生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)改革初探

顧婷 鄭恩琴 袁曉龍 張豪

摘 要 生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程在培養(yǎng)高綜合素質(zhì)的農(nóng)林學(xué)科人才方面肩負(fù)著重要任務(wù)，隨著科技的不斷進(jìn)步、大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨和人工智能研發(fā)的蓬勃發(fā)展以及本科生培養(yǎng)計(jì)劃的不斷改革，畜牧獸醫(yī)學(xué)科中的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)方式亟需改革，基于此，本文就筆者近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)做出一些初步的探索。

關(guān)鍵詞 生物統(tǒng)計(jì)學(xué) 教學(xué) 改革

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是農(nóng)林類高等院校動(dòng)物科學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)和水產(chǎn)科學(xué)的必修（選）課。與其他專業(yè)課程相比，該課程需要的數(shù)學(xué)和生物學(xué)基礎(chǔ)較多，涉及微積分、概率論、遺傳學(xué)和育種學(xué)等相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容（王麗等，2017;秦志勇，2018）。此外，該課程計(jì)算公式較多且復(fù)雜，直接理解存在較大困難，部分公式需要耐心推導(dǎo)過(guò)程才能理解，導(dǎo)致許多學(xué)生認(rèn)為這門課程學(xué)習(xí)和理解太難，進(jìn)一步誘發(fā)普遍的畏難情緒（魏衛(wèi)東等，2017）。然而，這門課程在學(xué)生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和解析以及未來(lái)就業(yè)解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題等方面發(fā)揮著其他課程無(wú)法替代的作用，是一門必須要學(xué)且要學(xué)好的學(xué)科。值得注意的是，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的教學(xué)目的不僅是要讓學(xué)生掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)學(xué)原理，而更要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、選擇正確的方法分析試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理解釋分析的能力（張豪，2013）。

因此，筆者結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，思考和總結(jié)了生物統(tǒng)計(jì)學(xué)這門課程面臨的問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，希望對(duì)課程的發(fā)展有所促進(jìn)。

（1）生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題：

學(xué)生對(duì)這門課程缺乏興趣。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是統(tǒng)計(jì)學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的延伸和分支，對(duì)微積分、概率論的理論知識(shí)都有一定的要求，涉及的統(tǒng)計(jì)學(xué)概念及方法較多，比如，變量和觀察值，準(zhǔn)確性和精確性，參數(shù)和統(tǒng)計(jì)量一系列看起來(lái)類似但內(nèi)涵卻不同的概念等讓本科生產(chǎn)生“難學(xué)”的先入為主的直觀印象，心里自然就打了退堂鼓。相比之下，他們可能更喜歡一些容易的、趣味性?shī)蕵?lè)性更強(qiáng)的課程。

學(xué)生普遍參與度低。由于上述所述生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的特征，很多同學(xué)覺(jué)得課程難度系數(shù)大，對(duì)課程缺乏足夠的興趣，進(jìn)一步導(dǎo)致對(duì)課程的參與度太低，表現(xiàn)在有時(shí)上課老師提問(wèn)一些難度系數(shù)低的問(wèn)題，學(xué)生也會(huì)表現(xiàn)得很“理性”，拒絕參與。比如對(duì)問(wèn)題給出一些二選一的選項(xiàng)，旨在調(diào)動(dòng)課堂氣氛，分別讓學(xué)生選A或B，結(jié)果兩個(gè)選項(xiàng)分別舉手的同學(xué)之和不到全班人數(shù)的50%，剩下的同學(xué)呈“觀望”狀態(tài)。

課程開(kāi)設(shè)學(xué)期設(shè)計(jì)不合理。由于生物統(tǒng)計(jì)學(xué)涉及到很多實(shí)際生產(chǎn)中的具體案例，學(xué)生如果帶著一些生產(chǎn)或者實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料來(lái)課堂，就更容易有的放矢，產(chǎn)生更多興趣，而且也更容易理解一些概念的含義和不同統(tǒng)計(jì)方法適用的不同數(shù)據(jù)情境，而動(dòng)物科學(xué)和動(dòng)物醫(yī)學(xué)的同學(xué)的該門課程被安排在大二下學(xué)期，此時(shí)，學(xué)生們對(duì)專業(yè)課程的接觸不多，還沒(méi)有相關(guān)亟需解決的統(tǒng)計(jì)學(xué)問(wèn)題。

（2）根據(jù)這些課程相關(guān)問(wèn)題，結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方法可以嘗試來(lái)提高課程效果：

針對(duì)學(xué)生興趣缺乏的問(wèn)題，我們教研室近幾年嘗試弱化復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)過(guò)程，著重闡釋公式適用的情景，以及增加生活中和專業(yè)學(xué)習(xí)、實(shí)踐中具體案例的介紹，實(shí)現(xiàn)案例教學(xué)（case-based lecture），努力使課程的故事性和趣味性更強(qiáng)，一方面是為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)這門課程的心理壓力，另一方面也是由于科技不斷的進(jìn)步，隨著電腦和職能手機(jī)的普及，手工計(jì)算的場(chǎng)景在不斷減少，對(duì)公式的推導(dǎo)過(guò)程和記憶要求在不斷降低。例如，在第六章方差分析這部分教學(xué)內(nèi)容的講授過(guò)程中，涉及到方差的數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)量方差變異的剖分等內(nèi)容，我們通過(guò)具體案例帶入來(lái)講解，而公式變形部分涉及將公式中間交叉相乘項(xiàng)等于0的證明推導(dǎo)過(guò)程僅提供給同學(xué)們自學(xué)，為有興趣的同學(xué)課后推導(dǎo)做一個(gè)提示。對(duì)于方差公式的簡(jiǎn)化形式我們也僅一句帶過(guò)，不要求同學(xué)們?nèi)ニ烙浻脖?。同樣處理的還有各種常用概率分布的概率密度分布公式等，我們更多的是通過(guò)分布圖形幫助同學(xué)們理解各種概率分布的性質(zhì)，以及影響概率分布的參數(shù)有哪些，還有在R語(yǔ)言中如何實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)概率、累積概率以及已知事件發(fā)生的概率求位點(diǎn)的計(jì)算等內(nèi)容，讓學(xué)生將更多的注意力集中到具體問(wèn)題的解決過(guò)程，而不是公式的記憶上。

增加《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)附試驗(yàn)設(shè)計(jì)》課程的上機(jī)操作時(shí)間，以上機(jī)練習(xí)促進(jìn)同學(xué)們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，在實(shí)操中加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)。近幾年的教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)上機(jī)練習(xí)是縮短老師和學(xué)生間的距離的一種有效方式。在計(jì)算機(jī)教室中師生近距離，一對(duì)一的回答和輔導(dǎo)，同時(shí)，學(xué)生完成上機(jī)試驗(yàn)后獲得的成就感，都提升了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。得益于學(xué)院建設(shè)的生物信息學(xué)教室的平臺(tái)建設(shè)，可以滿足多個(gè)自然班的同學(xué)同時(shí)上機(jī)練習(xí)，我們將各種實(shí)踐中經(jīng)常遇到的生物學(xué)問(wèn)題，包括連續(xù)型和離散型兩分類變量涉及的單個(gè)樣本平均數(shù)、兩樣本平均數(shù)（包含配對(duì)和非配對(duì)樣本）、多樣本平均數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)，以及離散型變量涉及的卡方檢驗(yàn)、兩個(gè)連續(xù)型變量涉及的回歸和相關(guān)關(guān)系分析的各種案例匯編成上機(jī)操作的教材，讓同學(xué)們?cè)谏蠙C(jī)過(guò)程中嘗試編寫程序解決問(wèn)題并相互討論程序中涉及的每一個(gè)函數(shù)的意義、包含的參數(shù)設(shè)置和具體的用法，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

通過(guò)提供大的匯報(bào)方向，指導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)行期中匯報(bào)，部分教學(xué)內(nèi)容采取翻轉(zhuǎn)課堂（丁雪梅等，2014）等學(xué)習(xí)形式增強(qiáng)老師與學(xué)生、學(xué)生間的互動(dòng)，這些教學(xué)方式的改革讓學(xué)生們成為課堂的主人，促進(jìn)他們通過(guò)課外查資料、準(zhǔn)備相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料、制作ppt講解和回答同學(xué)們的問(wèn)題等環(huán)節(jié)，提高對(duì)課程的參與度。通過(guò)期中匯報(bào)，同學(xué)們會(huì)增加對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)家的了解，包括提出方差分析思想的Fisher、提出正態(tài)分布的高斯、中國(guó)的統(tǒng)計(jì)學(xué)家汪厥明等名人。另外，在期中匯報(bào)過(guò)程中，部分學(xué)習(xí)積極的本科生同學(xué)對(duì)新知識(shí)的涉獵和掌握往往會(huì)激發(fā)其他同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，比如筆者在教學(xué)過(guò)程中以R語(yǔ)言作為處理數(shù)據(jù)的主要統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件（張哲等，2013），幫助大家直接理解一些統(tǒng)計(jì)函數(shù)及參數(shù)的設(shè)置，讓同學(xué)們?cè)诓粩嘣囧e(cuò)和尋找程序bug和修改的過(guò)程中掌握這門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。在我們期中匯報(bào)的時(shí)候就有同學(xué)介紹相應(yīng)的R studio這種開(kāi)源編程語(yǔ)言和環(huán)境（趙霜等，2012），包括如何安裝、界面相較于R語(yǔ)言程序本身在程序自動(dòng)報(bào)錯(cuò)、畫圖界面兼容等方面的各種優(yōu)勢(shì)，主動(dòng)拓寬我們上課內(nèi)容的范圍。此外，有同學(xué)會(huì)在期中匯報(bào)的時(shí)候介紹最近興起的人工智能（Artificial Intelligence）和機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)內(nèi)容，雖然“人工智能”這個(gè)概念是在1956年就提出的，但其迅猛發(fā)展卻是伴隨著近幾年計(jì)算機(jī)和監(jiān)控技術(shù)的普及和更新?lián)Q代以及工業(yè)革命4.0的發(fā)展而發(fā)生的，豬臉識(shí)別、“AI+養(yǎng)豬”等技術(shù)近來(lái)也被應(yīng)用到動(dòng)物飼養(yǎng)管理等領(lǐng)域中（何偉奇，2018; 徐曉風(fēng)，2018），同學(xué)們緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，學(xué)習(xí)了解“人工智能”相關(guān)概念、統(tǒng)計(jì)算法，以及在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域中的應(yīng)用。筆者在驚嘆本科同學(xué)對(duì)新鮮事物的接受能力和學(xué)習(xí)能力之余，也能站在觀眾的角度，透過(guò)同學(xué)們看似玩笑的相互毫無(wú)顧忌的提問(wèn)和回答中，發(fā)現(xiàn)他們對(duì)知識(shí)的盲區(qū)。

對(duì)課程講授的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)這幾年教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，我們建議將動(dòng)物科學(xué)和動(dòng)物醫(yī)學(xué)同學(xué)的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程最好能安排在大三，也就是在同學(xué)們對(duì)專業(yè)課試驗(yàn)有一定的了解后在進(jìn)行，此外，一些同學(xué)在大二及暑假時(shí)間會(huì)參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，此時(shí)學(xué)生們積累了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)素材，將更能夠理解本課程中的一些概念，比如因素、水平這些與試驗(yàn)設(shè)計(jì)密切相關(guān)的名詞。雖然現(xiàn)有的將課程安排在大二也能讓我們課程順利開(kāi)展，但能提出專業(yè)相關(guān)的試驗(yàn)問(wèn)題的同學(xué)特別少，不利于同學(xué)們的自主學(xué)習(xí)。當(dāng)然最近的教學(xué)改革，逐步開(kāi)放學(xué)生選課系統(tǒng)可能會(huì)緩解這個(gè)問(wèn)題。

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程是生命科學(xué)研究中以樣本推斷總體的學(xué)科，是許多院校的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和生產(chǎn)中必不可少的工具（戚大勇等，2015）。該門課程以應(yīng)用為主，對(duì)于生物學(xué)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)資料分析和學(xué)生科研能力的培養(yǎng)起著重要作用，與生命科學(xué)工作者的工作息息相關(guān)（官麗輝等，2019）。筆者為生物統(tǒng)計(jì)學(xué)這門課程的初級(jí)教學(xué)者，對(duì)課程的理解和教學(xué)的感悟仍需積淀，因此本文僅對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題和可能解決的方法進(jìn)行了初步的分析，期待幫助同行提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。

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