生物統(tǒng)計學本科生SAS軟件高級編程教學的探索與實踐

張汝陽+魏永越+趙楊+于浩+陳峰

摘要：生物統(tǒng)計學專業(yè)旨在培養(yǎng)高素質(zhì)的復合型統(tǒng)計應用人才。SAS軟件高級編程是優(yōu)秀生物統(tǒng)計學人才的必備技能。因此，SAS軟件高級編程教學對專業(yè)人才培養(yǎng)至關重要。目前，國內(nèi)開設生物統(tǒng)計學專業(yè)的醫(yī)學院校屈指可數(shù)，且SAS軟件高級編程教學經(jīng)驗相對缺乏。本文以我校生物統(tǒng)計學本科生的課程教學實踐為例，對課程設置、教學內(nèi)容、授課方式、考核形式、參考教材、軟硬件設施和教學效果進行了總結(jié)和思考，以期進一步提高教學質(zhì)量、保障生物統(tǒng)計學本科生的職業(yè)競爭力。

關鍵詞：生物統(tǒng)計學；本科生；SAS軟件高級編程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0114-03

2011年，經(jīng)國務院學位委員會批準，統(tǒng)計學獨立成為理學一級學科，下設兩個二級學科：統(tǒng)計學、應用統(tǒng)計學。生物統(tǒng)計學是隸屬于應用統(tǒng)計學之下的三級學科[1]。為適應我國生物醫(yī)藥領域?qū)ι锝y(tǒng)計人才的需求，加快培養(yǎng)專業(yè)人才，南京醫(yī)科大學在2012年正式開設全日制應用統(tǒng)計學專業(yè)（生物統(tǒng)計學方向），每年面向全國招收約30名本科生，四年制，授予理學學士學位[2]。該專業(yè)的總體目標是培養(yǎng)“具備系統(tǒng)的統(tǒng)計學知識、了解統(tǒng)計學理論、掌握統(tǒng)計學的基本思想和方法，具有利用計算機軟件分析數(shù)據(jù)的能力，能在生物、醫(yī)藥等領域工作的高素質(zhì)、復合型的統(tǒng)計應用人才”[3]。

SAS軟件是全球商業(yè)智能和分析軟件與服務領袖。全世界超過6萬家企業(yè)利用SAS軟件進行數(shù)據(jù)挖掘，以便準確地進行業(yè)務決策。在新藥臨床試驗領域，SAS軟件更是使用最廣泛的分析平臺。根據(jù)培養(yǎng)目標，我們在第3學年的第1學期開設了《SAS軟件高級編程》課程。該課程是《SAS應用基礎》的進階課程，旨在培養(yǎng)學生編程思維，傳授編程技巧，提高數(shù)據(jù)管理和分析的技能，達到“技術高、速度快、失誤少”的業(yè)務水平，滿足相關領域?qū)I(yè)人才的需求。

由于我國開設生物統(tǒng)計學專業(yè)的醫(yī)學院校屈指可數(shù)，缺乏健全的課程方案參考[4]。在兄弟院校、制藥企業(yè)、我校公共衛(wèi)生學院、教務處、研究生院等多方專家指導之下，我們結(jié)合用人單位實際工作需要制定了課程方案。結(jié)合之前2003級五年制預防醫(yī)學專業(yè)（生物統(tǒng)計學方向）的辦學經(jīng)歷、近5年四年制理學生物統(tǒng)計學專業(yè)辦學經(jīng)驗，我們已經(jīng)持續(xù)10年對生物統(tǒng)計學本科生培養(yǎng)進行了一系列探索和改革。針對《SAS軟件高級編程》課程，我們也不斷根據(jù)學生的教學意見反饋、雇主用工反饋等，將課程設置、教學內(nèi)容、授課方式等逐年完善。我們在此對該課程進行總結(jié)與思考。

一、課程設置

《SAS軟件高級編程》是生物統(tǒng)計學專業(yè)的必修課程，學時設置為72。其中，理論學時24，實驗學時48。學生通過考核，可獲得4個學分。

二、教學內(nèi)容

我們一共安排了18次課程。理論教學及實踐操作內(nèi)容包括：

1.基礎知識復習。復習先修課程《SAS應用基礎》，承前啟后。從教學內(nèi)容和學生心理上，做好由“簡”入“難”的銜接。另外，展示基于SAS軟件完成的項目，突出高級編程技能的作用和優(yōu)勢，激發(fā)學生課程學習的熱情和積極性。

2.宏變量及宏程序。介紹宏程序的基本結(jié)構、基本概念和語法、宏變量類型、宏變量的賦值與解析，讓學生認識宏程序；介紹宏的創(chuàng)建、編譯、保存、調(diào)用與更新，以及日志的解讀和宏調(diào)試，讓學生能夠管理宏程序。

3.宏的循環(huán)體介紹。介紹循環(huán)方式、條件判斷、中止、跳轉(zhuǎn)語句，讓學生理解程序“批量處理”、“容錯”、“自動化”等概念；介紹SQL過程與DATA步與宏變量的交互方式、動態(tài)構造SAS宏語句，讓學生掌握“用程序?qū)懗绦颉钡年P鍵技能；介紹宏的嵌套、包裝，讓學生理解“分而治之、逐個擊破”的概念，掌握撰寫復雜程序的技能。

4.系統(tǒng)宏函數(shù)介紹。介紹字符函數(shù)、運算函數(shù)、引用函數(shù)、屬性函數(shù)等用法，以及如何使用逃逸符賦值、解析特殊字符等，讓學生全面掌握系統(tǒng)函數(shù)，撰寫高效、簡潔的宏程序。

5.數(shù)據(jù)集函數(shù)介紹。介紹ATTRN、VarNum、FetchOBS、GetVarN、Open、Close等數(shù)據(jù)集函數(shù)，使得學生能夠快速獲取數(shù)據(jù)集本身及變量的基本信息，以便高效地進行宏變量與數(shù)據(jù)集間的信息交互。

6.DATA步使用技巧。介紹不同讀取數(shù)據(jù)方式的效率、創(chuàng)建數(shù)據(jù)集的技巧、數(shù)據(jù)集橫向與縱向拼接、記錄的修改、循環(huán)語句、條件語句、RETAIN語句、外部數(shù)據(jù)導入、記錄導出、記錄的擴展、變量排序技巧、數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)置，數(shù)組類型、變量格式化、自定義變量格式、格式互轉(zhuǎn)等常見技巧，以期提高學生數(shù)據(jù)管理的軟件技能。

7.SQL過程數(shù)據(jù)管理。介紹SQL過程中表格與視圖的差別、表格的創(chuàng)建、更新、拼接、刪除、記錄的查詢、多重查詢等。同時，比較DATA步與SQL過程中相同功能的運算速度，給出實際應用的參考建議。

8.IML矩陣運算I。介紹矩陣性質(zhì)、矩陣元素、創(chuàng)建矩陣、運算符號、矩陣運算、下標運算、矩陣更新、缺失處理、矩陣函數(shù)等。

9.IML矩陣運算II。介紹IML程序設計語言（循環(huán)、條件判斷、跳轉(zhuǎn)、定義模塊、調(diào)用模塊）、矩陣與SAS數(shù)據(jù)集相互轉(zhuǎn)換（打開、顯示數(shù)據(jù)集、轉(zhuǎn)換為矩陣、讀取記錄、讀取變量等）、IML環(huán)境下對SAS數(shù)據(jù)集的操作等。通過兩次IML矩陣運算課程，使得學生可以利用SAS軟件實現(xiàn)指定的復雜統(tǒng)計算法。

10.模擬試驗I。介紹蒙特卡洛的典故、思想、步驟；介紹各種統(tǒng)計分布的隨機函數(shù)；介紹產(chǎn)生縱向和橫向模擬數(shù)據(jù)的方式、優(yōu)缺點。以“分別從不同分布的總體中抽樣，探討不同樣本含量、抽樣次數(shù)對樣本均數(shù)、標準差、標準誤的分布的影響”為案例，介紹模擬試驗的基本步驟：理解模擬試驗目的→建立模擬試驗流程→預估模擬試驗結(jié)果→調(diào)試各步SAS的程序→統(tǒng)籌撰寫SAS宏程序→運行程序等待結(jié)果→整理結(jié)果繪制報告。

11.模擬試驗II。設計多種案例，供學生上機操作，鞏固模擬試驗技能。例如：從正態(tài)分布中隨機抽取樣本，根據(jù)樣本估計總體均數(shù)的95%可信區(qū)間。重復1000次，有多少次能估計到總體均數(shù)？不同的樣本含量、不同的可信度對結(jié)果有什么影響？

12.ODS輸出傳送系統(tǒng)。介紹ODS的功能；介紹ODS常用語句，包括：管理輸出對象，打開、關閉、管理ODS目標（輸出為rtf文件、自定義文件的格式等）。

13.DDE文件交互技術。介紹Excel文件數(shù)據(jù)導入為SAS數(shù)據(jù)集、SAS數(shù)據(jù)集輸出到Excel、整理或修改Excel文件格式、SAS數(shù)據(jù)集輸出到Word等。

14.常見報表過程。著重介紹TABULATE過程的選項、含義，以及自定義表格樣式。

15.綜合案例I：撰寫宏用于：（1）批量進行單因素或多因素的線性回歸分析；（2）批量進行組間均數(shù)、率或中位數(shù)的描述和比較；（3）評價Fisher確切概率法和卡方檢驗的統(tǒng)計學性質(zhì)。

16.綜合案例II：撰寫宏用于：（1）批量安裝多個SAS宏程序；（2）實現(xiàn)二分法搜索目標值；（3）自動生成MIXED過程中CONTRAST語句兩兩比較的代碼。

17.綜合案例III：（1）從同一個正態(tài)分布總體中隨機抽取2個樣本，設定檢驗水準0.05，對均數(shù)進行檢驗。重復1000次，拒絕H0的比例多大？改變檢驗水準、樣本含量，比例有何變化？從均數(shù)不同、方差相同的兩個正態(tài)分布總體中隨機抽樣。重復上述步驟，結(jié)果如何？（2）配對設計的兩均數(shù)比較，如果不用配對t檢驗而采用成組t檢驗，對一類錯誤和檢驗效能有何影響？改變樣本含量有何影響？（3）多組均數(shù)比較，如果不考慮ANOVA的結(jié)果，而直接用兩兩比較，對一類錯誤和檢驗效能有何影響？

18.綜合案例IV：（1）從二元正態(tài)分布中隨機抽樣，并對樣本進行回歸分析，畫出回歸曲線。重復上述過程100次，看到什么圖形？（2）同時對兩個假設進行統(tǒng)計學檢驗，若要控制總一類錯誤0.05，一般每個檢驗水準設為0.025?？煞褚粋€0.04，另一個0.01？（3）Permutation檢驗可以利用手頭樣本來進行假設檢驗，對總體分布沒有要求。請利用已有方法進行驗證，并編寫程序，對變異系數(shù)進行檢驗。

三、授課方式

根據(jù)教學內(nèi)容，采用“量體裁衣”的策略進行授課。課程初期，采用“教師講解示范、學生上機操作、現(xiàn)場互動答疑”的形式，確保學生“聽懂了、學會了”。課程后期，學生已經(jīng)掌握大部分編程技能。授課方式改為“以學生為主體”，采用“教師—學生互動交流”的形式，即：學生代表給出編程思路，其他學生給出補充意見，教師再次點評并完善編程思路。學生在課堂當場完成實踐內(nèi)容，并進行現(xiàn)場程序與結(jié)果的展示。我們期望發(fā)揮學生的主觀能動性，提高教學效果。

四、考核形式

課程成績由平時成績（30%）和卷面成績（70%）組成。課程結(jié)束后，教師通過南京醫(yī)科大學ELearning課程中心平臺發(fā)放練習。學生通過平臺接收題目、提交程序代碼和圖表結(jié)果。教師評閱打分后，折算平時成績。期末考試為上機考試。以實際項目為考題，要求學生在指定時間內(nèi)完成編程，并提交代碼和結(jié)果。教師評閱打分后，折算成卷面成績。

五、參考教材及軟硬件設施

由于缺乏合適的教材，我們目前采用內(nèi)部自編講義授課。內(nèi)容主要參考以下白皮書《SAS Macro Programming Made Easy》、《SAS Macro Language Reference》和《SAS SQL Procedures Users Guide》。

軟件設施：我院生物統(tǒng)計學系擁有正版SAS軟件的授權許可。

硬件設施：本課程涉及統(tǒng)計模擬試驗、大型數(shù)據(jù)管理與分析等計算密集型工作。為提高學生上機體驗，保證教學質(zhì)量，我院搭建了高性能計算集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括1個胖節(jié)點（1TB內(nèi)存，8顆8核處理器）、18個刀片計算節(jié)點（每個節(jié)點64GB內(nèi)存，含2顆16核CPU）、2個管理節(jié)點和一個儲存系統(tǒng)。該集群21個節(jié)點的總內(nèi)存為2280 GB，CPU共704核，浮點運算能力理論峰值達到5.38千萬億次級。在此系統(tǒng)基礎上，我們專門為生物統(tǒng)計學專業(yè)本科生部署了云端機房，可同時容納約60名學生進行上機操作與考試。

師資隊伍：生物統(tǒng)計學系現(xiàn)有專任教師14人。具有博士學位的12人，高級職稱的5人。8人具有海外留學經(jīng)歷。10人具有長期SAS教學經(jīng)驗、SAS技能競賽導師經(jīng)歷。

六、教學效果

“匯豐杯”中國高校SAS數(shù)據(jù)分析大賽是目前全國規(guī)模最大、認可度最高的SAS軟件技能大賽。我院生物統(tǒng)計學專業(yè)本科生積極組隊參加大賽。2015年，我院2支隊伍分別獲得全國第20名、29名的成績。2016年，我院3支隊伍從658支隊伍中脫穎而出，分別獲全國第6名、22名、46名的好成績。

全國大學生統(tǒng)計建模大賽由中國統(tǒng)計教育學會、中國現(xiàn)場統(tǒng)計研究會、中國數(shù)學與概率統(tǒng)計學會、中國衛(wèi)生信息學會、中國市場信息調(diào)查業(yè)協(xié)會聯(lián)合舉辦。我院首屆生物統(tǒng)計學專業(yè)本科生組成的3支參賽隊伍在2015年第四屆大賽中，分別獲得大數(shù)據(jù)統(tǒng)計建模類（本科生組）二等獎、三等獎、優(yōu)秀獎的成績。本課程研究生助教組成的隊伍則獲得大數(shù)據(jù)統(tǒng)計建模類（研究生組）一等獎第一名的優(yōu)異成績。

此外，自2013年起，生物統(tǒng)計學專業(yè)的本科生連續(xù)獲得勃林格殷格翰（Boehringer-Ingelheim）獎學金課題資助，運用編程技能，就臨床試驗熱點問題開展理論與實踐研究。

七、體會與思考

從課程設置上看，我們通過1∶2的理論與實踐比例，強化學生的動手意識，著重培訓學生的操作能力。這也符合近年來國家一直倡導的“知行合一”的教學理念。從教學內(nèi)容上看，我們從實際需求出發(fā)，傳授編程技巧，培養(yǎng)優(yōu)秀程序員的思維。模擬試驗I的案例對應的是中心極限定理。模擬試驗II的案例對應的是可信區(qū)間。綜合案例則涉及一類錯誤、檢驗效能、兩兩比較等統(tǒng)計學概念。學生既能綜合運用編程技術解決實際問題，又能深刻理解理論知識，達到“實踐出真知”。此外，從授課方式看，我們以具體案例為切入點，運用以學生為主體的教學方法，其本質(zhì)也是“以問題為導向的學習（problem-based learning，PBL）”方式，有利于保證教學質(zhì)量[5]。

盡管目前教學效果尚可，但仍有值得改進之處。就教學內(nèi)容而言，部分現(xiàn)有案例的主題不夠新穎，案例內(nèi)容需要與時俱進[6]。例如，當下疾病研究熱點是：從組學的角度探索影響其發(fā)生、發(fā)展的遺傳因素。能否運用SAS有效地進行高維數(shù)據(jù)挖掘值得思考。就授課方式而言，我們可以在課堂上開展小組競賽，設置獎品，增加課程的趣味性，激發(fā)學生的積極性。

《SAS軟件高級編程》是一門真正的“理論與實踐相結(jié)合”的專業(yè)技能課程。經(jīng)過本課程培訓，學生能夠達到統(tǒng)計知識與技能“綜合運用、融會貫通”的水平，保障學生從事生物統(tǒng)計學相關工作的職業(yè)競爭力。

參考文獻：

[1]袁衛(wèi).機遇與挑戰(zhàn)——寫在統(tǒng)計學成為一級學科之際[J].統(tǒng)計研究，2011，28（11）：3-10.

[2]趙麗萍，趙楊，于浩，胡志斌，陳峰.生物統(tǒng)計學本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案的設置與思考[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2015，32（2）：364-365.

[3]中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]陳平雁，安勝利，徐燕，陳征，李丹玲，譚旭輝.南方醫(yī)科大學生物統(tǒng)計學專業(yè)本科課程設置的探討[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2009，26（6）：666.

[5]周明，王建明，趙麗萍，唐少文，陸慧，章靜，王美林，彭志行，易洪剛，胡志斌.公共衛(wèi)生以問題為導向?qū)W習的案例撰寫及常見問題分析[J].中華預防醫(yī)學雜志，2016，50（4）：377-379.

[6]魏永越，趙麗萍，趙楊，柏建嶺，易洪剛，于浩，陳峰.生物統(tǒng)計專業(yè)學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式初探[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2016，（6）：1079-1081.