基于Python語言的數(shù)理統(tǒng)計課程應(yīng)用改革探索

丁毅濤 任水利

摘?要：本文旨在對應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)中數(shù)理統(tǒng)計課程的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，針對目前該課程教學(xué)過程中存在的問題，通過引入Python軟件對各主要知識點內(nèi)容進(jìn)行實現(xiàn)，并從教師隊伍、實踐教學(xué)和過程化考核等方面給出課程改革的幾點探索，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對知識內(nèi)涵的理解、培養(yǎng)學(xué)生實踐和解決實際問題的能力，更高質(zhì)量地落實應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)理統(tǒng)計;應(yīng)用統(tǒng)計學(xué);Python程序設(shè)計語言;人才培養(yǎng)

隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)理統(tǒng)計在自然科學(xué)、工程技術(shù)、管理科學(xué)及人文社會科學(xué)中得到越來越廣泛應(yīng)用。對于該課程傳統(tǒng)的重理論輕應(yīng)用的教學(xué)模式已不能適應(yīng)時代的發(fā)展和社會對人才的需求。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)已成為新時代人才培養(yǎng)的風(fēng)向標(biāo)，結(jié)合大數(shù)據(jù)時代現(xiàn)狀的發(fā)展需要，培養(yǎng)數(shù)理統(tǒng)計分析處理方面的人才更是大勢所趨。數(shù)理統(tǒng)計作為數(shù)學(xué)的一個分支，其以概率論為基礎(chǔ)，研究大量隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律性，由于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用使得數(shù)理統(tǒng)計在理論研究和應(yīng)用已滲透到許多科學(xué)領(lǐng)域，并已成為科學(xué)研究不可缺少的工具[1]。但是，當(dāng)前數(shù)理統(tǒng)計課程教學(xué)過程中與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合卻存在嚴(yán)重的問題。為了提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力，將當(dāng)前主流計算機(jī)語言用于在應(yīng)用層面揭示各數(shù)理統(tǒng)計知識點的內(nèi)涵，并使得學(xué)生能夠熟練使用計算工具處理具體的數(shù)理統(tǒng)計問題，進(jìn)而對該課程的教學(xué)改革進(jìn)行探索，以實現(xiàn)應(yīng)用型人才的全面培養(yǎng)是當(dāng)前該課程面對的首要問題。

一、數(shù)理統(tǒng)計課程現(xiàn)狀分析

本文以應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)為例，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗對數(shù)理統(tǒng)計課程、教學(xué)現(xiàn)狀、課程工具以及存在的問題進(jìn)行簡單介紹分析。

（一）數(shù)理統(tǒng)計課程簡介

數(shù)理統(tǒng)計課程作為應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)核心課程是多元統(tǒng)計分析、貝葉斯統(tǒng)計、非參數(shù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與應(yīng)用等課程的基礎(chǔ)。應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)旨在培養(yǎng)人格健全、統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)知識與基本方法理論扎實、數(shù)據(jù)處理實踐能力強(qiáng)、勇于創(chuàng)新，能在工程、經(jīng)濟(jì)、管理、商務(wù)等領(lǐng)域從事數(shù)據(jù)采集、清洗、整理等實際工作，解決數(shù)據(jù)挖掘與分析中涉及的復(fù)雜統(tǒng)計方法問題的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。而該課程是在概率論的基礎(chǔ)上對于統(tǒng)計知識的深入詳細(xì)講解，主要涉及統(tǒng)計量與抽樣分布、點估計、區(qū)間估計、假設(shè)檢驗和分布的檢驗等內(nèi)容。該課程主要是為了使學(xué)生了解并掌握數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的基本思想、理論和方法，初步學(xué)會在實際工作中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理與分析。

（二）數(shù)理統(tǒng)計課程現(xiàn)狀

該課程是數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)，大多數(shù)高校的相關(guān)專業(yè)針對學(xué)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析知識的傳授和能力的培養(yǎng)主要通過概率論與數(shù)理統(tǒng)計這一門課來實現(xiàn)基礎(chǔ)內(nèi)容的講解，而將概率論（48學(xué)時）和數(shù)理統(tǒng)計（48學(xué)時）分別單獨課設(shè)主要在統(tǒng)計學(xué)相關(guān)專業(yè)居多。不論是從課程的單獨開設(shè)，還是課時的安排都足以體現(xiàn)出該課程對于統(tǒng)計學(xué)專業(yè)學(xué)生的重要性。但是在高校的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對該課程重要性的認(rèn)識不足，僅把該課程看作是一般的公共類數(shù)學(xué)課，對自己的要求只是考試通過的層面，并沒有把該課程當(dāng)成統(tǒng)計專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，也并未意識到該課程的內(nèi)容會高頻率的出現(xiàn)在后續(xù)的專業(yè)課中，從而很大程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。另外，由于該課程內(nèi)容抽象，且包含了大量的復(fù)雜理論，使得教學(xué)難度較大，并且學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，理解能力也存在差異，從而加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。并且，大多數(shù)該課程的教學(xué)只是對理論知識進(jìn)行講解，雖然也有很多人意識到需要將計算機(jī)軟件實現(xiàn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)的教學(xué)相關(guān)結(jié)合，但是在實際教學(xué)過程中并未真正落實。依然給學(xué)生留下了枯燥乏味的印象，使得學(xué)生無法直觀形象的理解知識點的本質(zhì)內(nèi)容和應(yīng)用場景，也不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

（三）課程工具使用情況

雖然當(dāng)今國內(nèi)眾多高校在教學(xué)過程中逐漸意識到，理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課的重要性，并且想要實現(xiàn)快速計算、良好的可視化和教學(xué)效果，必須將其與實際應(yīng)用背景以及較好的計算工具相結(jié)合，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，使得學(xué)生深刻理解知識點的應(yīng)用場景和具體操作。但是，對于數(shù)理統(tǒng)計相關(guān)知識的教學(xué)較多的仍然在使用SPSS、Mathematica、MATLAB和R等傳統(tǒng)統(tǒng)計工具和分析軟件[25]，也有部分教師考慮到Python軟件的簡潔清晰，功能強(qiáng)大且容易上手，可視化功能強(qiáng)大等優(yōu)勢，將其用于教學(xué)活動作為計算工具[6]，但是其重點卻在概率論部分。

二、Python在課程教學(xué)過程中的作用

在應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)人才培養(yǎng)方案中，Python程序設(shè)計語言是在數(shù)理統(tǒng)計課程之前課設(shè)的計算機(jī)語言課程，并已成為應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)所需的主流語言軟件，該軟件工具廣泛應(yīng)用于統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)可視化等專業(yè)方向課程內(nèi)容的實現(xiàn)，在應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中起著重要的作用。并且將數(shù)理統(tǒng)計課程與Python和應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)專業(yè)方向課程有效接軌，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能更好地理解數(shù)理統(tǒng)計知識并能熟練使用Python實現(xiàn)相關(guān)統(tǒng)計問題，從而保證人才培養(yǎng)過程的延續(xù)性。

（一）Python語言的特點

Python程序設(shè)計語言作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的流行語言，其在數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分處理方面有著很好的優(yōu)勢，其主要特點有：

（1）Python是一門跨平臺、開源、免費的解釋型高級動態(tài)編程語言，是一種通用編程語言;

（2）Python語言語法簡潔清晰，功能強(qiáng)大且易學(xué)，最重要的是擁有大量的幾乎支持所有領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)的成熟擴(kuò)展庫;

（3）Python語言除了可以解釋執(zhí)行以外，還支持命令式編程和函數(shù)式編程兩種方式，完全支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計;

（4）Python功能強(qiáng)大，可以實現(xiàn)C、C++和Matlab等多種不同語言的程序融合到一起實現(xiàn)無縫拼接，更好地發(fā)揮不同語言和工具的優(yōu)勢，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

鑒于Python程序設(shè)計語言的各種優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于統(tǒng)計分析、科學(xué)計算可視化、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)爬取與大數(shù)據(jù)處理等多個專業(yè)和領(lǐng)域。