實驗設計與數(shù)據(jù)分析教學的緊要性

李玉峰，汪潔明，賀玲，孫遠東

(湖南科技大學 生命科學學院，湖南 湘潭 411201)

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實驗設計與數(shù)據(jù)分析教學的緊要性

李玉峰，汪潔明，賀玲，孫遠東

(湖南科技大學 生命科學學院，湖南 湘潭 411201)

摘要：無論從培養(yǎng)大學生辯證唯物主義系統(tǒng)科學的邏輯理論思維方式和能力、科研創(chuàng)新素養(yǎng)和實踐操作能力，還是從當代社會發(fā)展和科技進步的時代要求方面考慮，實驗設計與數(shù)據(jù)分析課程教學對于生物相關專業(yè)學生綜合素質培養(yǎng)都非常重要，并具有時代緊迫性。

關鍵詞：生物實驗設計與數(shù)據(jù)分析；生物相關專業(yè)；綜合素質

《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》是《生物統(tǒng)計學》類似，都是應用統(tǒng)計學的一個分支，它是利用數(shù)學的原理和方法來解決生物學問題、設計生物學實驗方案、分析理解實驗調(diào)查數(shù)據(jù)資料的學科[1]。 但它們又有些差別，《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》更傾向于應用，《生物統(tǒng)計學》也屬于應用學科，但與前者相比，可能傾向于理論多些。生物對象與無機物質相比，具有更隨機、更復雜、變異更普遍等特點。并且生物體的生理、生化活動受環(huán)境因素及各種隨機因素的影響較大，因此生物實驗的數(shù)據(jù)和結果具有更大的隨機性和復雜性，更不容易在紛繁復雜的實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的規(guī)律性?！秾嶒炘O計與數(shù)據(jù)分析》正是這樣一門學問，能幫助人們對數(shù)據(jù)進行分析處理，從而得到對內(nèi)在規(guī)律性的科學判定?；诖耍材軒椭藗冊O計和改進實驗方案，從而促進研究問題的解決。因此《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》無論是對于生物學知識學習還是生物科學研究來說都是非常重要的。它是方法論，是基本工具，而且對于生物相關專業(yè)學生的綜合素質培養(yǎng)也具有極重要的作用。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的到來，社會的方方面面都產(chǎn)生了巨量的數(shù)據(jù)信息，這就迫切要求大學生具有分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力，只有這樣才能勝任新時代的工作要求，從這個角度來看，《統(tǒng)計學》或《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》的教學對于新時代大學生的綜合素質培養(yǎng)更加具有緊迫性。

1對于培養(yǎng)學生辯證唯物主義世界觀和思辨能力有重要促進作用

毋庸置疑，辯證唯物主義系統(tǒng)科學理論體系是大學生綜合素質的重要體現(xiàn)之一，樹立辯證唯物主義的世界觀和歷史觀對于社會主義中國的大學生是基本的和重要的思想認識和邏輯思維方式[2]。無數(shù)事實和歷史也已證明辯證唯物主義是符合社會歷史發(fā)展規(guī)律的科學體系，當然也符合物質世界的發(fā)展運動規(guī)律。因此，樹立這樣的人生觀和邏輯思維方式，對于大學生提出問題、分析問題和解決問題的能力和正確認識社會、認識自然等綜合素質的培養(yǎng)具有重要的意義[2]?！秾嶒炘O計與數(shù)據(jù)分析》是理解和研究生物現(xiàn)象的重要工具，和其他生物課程相比，它更能體現(xiàn)出辯證唯物主義科學體系，在這門課的學習過程中，也更需要學生具有辯證唯物主義邏輯思維能力。辯證唯物主義認為物質決定意識，規(guī)律是客觀存在的?！秾嶒炘O計與數(shù)據(jù)分析》也正是基于此前提的方法論，無論面對多么紛繁復雜的生物實驗數(shù)據(jù)，只要堅持規(guī)律的客觀性，我們就能找出其中規(guī)律。遺傳學家孟德爾是這方面的典范，在他生活的那個年代，主流的思想還認為遺傳是神秘現(xiàn)象，不大可能通過具體的實驗來進行研究。孟德爾堅持規(guī)律的客觀性原則，設計一系列精巧的實驗來研究遺傳，經(jīng)過8年的不懈努力，在對實驗數(shù)據(jù)進行充分的統(tǒng)計分析后，得出了著名的孟德爾遺傳定律[3]。辯證唯物主義認為物質世界是普遍聯(lián)系的，物質與物質之間既普遍聯(lián)系又相互制約，我們在學習“相關關系”概念時，能夠充分體現(xiàn)這一觀點。世界上生物種類繁多，物種和物種之間存在普遍聯(lián)系，比如，我們在上課時曾講授轉基因水稻和吃草甲蟲生理生化指標之間的相關關系分析。更普遍的如人的身高和手掌長度、樹木的莖粗和株高、水稻的穗長和穗重等都存在普遍的相關關系，這正印證了辯證法中普遍聯(lián)系的觀點。辯證唯物主義認為，世界是變化發(fā)展的，沒有絕對的真理和規(guī)律，任何規(guī)律都是相對的、有條件的?！秾嶒炘O計與數(shù)據(jù)分析》中得到的結果和運用的分析方法都很好的體現(xiàn)了這一點，統(tǒng)計分析得到的結論由于具有相對正確性，并且得到的結論都是有一定概率性的，因此我們一般都這樣描述結論：在一定置信度下還不能認為配方1優(yōu)于配方2，或者在0.05置信度下我們認為配方1優(yōu)于配方2。在講授總體和樣本、參數(shù)和統(tǒng)計量、頻數(shù)分布等概念時，結合辯證唯物主義的質變量變原理，可以使學生對概念有更深入的理解，在學習的過程中，唯物辯證法的思維方式和世界觀也會潛移默化地深入到學生的心里[4]。因此，在《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》教學中，結合辯證唯物主義的原理和思維方式，不僅能收到很好的教學效果，而且對于培養(yǎng)學生正確的人生觀和綜合素質有重要作用。

2對于培養(yǎng)學生的科研實踐創(chuàng)新能力有重要促進作用

2.1科研素質的培養(yǎng)

《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》是在生物研究過程中，不斷結合數(shù)學的原理與方法而發(fā)展起來的一門應用學科，一般不過多討論數(shù)學原理，主要重視統(tǒng)計原理的介紹和具體統(tǒng)計分析方法的應用。因此，它直接服務于生物學研究，為生物學研究提供工具和方法。因此這門課的學習有助于提高學生的科研素質也就不言而喻了。甚至毫不夸張地講，不學好《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》或《生物統(tǒng)計學》就不能很好地從事生物學研究工作?？蒲心芰Υ篌w可以分為兩個方面，一個方面是發(fā)現(xiàn)問題的能力，另一個方面是設計合理的實驗和運用恰當?shù)臄?shù)據(jù)分析方法解決問題的能力。對于本科階段初踏入研究領域的大學生來說，后者是著重要培養(yǎng)的能力，也是科技工作者必備的基本素質。《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》包括實驗設計和統(tǒng)計分析兩方面內(nèi)容。通過實驗設計方面的學習，使學生知曉實驗設計的基本原理；掌握常用實驗設計的方法；針對實驗目的設計實驗因素和水平、掌握選取實驗對象等實驗方案制定的原則和規(guī)范；在此基礎上培養(yǎng)改進創(chuàng)新實驗設計方案的能力。學生在掌握實驗數(shù)據(jù)的搜集、整理、特征數(shù)的計算等知識的基礎上，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計推斷、方差分析、回歸和相關分析等統(tǒng)計分析。使學生從看似偶然的紛繁復雜的實驗數(shù)據(jù)中積累歸納必然規(guī)律的數(shù)據(jù)分析能力，從而提高大學生的科研素質。在不斷學習和科研實踐過程中，使學生培養(yǎng)細心嚴謹、一絲不茍的科學精神，這也正是這門課程教學的基本要求。進行實驗設計和統(tǒng)計推斷時，實驗誤差是分析結果好壞的決定因素。試驗誤差主要來源于試驗對象的個體差異、試驗條件的一致性控制和操作的一致性及各種偶然因素等。減少這些因素的影響，盡量控制誤差都需要實驗者仔細操作和一絲不茍的科學精神。因此，從以上幾個方面來看，《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》的教學能極大提高大學生科學研究的綜合素質。

2.2科研實踐能力的培養(yǎng)

《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》是一門實踐性、應用性很強的學科。因此在教授的過程中也比較注重實踐環(huán)節(jié)教學，包括SPSS、SAS、EXCEL等幾種常見統(tǒng)計軟件的運用；統(tǒng)計語言R和MATLAB統(tǒng)計工具箱的使用；大學生畢業(yè)論文的實驗設計與實驗數(shù)據(jù)分析；文獻中所用統(tǒng)計分析方法的研判和學習等內(nèi)容。這些實踐方面學習無疑會大大擴展學生的視野，提高學生運用各種科研工具的綜合能力。另外，直接參加科研工作，把所學實驗設計與統(tǒng)計分析的方法應用于實踐，到實踐中去學習，不僅可以深入理解書本知識，而且能提高學生解決實際問題的能力。鼓勵和支持學生參加老師的科研實踐，利用空閑時間參與老師的科研工作，將所學的統(tǒng)計學原理與分析方法融入到科研實踐中去。不斷縮短理論和應用的距離，融會貫通，提高科研實踐能力。

3信息大數(shù)據(jù)時代的迫切需要

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析是科技信息和經(jīng)濟信息的主要分析解讀工具，是國家制定方針政策和社會經(jīng)濟活動決策的依據(jù)，尤其是在計算機和網(wǎng)絡普及的今天，這一點表現(xiàn)的更為突出。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能夠從紛繁復雜的數(shù)據(jù)中挖掘和歸納總結出數(shù)據(jù)背后蘊含的規(guī)律，可以應用于許多關乎國計民生的重要學科領域。如經(jīng)濟統(tǒng)計、金融統(tǒng)計、人口統(tǒng)計、醫(yī)學統(tǒng)計和社會統(tǒng)計等等。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的到來，自然科學和社會科學領域產(chǎn)生了巨量的信息，并且信息量隨著時間的推移還在成倍的增加。如何從這些信息中挖掘出人們所需要的、總結分析出數(shù)據(jù)背后蘊藏的真理，是現(xiàn)階段迫切需要解決的問題。如前我們所述，《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》為人們提供解決上述問題的方法和思路。因此，對于生活在大數(shù)據(jù)時代的人們，無論從事什么專業(yè)、什么類型的工作，都或多或少要具備些數(shù)據(jù)分析的基本知識和分析方法，這樣才能適應新時代社會發(fā)展的要求，對于個體，也有利于謀得更好的職業(yè)，從而實現(xiàn)自身的抱負和社會價值。

隨著人類基因組計劃的順利實施，DNA序列的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到1 200多億堿基對，還有與其對應的氨基酸序列數(shù)據(jù)，再包括基因表達數(shù)據(jù)，海量的生物數(shù)據(jù)如潮水般涌來。如何處理這些數(shù)據(jù)，挖掘出數(shù)據(jù)背后所蘊含的信息和知識，已成為當今生物學家所面臨的緊迫任務。因此，旨在儲存、挖掘、整理、分析生物數(shù)據(jù)的新型學科-生物信息學應運而生，而生物信息學的很多技術和原理又都基于統(tǒng)計學[5]。從這個角度來說，對于生物相關專業(yè)的大學生來說，《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》的教學尤其具有時代的緊迫性。

現(xiàn)今，具有統(tǒng)計專長的人員為社會各個部門所需要。統(tǒng)計學已成為美國五大熱門專業(yè)之一，我國也在不斷重視和提高統(tǒng)計學方面人才的培養(yǎng)和教育。來源于傳感、監(jiān)控、社交網(wǎng)絡和公共服務的數(shù)據(jù)量也在以驚人的速度在增長，有專家預測，社會上的數(shù)據(jù)量也許幾年就翻一番。數(shù)據(jù)僅是信息或知識的源泉，還需要人們具有挖掘、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力。麻省理工學院電子商務中心主任、經(jīng)濟學家Erik Brynjolfsson說：“我們正飛速邁入一切都將被監(jiān)測和測算的時代，但最大的問題在于人們利用、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力?！盵6]

綜上所述，無論是從學生辯證唯物主義世界觀和人生觀的樹立，或是從培養(yǎng)學生綜合素質以及科研素質，還是從時代發(fā)展的迫切需求來看，加強生物專業(yè)大學生的《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》課程教學和進行這方面的教改研究都是非常有必要的，對于國家發(fā)展進步和學生自身價值實現(xiàn)都有其重要意義和時代迫切性。

參考文獻：

[1] 李春喜，邵云，姜麗娜.生物統(tǒng)計學(第四版)[M].北京：科學出版社，2008.

[2] 葉敦平，姚儉建，余瀟楓.馬克思主義哲學原理(理工類本科試用本)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 邱念偉，周峰.學習生物統(tǒng)計學知識的重要性和必要性[J].生物學教學，2012.37(4):56-58.

[4] 閻金蓮.生物統(tǒng)計學教學中唯物辯證法的應用[J].山西廣播電視大學學報，2001(2)：20-21.

[5] 陳銘.生物信息學[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 袁衛(wèi)，劉志波，郭念國.美國統(tǒng)計高等教育的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].統(tǒng)計與信息論壇，2010,25(1)：107-112.

(責任校對謝宜辰)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.019

收稿日期：20140519

基金項目：湖南科技大學教育研究項目(G31220)

作者簡介：李玉峰(1974-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，副教授，主要從事《實驗設計與數(shù)據(jù)分析》的教學與生物信息學相關科研工作。

中圖分類號：G42

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)05-0063-03