生不会灵活应用相关知识来解决实际问题。在课程结束一到两年后,学生会遗忘学过的大部分知识,面对毕业设计和生产实践中遇到的问题一筹莫展。因此,必须采用多元化的教学形式,利用丰富的教学内容和富于变化的教学手段来吸引学生注意力,提高教学效率的目的。
(一)板书教学
板书教学作为传统教学手段,在讲授大数定理、中心极限定理、方差分析的分解等重要的统计学原理和相关公式的证明和推导时,可以留给学生足够的时间理解和消化讲授的知识,学生可在在老师的引导下积极思考,因而在理论教学时具有其他教学手段难以比拟的优势。
(二)多媒体教学
随着计算机技术的普及,多媒体教学手段在高校教学中已被广泛使用。多媒体教学能给予学生直观的图形、图像,能使得一些抽象的问题形象化,这对于生物统计学这样抽象概念众多的课程来说显得非常重要,通过我们精心制作的生物统计学课程教学课件,学生能多角度地直接观察对象,更好的理解抽象的生物统计学概念;而通过搭配课件中不同的背景、文字、图片、视频等内容,使得课件图文声像并茂,能多角度调动学生的情绪、注意力和兴趣,提高学生的学习兴趣,能有效地突破教学难点。我们还利用多媒体教学交互性好的特点,基于本校课堂互动系统,要求学生接入该系统在线实时答题,师生共同批改检查并进行当堂评价,使大部分学生能在课内理解掌握重要知识点,有效解决了知识缺陷累加的问题。此外,在目前还没开设课内上机实验的情况下,我们还利用多媒体课件进行演示实验,如:随机抽样分布中的随机数生成,介绍Excel、SAS、SPSS等统计软件在统计推断、方差分析、一元回归等方面的应用,讲解利用上述统计软件进行统计图表绘制的要求和流程等,让学生清晰、直观的掌握抽象的概念及过程,提高学生分析和解决问题以及呈现研究数据的综合能力。
(三)案例式教学
案例教学法起源于19世纪20年代,由美国哈佛商学院所倡导。该方法将工作中的真实情景加以典型化处理,形成供学生思考分析的教学案例,学生通过课前/后独立学习和课堂讨论的方式主动参与教学过程。在生物统计学课程中我们遵照“提出问题―学生思考―寻求解决―理论讲授―实践运用”的思路实施案例教学法。在讲授前将要分析讲解的案例分发给学生,让学生在课后预先寻求解决方案,课堂上先由学生讲述自己的解决方案,然后再由教师分析讲授相关原理和正确方法。案例式教学可引导学生通过独立思考、分析案例,获取解决方案的学习过程,真正认识到生物统计学课程的重要性,形成正确的统计思维。此外,基于案例的教学模式重视教师与学生的双向交流。学生要对材料进行消化并查阅各种资料提出解决问题的方案;而教师要对学生的解决方案给以引导,并不断整合新的教学内容,对教师也提出更高的要求。在生物统计学中引入案例教学是提高教学效果的一种有效手段[4]。
三、改革考核方式,培养学生综合能力
作为评定学生对所学知识掌握程度的依据,考试是教学中的一个重要环节,它可以促进学生系统总结已学知识,也是教师了解教学效果最有效的方法。目前,生物统计学的考核方式多以期末闭卷考核为主,考察内容侧重于基本概念、理论和计算。这种考核方式下学生平时听课作业不认真,考前突击也能通过考试;即使是掌握了知识点的学生也可能不会灵活解决科研中的实际问题。因此,我们改革考核方式,结合平时含书面作业、案例分析口头讲述和期末考试综合评定学生成绩。期末考试形式为“一纸开卷”,学生可以将自己认为重要的知识点梳理后归纳至“一纸”上供考试时参考。考试内容加入大量案例分析内容,更为灵活。实践证明,上述考核方式促使学生把主要精力放在用统计分析方法解决实际问题的方向上,提高解决实际问题的能力,同时也大大减轻了学生的学习负担。
四、总结
综上,我们在生物统计学的教学中不断系统提炼教学内容,注意多种教学方法结合,通过灵活多样的教学手段调动学生学习的主动性,积极与学生互动,使学生由“被动式学习”转向“主动式”、“创新式”学习。通过不断探索和尝试,我们积累了一些经验,教学效果也得到了学生的肯定。但我们也深知,生物统计学为生物医学类学科中重要而特殊的一门工具学科,对教师的综合素质有着较高的要求,要进一步提升教学质量仍然任重道远。在今后的教学中,我们将努力提高自身科研素养和教学技能,优化教学过程,努力建立适合本专业特色和实际需要的教学体系,为提高该课程的教学质量而继续努力。
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【关键词】田间试验与统计方法 教学改革 教学方法
【基金项目】2012年广东省质量工程资助项目。
【中图分类号】S6-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2013)10-0241-02
《田间试验与统计方法》是农科专业的一门专业基础课。作为一门方法论的科学,它对于学生科学研究的训练、科研素养的提高以及指导农业生产实践,均具有重要意义[1-2]。我国各高等农业院校开设《田间试验与统计方法》课程具有悠久的历史,并逐步形成了富有各自特色的课程教学体系。二十多年来,我们坚持实践,积极探索,不断总结,在明确教学目标和任务前提下,积极进行教学改革,做了多方面的尝试,不断完善教材体系、教学环节和教学手段,取得了较好的效果。现就《田间试验与统计方法》课程教学改革实践中的相关问题谈一些体会与思考,以期与同行进行交流。
1.课程的基本内容及其在农业高等教育教学体系中的地位
作为专业的基础课,《田间试验与统计方法》课程以高等数学、概率论与数理统计、遗传学等课程为基础,主要介绍田间试验设计、试验结果的整理与统计分析等内容。通过本课程的学习,要求学生能正确地设计试验方案并对试验结果进行统计分析,为进一步学习专业课程打下必要的理论基础,也为今后从事毕业论文和开展科学研究打好方法论基础。田间试验与统计方法的内容主要包括四大部分。第一部分介绍科学研究的基本过程、试验方案的制定,试验误差及其控制,在此基础上进一步讲述田间试验误差的来源、土壤差异、控制误差的小区技术、试验设计、实施规则以及试验数据的获取。第二部分从试验数据最简单的描述统计开始,进而介绍研究对象总体的理论分布、统计数的抽样分布以及统计数的理论概率。第三部分在误差理论的基础上引入通过假设测验进行统计推断的基本方法,介绍平均数比较的u测验和t测验,然后进一步介绍F测验和x2测验及其应用。第四部分两个以上变数间的分析,即相关与回归部分。田间试验与统计方法的核心内容是试验设计和统计分析的方法;统计方法重点在于方差分析和回归相关[2-6]。
2.改革传统的田间试验与统计方法教学方法
2.1优化教学内容,构建合理的课程知识结构体系,突出重点,兼顾全面
培养人才的目的,就是为了满足生产实际和科学研究的需要。在教学过程要尽可能地与生产实际想结合,与相关领域的研究相结合。《田间试验与统计方法》课程是在已学过概率论与数理统计的基础上,进一步加深试验设计理论、拓宽试验设计方法,提高数据处理效率,旨在增强专业研究能力,提高论文试验的设计水平与论文质量。迄今,该课程在国外偏重于各种常用试验设计优化及各种统计软件包如Statistica、Excel、SAS和SPSS等使用;在国内则偏重于各种试验设计方法和统计分析的介绍,试验结果采用计算器一步一步计算,以求加深对试验设计原理及统计过程的理解。这两种教学体系前者统计手段先进,但试验设计薄弱,不利于学生对各种试验设计方法的灵活运用;后者突出试验设计部分内容,但数据处理费力费时。两者各有利弊,有待改进。
根据长期的教学实践,我们认为,《田间试验与统计方法》课程的教学应立足于理论与实践相结合,既应介绍各种试验设计方法的原理,又必须有这些设计方法在农业中的应用实例。因此,我们优化了该课程的教学体系和教学内容,对于比较典型、又较常用的试验设计(如随机区组设计),进行详细讲解。课堂教学重点则放在各种试验设计方法的特点、用途及相互联系方面。至于设计步骤只按试验小区排列图简述即可,结果的统计分析也只需列出方差分析表中的变异来源项。因为对于大多数试验来说,这些变异来源的平方和(SS)等统计项可用常用的计算器计算出来。如此安排授课进程,可避免课堂内容重复,并让学生避免记忆繁琐的统计公式,有利于学生在较短的课堂时间内,掌握各类试验设计的要领,便于日后灵活运用。
2.2 灵活应用各种教学方法,强化理论教学
任何的教学改革措施,都必须符合教学的基本规律,建筑在常规教学的基础上。提高传统教学的授课质量,是教学改革成功的根本。教学实践中,根据《田间试验与统计方法》课程图表多、公式多、计算多、学习难度大等特点,按照教学的目的要求、重点、难点以及达到的目标,可分别采用不同的教学方法。(1)对于基本概念、基础理论以讲授法为主,力求深入浅出,讲深讲透;(2)对于数理统计学公式,淡化演绎推理过程,着重讲清发现问题、解决问题的思路,启迪学生的逻辑思维能力;(3)对于一些统计图表的绘制(如田间试验设计图、数据资料的次数分布图、双变数的回归图等)则辅以直观教学法。例如,在讲授“田间试验设计”一节时,其教学过程设计为:首先把不同试验设计方法的图例通过投影展示给学生,并用对比法简要介绍不同设计的特点以及相关的术语,然后详细介绍几种有代表性的试验设计图的绘制方法,在此基础上,再进一步说明不同设计方法的适用范围。这样讲授可以使学生在感性认识的基础上再上升到理性认识,加深对所学知识的理解;(4)对适于学生自学的内容则采用课堂讨论的方法;(5)对于计算内容较多的章节则辅以练习法。在讲课过程中,避免满堂灌,尽可能启发引导学生思考,适当设疑,活跃课堂气氛。
2.3加强课堂讨论,因材施教
解决某一特定专业问题可采用的试验设计方法很多,但试验效率可能大不相同。因此每大类试验设计讲授后,有必要让学生根据各自的专业要求,最好结合自己将来的毕业论文,进行设计练习,然后组织课堂讨论。在《田间试验与统计方法》的授课过程中,充分利用课堂讨论可以收到良好的效果。它能使学生强化对基本内容的理解,提高学生在科研实际中的自觉运用统计学理论和技能的能力。这种方式的教学还可以让学生换换“口味”,避免被动的“满堂灌”,使学生变被动为主动,去查阅相关资料,引发学生的学习兴趣。通过查阅资料、课堂交流以及自己的独立思考,学生能够全面地了解所研究问题涉及的领域范围、来龙去脉以及可能的解决办法。
在讨论过程中,可先由学生上台介绍,再让全体师生共同对试验设计进行探讨,提出修改意见,并作出评价。这样既有利于学生掌握、巩固课堂知识,能灵活运用各类试验设计方法来解决专业问题,提高教学效果,又可让学生学以致用,增强学习兴趣,提高学习积极性和自觉性。对于任课教师来说,课堂讨论无疑是一次了解学生对教学内容的掌握程度。在所有的课堂讨论中,针对毕业论文的课堂讨论尤其具有重要意义。因为每个同学对毕业论文的重视程度都是勿庸置疑的,但每个同学的毕业论文所涉及的领域又是各不相同的。因此,通过针对毕业论文的课堂讨论,教师可以了解本课程知识在不同领域中的应用范围,最后分析、归纳出这些领域对本课程特殊要求的极好机会。因此,对于每一个学生的设计练习,应予以登记、摘录。对于典型练习,应予保留,并及时充实到教案中,以丰富教学内容,促进学用结合[2]。
2.4 运用电化教学手段,增加课堂教学信息量
本课程的内容涉及大量设计草图与统计图表,因此教学挂图较多。纸质挂图较易损坏,白布绘制的挂图又难以修改和清洗,且携带不便。利用学校大多数教室都已经配备多媒体投影设备的条件,将这些图表、公式及教学内容制成Powerpoint幻灯片实施教学,加快了授课节奏,增加课程的信息量。对于某些试验设计的野外试验场景,也制成幻灯片或教学录像片,增强了教学手段的形象化和动态化,激发了学生的学习兴趣,丰富和发展学生的形象思维和逻辑思维,提高了教学效果。
《田间试验与统计方法》课程计算量大,目前科研工作中的统计分析工作绝大多数都通过统计分析软件完成。因此《田间试验与统计方法》课程CAI课件的制作必须跟统计分析软件“链接”,如可以与SAS、DPS或SPSS等分析软件结合;教师在利用CAI课件授课时,可以通过统计分析软件演示例题的计算过程与结果,强化学生对统计分析软件的使用[3,6-8]。
2.5加强课后作业练习
在指导本科生和研究生学位论文时,我们发现相当一部分学生在真正使用统计这一有效的手段时,往往无从下手,这主要是因为在课堂教学之外他们的实践环节比较薄弱。在他们还没有接触科研活动之前,这种实践环节可以通过大量的作业来替代。
2.6 加强计算机统计分析练习
加强计算机在试验设计,特别是在试验结果统计分析中的应用,是本课程的一个重要发展方向。如何将国内外各种统计分析软件进行合理开发,使之与本课程教学内容相衔接,并利用计算机开展统计分析教学,这是本课程教学改革的一个重要内容。
目前国内外惯用的计算机统计软件包大多具备常用试验设计的结果统计功能。对于采用典型试验设计,如随机区组、拉丁方、裂区设计等方法设置的试验,其试验结果一般都可以用软件包直接统计。对于由典型试验设计演化的变种,包括混杂设计、正交设计等,仍可借助计算机按变异来源进行平方和及自由度分解,从而完成繁琐的中间运算过程,提高计算效率。
在计算机日益普及的今天,许多复杂的统计分析,如回归分析、相关分析等已完全可以由计算机完成,因此,不必再沿用计算器统计时代对算法作太多的介绍。针对本课程上机时数有限,而现有统计软件包功能较多,课堂上来不及详细介绍这一现状,计算机统计练习目前最好采用先集中铺导,再分散进行课外练习,最后集中答疑的方式。这样可使学生有较多的软件熟悉时间,便于学生在软件练习过程中发现问题,解决问题,提高计算机实际应用能力[7-8]。
2.7 强化实践教学,加强学生实践能力的培养
要想使学生正确运用生物统计的知识和方法去处理、分析和解决实际问题,必须加强学生对生物本身生长发育规律以及生物界数量现象的认识。生物界的数量现象是普遍存在的,这些数量现象又是广泛地存在变异的。正确地认识这些数量现象,将有助于我们正确地选择适当的统计分析方法来处理试验数据。生物统计的目的就是帮助我们发现和挖掘这些蕴藏生物内部的规律,使我们对生物本身生长发育及生物与环境间的关系有更深的认识[4-5]。
在生物科研中容易发生有关数据统计分析的错误,我们经常发现,这通常都与是否有正确的试验设计有关。生物统计学虽然是分析试验结果的有力工具,但是也只有那些有计划有目的地收集起来的数据,经过整理、思考和统计学分析,才能得出正确的结论。我们经常发现有人因为缺乏统计学知识收集大量无助于分析的数据而丢失一些必要的数据,这样的资料很难得出正确的结论;或者由于收集方法不正确,而得不到对总体无偏的估计,使推断的结果不够准确,浪费了人力和物力。
针对上述情况,我们加强了进行实际课题研究训练的教学环节,特别是加大了有关试验设计内容的实践,使学生能够在进行一项研究之前,根据试验目的,按照统计学的要求制定出一整套完整的试验方案,开展正确的田间试验。在实践过程中,学生通过自己搜集资料,自己提出课题,然后在教师指导下进行讨论和研究,把课堂扩展到资料室、图书馆和实验场地,融教、学、研为一体,充分调动了研究生学习的积极性和主动性,不仅加深了学生对统计学原理、模型和方法的理解,更提高了他们分析问题和解决问题的能力,使学生学得生动活泼、丰富多采。对于有条件的学生,就让他们直接参与老师的科研工作。
3.教学改革的效果
经过二十多年的探索与实践,《田间试验与统计方法》课程的教学效果不断提高。课程改革的效果,不仅得到了学生的认可,而且也得到了学校教学管理专家的好评。通过反复实践,学生抓住了田间试验与统计方法的基本要点,能够自觉地运用田间试验设计与统计方法来解决科研工作中的问题。在我校历届园艺、农学专业的毕业论文中,绝大多数能做到正确地进行试验设计、正确地应用统计指标、对数据进行正确的统计分析、正确地应用统计图表对研究结果进行简洁而清楚的表达,并且能正确地解释试验结果,导出正确的结论。
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作者简介:
近半个世纪以来,科学技术迅猛发展,新知识、新成果不断涌现,数字化特点凸显。根据2002年度美国国家科学基金会资助的研讨会报告,目前我们收集的数据需求呈指数增长,而数据分析的需求呈二次增长,但统计的专业人才呈线性增长并且目前统计学的教育远远落后于实际需求。邵启满教授“给当今毕业生的建议,就两个字:统计”。我们当前的数理统计课程的教育还处于“非常狭窄的计算机时代前的统计学”,严重滞后于不断发展中的现代统计学。大部分的研究生教科书内容仍然是从统计量到点估计,继而假设检验、回归分析和方差分析等基础知识的呈现及统计方法的推导。课程的教学大纲中也以理论推导为重点,注重统计方法的理论基础和演绎证明,而对于实际应用较多的现代统计方法缺乏介绍,忽视与各种统计软件的结合。因此,我国工科研究生毕业论文实验数据处理手段较为低级,对异常数据缺乏理性说明。我们的研究生往往在学完数理统计课程后,虽然掌握了基本的统计方法和推导,但进入科研工作碰到实际数据时,对数据的收集、处理和分析仍然一筹莫展。这也是促使我们教学理念转换的主要原因,研究生数理统计课程应以现代统计应用为中心,不仅要求学生理解和领会统计思想,还应正确使用统计方法,根据计算结果作出正确的推断,给出合理的解释。
2教学变革的尝试
由于课程的实用性和重要性,学生普遍对数理统计课程比较感兴趣。如何调动学生的主观能动性,变“被动灌输”为“主动探索”,在有限的课时内学习较多的统计知识呢?我们教学变革主要采取如下措施。
2.1教学内容的调整为了避免重复学习,我们对原来本科时已经学习的统计量与抽样分布、参数估计这部分内容只简单复习,温故知新,不再细讲。而对目前生物医学工程中应用较普及的方差分析、回归分析,我们补充了生物医学方面的实例,运用软件进行统计分析,并对运行结果详细讲解。对于教材未介绍的非参数检验和实验设计部分,补充几种常见的统计方法。对于较复杂的多元统计和现代统计学部分,我们引入PBL教学模式,通过分组、问题探究、成果汇报、反思和完善几个步骤,完成学习内容。
2.2教学方式的改进在课程的教学中,我们尽量做到深入浅出,回避复杂的推导、运算和证明,强调对统计思想的理解以及统计方法的运用,同时注重和统计软件的结合。统计从某种意义上说是与数据打交道的科学,没有实际数据的统计分析,不利于学生对统计方法的理解和应用。教学中如果仍然当成数学课程,注重统计理论中定理和公式的推导演算,而缺乏实际的数据分析训练,学生就无法对统计的广泛应用性及重要性有深刻的体会,也不利于保持和提高他们的学习兴趣。我们补充了生物医学方面的实例,通过数据分析,提高他们对统计方法的实际应用能力,也为后续PBL教学的顺利开展做准备。大部分学生在本科阶段已学习Matlab软件,而且工科学生计算机应用能力较强,因此我们要求学生自学一门统计软件(如SPSS、R等)或使用Mat-lab,对所有的实例在软件中实现数据分析。软件输出的是数值或图表,并没有详细的解释、分析和结论,学生必须结合数据背景知识,应用所学统计方法,进行分析推断,最后给出结论和合理的解释。
2.3考核方案的变革注重平时考核,淡化期末考试。考试不是最终目的,只是促进学习而已。因此,成绩是对学生学习情况的全面评价,不仅包括教材知识点的掌握情况,还有自主学习和实际应用的能力。我们将PBL案例分析的评价和期末考试的成绩各设置为50%的比例,鼓励学生自主学习,提高实际数据分析的能力。
3结合PBL教学模式
统计学的飞速发展要求研究生掌握必备的统计基础知识外,能够进行知识的自我更新,具有不断学习现代统计新知识的能力。PBL教学模式在提高学生分析问题、解决问题的能力,培养学生成为自主学习者、终身学习者等方面已被广泛认同。虽然生物医学工程专业研究生基础知识比较扎实,但统计学的发展以及软件的学习交叉,要想学好这门课程并不轻松。在研究生教班开展PBL教学的有利条件是:①教班人数较少,分组进行问题探索可以实现。②学生对数理统计课程比较感兴趣,积极性较高。③现代统计学和计算机科学紧密联系,但医学工程学生计算机应用能力较强,在统计软件的学习和编程方面具有优势。④教研组在数模竞赛培训和本科毕业设计中积累了一些素材,可以将内容完善成PBL问题。我们引入PBL教学模式,进行了初步探索。
3.1前期准备推荐一些统计应用的网站和书籍。简单介绍前沿的方法和知识,补充回归、相关、时间序列分析以及实验设计等内容,对于随机模拟、MC-MC方法也举例说明。教师将原先积累了一些实例设计成若干问题,让学生进行选题,组成学习小组(每组5-8人),确定分工。我们将多元统计分析和传染病预测的案例编写成4个问题,提前半个月交给学生,等他们分组确定后,分别给予一定指导。
3.2问题探究小组成员分工合作,查找文献、学习算法,围绕选定的问题进行准备。通过交流和讨论,将各自学到的知识进行整合,进而运用这些知识重新分析上一阶段提出的问题,思考并提出解决方案。最后,对问题形成一个附有详细统计算法和计算结果的论文报告交给教师。
3.3成果展示和汇报各组将问题的解决方案和结果做成PPT,在课堂上进行汇报。其他小组可以提问和质疑,开展课堂讨论。教师预先阅读各小组的论文报告,引导学生的课堂讨论,针对学生模糊不清的问题进行讲解,强调重点和难点,对每个小组的报告给予建设性意见和评价。
3.4反思和完善成果展示并不是学习过程的结束,各小组根据课堂的讨论和建议,重新对问题的解决进行完善,修改论文,上交修改后的论文报告。教师根据各组的报告和堂上表现,进行评价,给出成绩。结合PBL教学模式,学生在问题分析和解决的过程中得到了各方面的锻炼,这将有助于培养自身的自学能力和创造性思维能力。运用所学统计知识解决和分析实际问题,这不仅提高学生的数理统计素养,也有助于他们撰写科研论文和语言表达能力的培养,达到教学和实践、理论和应用并举的目的。通过初步探索,我们取得了较好的教学效果。然而受到课时数、师资等各方面因素的制约,在实施过程中还存在一些困难。如何进一步开展PBL教学法,为教学提供更有效的方法和手段,是我们下个阶段的任务。
关键词: 应用能力培养 案例教学 专题训练 生物统计学
1.引言
生物统计学是关于生物科学研究中资料的搜集、整理和分析的科学[1],是现代生物科学研究和生产实践不可缺少的工具[2],其在农学、生态学、环境科学等相关学科广泛用于认识、推断和解释各种现象。该课程的教学目的是使学生根据数理统计的基本原理,设计科学实验、正确处理和分析实验数据,并结合专业知识对实验结果做出科学合理的分析和解释[3]。通过该课程教学,不仅可以培养学生科学运用统计学的方法分析和解决问题的能力,而且可以培养学生探索问题的能力,激发学生的开拓创新精神[4]。
2.生物统计学课程改革的背景
业已成为高等院校生物学及相关专业的必修专业基础课的生物统计学,相对于其他数学课程其应用性比较强,且教学难度较大[3]。近年来,教学人员在生物统计学教学改革方面进行了一系列探索,取得了一定经验[5],[6]。但仍然存在很大不足:如关注生物统计本身的数学属性,过分强调公式的记忆和推导,而忽略其应用性特点;知道生物统计学是应用型学科,却缺乏足够的实践环节,导致学生对生物统计学的实际应用能力偏低[7];21世纪生物科学交叉学科和跨学科的发展,对生物统计学课程提出了新要求,当前生物统计学教育却远远滞后[8]。因此,更新教育理念、建立以应用能力培养为导向的生物统计学课程教学体系,是培养社会对人才需求的一个急待解决的问题[9]。
3.生物统计学课程改革设计
按照高等教育课程改革的基本要求,结合生物统计学教学设计的基本原则,借鉴信息化和项目教学设计方法,探索基于典型案例和专题的生物统计教学模式,实现“教、学、做”一体化教学设计。该模式由“案例教学”和“专题训练”两个环节组成,下面介绍该模式的具体实施方案。
3.1通过案例教学培养学生统计学思维
在教学过程中笔者发现学生沿用中学学习方式学习生物统计学,碰到数学公式总要刨根问底,而常常会忽视这些公式、概念的实际应用。因此,在教学中通过案例教学方式,有意识地引导学生确立统计思维,使学生真正学会生物统计课程中相关概念和公式的统计意义,而不是公式本身。并打破传统章节安排形式,以案例形式串联各个知识点。案例选择上,注重以应用能力培养为导向,淡化理论的完整性,突出应用性、实践性,促进学生把课堂知识学习由感性认识提高到理性认识,培养学生解决实践问题的能力。如从讲述如何比较两个人的身高,进一步讲述如何比较两个班级所有学生的身高,在此基础上给学生引入平均值、方差、假设检验等统计学基本理论和公式。在此基础上,引入中日韩平均身高的案例,为什么韩国人的平均身高要高于中国人和日本人?引起学生兴趣,让学生分析可能的原因;随后讲解统计量的概念,最后指出该案例在统计学上是错误的,因为没有考虑地理区域因素,且采样方法是有错误,等等。以案例教学的方式,向学生演示各种统计分布特点和推导方式,在此基础上着重讲述各种统计参数、统计量的意义和适用范围,逐步培养学生统计思想,使学生真正学会生物统计课程中相关概念和公式的统计意义,并能在实际工作中灵活应用。
3.2专题训练培养学生应用能力
开展相关生物统计学应用专题,专题数据来自于生物技术专业教师的研究课题相关的研究成果,使学生应用这些数据能独立完成数据统计和结果分析,达到与本专业教师的科研项目相结合的目的。以生物统计学主要教学内容“资料整理与特征数的计算”、“统计推断”、“方差分析”、“直线回归与相关分析”、“实验设计”为设计主线,设计的专题训练为“生物专业技术试验数据预处理与分析”、“两种施氮条件对隐子草根系的影响”、“不同盐碱梯度下吴屯杨长势分析”、“吴屯杨与新疆杨培育经济效益分析”、“羊草愈伤组织诱导与成分分析”、“不同菌肥对蔬菜品质的影响”等。在实际教学过程中,首先由笔者讲述一两个专题,专题讲述内容为:研究目的、研究意义、实验设计、原始资料的收集、资料处理、数据分析、图表制作和结论等。目的是使学生在统计学思维的基础上,初步建立科学的思维方式,让他们对科研工作过程有一定了解。然后将学生分为若干学习小组,让每组学生选择一个专题,进行专题训练(实验数据来自于具体教师科研的部分实际数据)。根据专题训练要求,将专题训练分为实验设计、数据收集与处理、数据分析、总结报告等五部分,具体专题根据难易程度可以细分。所有专题研究均要求撰写有一定水平的研究报告,小组中每位同学都有上讲台讲述的机会,向课堂其他同学讲述,如何设计实验、如何提出异常数据、采用何种分析方法、如何得出具体结论,等等,期间由老师点评他们在训练中的优点和不足。学生通过组成兴趣小组开展专题研究,初步实现从被动接受知识向提升应用能力和创新潜能的转变。
4.结语
通过案例教学方式培养学生的统计思维、以专题训练形式培养学生应用能力,建立以应用能力培养为导向的生物统计学课程案例教学和实践教学体系,将传授知识、培养能力和提高素质有机结合,使学生可以较熟练地应用生物统计学的基本原理和方法解决生物学生产和科研中遇到的实际问题。该模式的教学结果在本科生毕业论文设计、“大创”项目及校级“太阳鸟”创新项目等项目中,学生的试验设计、试验结果的处理和分析都得到了良好反馈。
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