新工科背景下《生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計》教學思考與改革實踐

李善家 伍國強 魏明

摘要：在新工科背景下，重新審視工科專業(yè)課程框架體系十分必要。在大數(shù)據(jù)時代下，探索生命科學奧秘需要加強生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計課程改革。生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計是生命科學相關(guān)專業(yè)必修課及一門工具學科。本文結(jié)合課程改革的背景與意義，提出課程教學中存在的主要問題，對教學內(nèi)容進行了優(yōu)化調(diào)整，明確了教學過程中的基本原則，探索了多元化教學手段，制定了合理的考核方式，注重學生實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。無論對本科生和研究生統(tǒng)計理念和思維的建立，還是對生命科學及復(fù)雜工程問題的解決，以及對教師改進教學、提高業(yè)務(wù)水平均具有實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：新工科；生物統(tǒng)計；實驗設(shè)計；教學思考；改革實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2021）07-0142-02

基金項目院2018年甘肅省教育科學規(guī)劃“十三五”2018年度高校與職業(yè)院校課題“基于‘雙創(chuàng)’型人才培養(yǎng)的生物工程專業(yè)實踐教學體系探索與實踐”（GS[2018]GHBBK012）。

新工科是我國高等工程教育對國際競爭新形勢、國內(nèi)工程教育發(fā)展新模式以及服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求而做出的符合中國特色的高等工程教育改革方案[1]。新工科主要“新”在三個方面：即對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，面向新經(jīng)濟產(chǎn)生的新工科專業(yè)以及學科交叉融合產(chǎn)生的新工科專業(yè)[2]。在這一背景下，加強工科院校專業(yè)及課程的升級改造，培養(yǎng)符合新工科要求的高級專門人才是當前高等工程教育改革、發(fā)展的熱點與趨勢。

生物統(tǒng)計（Biostatistics）與實驗設(shè)計（Experimental Design）是對高等院校生物、食品、制藥等生命科學相關(guān)專業(yè)學生具有重要作用和意義的必修課程，該課程是數(shù)理統(tǒng)計在生物學領(lǐng)域應(yīng)用的一門工具學科，在面對推導(dǎo)公式、理解概念、分析圖表、復(fù)雜計算等諸多方面，課程的教與學均存在較大難度。因此，基于新工科視角，結(jié)合課程特點，圍繞創(chuàng)新教育理念，本文根據(jù)多年教學的經(jīng)驗，提出課程教學的思考，探索課程改革的前景，促進知識傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)增強的有效融合，為培養(yǎng)滿足社會需要的高級工科專門人才提供指導(dǎo)和思路[3]。

一、課程改革的背景意義

近年來，國外著名大學競相成立了生物統(tǒng)計學系，生物統(tǒng)計科學研究已成為生命科學的新熱點，尤其在統(tǒng)計遺傳、生物信息、復(fù)雜性狀、基因表達等領(lǐng)域中存在著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。自然（Nature）刊文指出生物統(tǒng)計學在揭示遺傳進化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計領(lǐng)域具有前所未有的重要意義和挑戰(zhàn)，同時還特別提出生物統(tǒng)計學專業(yè)博士在面臨就業(yè)方面所具有的優(yōu)勢與強勁競爭力[4]。生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計主要是研究生命科學領(lǐng)域生命特征、實驗變異的科學，但統(tǒng)計學歸根不是數(shù)學，它關(guān)注的是樣本的變異所反映總體的特征。在生命科學體系中，學生若沒學好生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計，對生命特征的描述和反映就會存在較大缺陷，因此生物統(tǒng)計在生命科學中具有無可替代的重要作用。

生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計的結(jié)合，主要向人們講授科學研究的實驗方法和對實驗結(jié)果資料的整理分析方法，其通過對實驗所獲得的資料進行統(tǒng)計分析，最后借助數(shù)理統(tǒng)計理論來作出科學的推斷，幫助人們認識要研究的對象，實現(xiàn)由樣本推斷實物全體的重要功能。因此，生物統(tǒng)計在科學研究中被譽為“科技工作者從事科學研究的工具和手段”，也是培養(yǎng)和提高大學生科技素質(zhì)的一個非常重要的方面。目前，生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計的教學仍沿用傳統(tǒng)教師講授法，存在學生課中被動接受知識，課后習題消化課堂所學，缺乏教學互動與主動參與，學生對先修課程與本門課程的聯(lián)系不夠緊密，對課程的重要作用不勝了解，實踐應(yīng)用能力較弱等問題，因此生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計課程改革探索勢在必行。

二、新工科背景下課程教學調(diào)整及優(yōu)化

（一）調(diào)整課程教學內(nèi)容框架

蘭州理工大學目前采用由杜榮騫主編、高等教育出版社出現(xiàn)發(fā)行的《生物統(tǒng)計學》（第4版）作為教材，根據(jù)工具學科特點，該門課程在內(nèi)容安排上注重基礎(chǔ)理論和實踐應(yīng)用的結(jié)合，現(xiàn)階段各類院校都在優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)方案，課程學時均有一定程度的縮減，但對教學內(nèi)容、知識面的要求更多更廣，應(yīng)根據(jù)專業(yè)特色和學生實際精選、調(diào)整并形成課程體系。在學生先修課程概率論與數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)的基礎(chǔ)上對教學體系調(diào)整優(yōu)化為：資料整理與特征數(shù)計算、概率和概率分布、統(tǒng)計推斷與參數(shù)估計、方差分析、回歸與相關(guān)、實驗設(shè)計、統(tǒng)計軟件等共七個部分，重點講授生命科學統(tǒng)計分析中兩個最重要的分支：方差分析和回歸分析的理念和思想。生物統(tǒng)計方法重點掌握：統(tǒng)計推斷、參數(shù)估計、單因素和多因素的方差分析、回歸與相關(guān)分析；假設(shè)檢驗方法重點學習對平均數(shù)滋檢驗的u-test和t-test，對方差滓2檢驗的字2-test和F-test；實驗設(shè)計方法熟練使用：隨機區(qū)組實驗設(shè)計、拉丁方設(shè)計、裂區(qū)設(shè)計、正交試驗設(shè)計及其方差分析和顯著性分析的多重比較方法等。課程將多元回歸及復(fù)相關(guān)分析、非參數(shù)統(tǒng)計兩章作為自學內(nèi)容[5]。

（二）把握教學過程基本原則

在教學過程中，教師遵循了以下原則：概率和概率分布知識點是結(jié)合先修課程的復(fù)習與回顧，使學生建立起對基礎(chǔ)知識的理解和鞏固；統(tǒng)計推斷和參數(shù)估計主要講授在生命科學領(lǐng)域中的適用范圍、案例應(yīng)用及結(jié)果分析；通過方差分析與回歸分析的講授逐步過渡到現(xiàn)代生物學統(tǒng)計的核心理念和思想的建立；結(jié)合實驗設(shè)計章節(jié)的內(nèi)容加大對生物工程領(lǐng)域復(fù)雜科學問題的實驗設(shè)計和統(tǒng)計分析，使教學內(nèi)容更加適應(yīng)工科院校生物專業(yè)特點；引入統(tǒng)計軟件輔助課程教學的模式，實現(xiàn)理論與實踐應(yīng)用的融合；教學過程不再注重概念的記憶、公式的推導(dǎo)、計算的過程，重點在于對生物統(tǒng)計理念和思想的認識，對案例的分析和結(jié)果的推斷；在布置課后練習作業(yè)的同時，分組安排完成對課程教學體系、章節(jié)聯(lián)系、統(tǒng)計理念整體認識的思維導(dǎo)圖大作業(yè)，再次鞏固課程全部學習內(nèi)容。通過以上教學思考與改革內(nèi)容的實踐應(yīng)用，有助于學生加深對生物統(tǒng)計理論知識的認識，有助于學生對軟件分析的統(tǒng)計結(jié)果深入理解，有助于在新工科背景下促使對這門理論性很強的課程向更加實用的工具應(yīng)用學科轉(zhuǎn)換。

（三）探索多元化教學手段

教師可采用Excel、SPSS、SAS、DPS、Origin等專業(yè)統(tǒng)計軟件作為教學輔助工具，這些軟件統(tǒng)計和作圖功能強大，經(jīng)過多年開發(fā)研制，便于學生使用和掌握。教師在使用統(tǒng)計軟件時，應(yīng)根據(jù)面對的科學問題或工程案例及統(tǒng)計理論知識，選擇正確的軟件統(tǒng)計命令，依據(jù)生物學專業(yè)角度正確分析、解釋結(jié)果的實際統(tǒng)計意義；激發(fā)學生的學習主動性和積極性，提高學生將理論知識應(yīng)用于解決實踐問題的能力，教學效果明顯提高，值得研究推廣。計算通信技術(shù)與生物信息學的進步，極大地推動著生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計學科的發(fā)展。功能強大的統(tǒng)計學軟件的不斷出現(xiàn)，將更有利于科研人員在海量數(shù)據(jù)中發(fā)掘生命科學領(lǐng)域的復(fù)雜性狀，進而發(fā)現(xiàn)生命的奧秘。在該課程中，增加統(tǒng)計軟件的教學內(nèi)容已經(jīng)是新工科背景下必不可少的環(huán)節(jié)，同時適應(yīng)學科和社會發(fā)展[6-7]。

（四）合理制定評價考核方式

蘭州理工大學確定的課程評價方式為綜合測評，要求學生從多方面完善學習內(nèi)容，多角度充實目標要求以達到工程教育認證需求的課程目標，避免了學生出現(xiàn)期末考試突擊復(fù)習、機械記憶、考后就忘的被動尷尬的學習效果，應(yīng)重視過程考核，平時成績占比為40%，包括課堂互動表現(xiàn)（提問和思考）、作業(yè)撰寫成績（計算和思維）、課堂筆記等；期末考試占比60%，主要考查學生對基本理念的認識與案例分析計算，不再考察概念記憶和客觀題型的硬背，學生根據(jù)題型要求使用生物統(tǒng)計學思維和表達來完成試題，案例計算與分析注重學生對實際問題的解決能力，可以從教材和參考書中找公式或方法，但需要自己理解計算和科學推斷，進一步側(cè)重為對生命科學實際問題解決能力的考查。每學期課程團隊老師都會詳細總結(jié)教學工作，全面分析學生對知識的理解、掌握情況，并且提出問卷調(diào)查，學生可以對學習課程中存在的問題和建議通過問卷反饋給教師，不斷優(yōu)化教學效果，提高教學質(zhì)量[8]。

三、教學改革的效果及意義

課程教學團隊從課程基本特點和專業(yè)特色出發(fā)，基于新工科背景下人才培養(yǎng)的目標，遵循理論與實踐相結(jié)合的原則，在生物統(tǒng)計與實驗設(shè)計課程的教學體系、教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、考核方式等方面進行了深入思考和持續(xù)改進，改革實踐效果良好，具體表現(xiàn)為：在經(jīng)典與現(xiàn)代生物統(tǒng)計學基礎(chǔ)上，整合教學內(nèi)容，修訂課程大綱，突出統(tǒng)計理念，分析重點難點；不斷探索符合課程特色的多元教學手段，多方位教學資源，多角度闡釋重點，強化應(yīng)用能力的培養(yǎng)；將理論教學與實踐應(yīng)用相結(jié)合，將統(tǒng)計基礎(chǔ)與實驗設(shè)計相結(jié)合，提高解決專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力；改革課程評價考核形式，讓學生在相對寬松的環(huán)境下，最大限度地激發(fā)學習主動性、積極性、創(chuàng)造性，最終樹立現(xiàn)代生物統(tǒng)計理念和思想。

參考文獻：

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[5]杜榮騫.生物統(tǒng)計學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

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[8]錢森和，薛正蓮，魏明，等.工科院?！渡锝y(tǒng)計學》理論與實驗課程教學的幾點思考[J].廣州化工，2015，43（21）：208-209.

（責任編輯：胡甜甜）