基于R軟件在田間試驗與統(tǒng)計分析實驗課的教學反思
——以華南農業(yè)大學農科類學生為例

宋瑞鳳，方 平，張秀香

（1.華南農業(yè)大學 農學院，廣東 廣州 510620；2.華南農業(yè)大學 數(shù)學與信息學院，廣東 廣州 510620）

1 田間試驗與統(tǒng)計分析實驗課程教學反思的重要性

教學反思就是教師把自己的課堂教學作為一個對象進行全面深刻地思考和總結，它與一般的思考有所不同，反思是一種事后思維，是事實后面的反復思考，主要目的是通過教學現(xiàn)象把握教學的本質和根據(jù)，體現(xiàn)了人類在社會實踐活動中的主觀能動性[1]。

田間試驗與統(tǒng)計分析是傳統(tǒng)農學科學研究不可缺少的工具，是一門實用性很強的課程，是作物科學各相關專業(yè)學生學習其他專業(yè)課的基礎。通過田間試驗與統(tǒng)計分析課程的學習，能夠培養(yǎng)學生掌握基本的田間試驗設計和常規(guī)的統(tǒng)計分析方法，進行研究的實驗設計及其基本數(shù)據(jù)資料的處理，有利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，為學生今后科研能力和分析能力的培養(yǎng)奠定基礎。因此，理論課程所對應的實驗課的學習就顯得尤為重要，在面對基礎理論公式復雜難算的時候，輔助軟件的使用可以降低計算的難度，并將那些枯燥無味的統(tǒng)計理論與有數(shù)據(jù)有實例的實踐工作聯(lián)系起來，使抽象乏味的統(tǒng)計理論教學變得生動有趣，也會使統(tǒng)計中大量繁雜的數(shù)據(jù)處理變得比較輕松，從而大大地提高了學生的學習積極性和主觀能動性。

由于農科類學生本身具有對計算機軟件學習能力不強、統(tǒng)計學理論基礎不扎實的特點，加上田間試驗與統(tǒng)計分析實驗課教學學時少、內容繁雜等諸多原因，田間試驗與統(tǒng)計分析實驗課教學后的反思尤為重要。通過對學生作業(yè)情況中不同知識點交叉對比反思分析可以了解到學生對各個知識點的接受程度和理解程度，找出學生相對薄弱的知識點，從而促進教師在之后的教學中進一步細化知識點或加強某部分的知識點的教學，適時調整課堂教學方法和進度，從而達到使學生在有限的課堂時間得到高效的學習。而且R軟件功能齊全，涵蓋了生物統(tǒng)計學中所有的統(tǒng)計方法[2]。R語言的運用有以下幾個特點：運用比較簡便、可在保存編程語言的同時反復修改、統(tǒng)計和繪圖范圍廣以及圖比較清晰等[3]。這樣的統(tǒng)計軟件應用于教學當中，可大大增加課堂教學的信息量，使得學生從大規(guī)模或海量數(shù)據(jù)分析中解放出來，實現(xiàn)精確計算，從而提高教學質量，提高學生學習興趣。并且教材中的許多附表失去其存在的必要性，從而節(jié)約能源[4]。

課后教學反思研究對學生的專業(yè)學習能力的提高，以及教師本身的教學能力提升都有一定的意義。

2 基于R軟件的實例分析

2.1 數(shù)據(jù)選擇與整理

選取本人教學的2020級園藝專業(yè)、種子科學專業(yè)和草業(yè)科學專業(yè)中的3個班共80人的3次作業(yè)成績作為數(shù)據(jù)來源。3次作業(yè)分別是3個不同的知識點：R軟件入門介紹、R軟件畫圖功能應用及R軟件假設檢驗。這3個知識點分別代表著農科大學生對新知識的接受力、對基本函數(shù)命令的理解力和對理論與實際相結合的應用能力。通過對這3個知識點的學生成績的分析及反思，可以更加了解學生各個方面的能力特點，可以更有針對性地改進教學方法，提高課堂教學效率。

先對數(shù)據(jù)進行基本統(tǒng)計量的整理。見表1，可以看出3個知識點的成績最大值都為滿分，尤其是入門這個知識點，取得滿分人數(shù)很多，有27位學生滿分，占總人數(shù)的33.75%，而畫圖這個知識點滿分人數(shù)占10%，檢驗這個知識點滿分人數(shù)占22.5%。比較說明當今時代的農科大學生對于新知識的接受能力比對基本函數(shù)命令理解力和實踐應用能力要強。這里也注意到入門和畫圖都是存在不及格的最小值的知識點，表明學生之間的接受能力有差異。要反思和重點關注接受力和理解力略差的學生。另外，3個知識點的中位數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的情況，表明學生對大部分學生的簡單認知能力到實踐應用能力的難度在逐漸提升。而畫圖這個知識點雖然平均值的數(shù)值最高，但方差和標準差的平均值表明這部分離散程度最大，也表明學生對畫圖這個知識點的掌握不穩(wěn)定，學生之間的差異比較大。而畫圖中最小值為0的原因是有位學生沒有交作業(yè)，分數(shù)為0分，可以看成異常點處理。對于檢驗這個知識點的成績從60分到100分分布均衡，表明學生在理論與實踐相結合的應用能力中存在差異。

表1 3個知識點基本統(tǒng)計量表

2.2 圖形分析

數(shù)據(jù)的分布特征主要是指用分布的形狀、分布中是否存在異常點、分布偏斜的方向和程度等方面，這些特征在表格上不能直觀顯示出來。圖形可以更加清晰地展示數(shù)據(jù)之間的差異，便于進行統(tǒng)計分析。俗話說“一圖勝千言”，所以圖形是最直觀、最高效的比較工具，也是進行描述性統(tǒng)計的主要手段[5]。下面利用R軟件圖形功能來展示農科大學生在3個知識點的成績數(shù)據(jù)的分布特征情況，并進行對比分析。

2.2.1 直方圖分析

首先是用3個班的數(shù)據(jù)做出直方圖，x軸表示學生分組的成績，y軸表示每個數(shù)據(jù)區(qū)間得分人數(shù)的情況。這里為了方便比較，采用多元子圖在同一界面顯示的命令[6]。

R語言的命令如下：

從圖1中可以直觀比較3個知識點的不同分數(shù)段的學生分布人數(shù)。入門和畫圖兩個知識點的成績集中在80分以上，畫圖更是在90分以上人數(shù)居多，而檢驗卻是人數(shù)分布略微均衡，從60分到100分不等。這表明在新知識入門的接受和理解方面，除了個別學生的學習接受能力稍差外，大部分學生可以比較快速地接受新知識。尤其是畫圖這個知識點方面，模擬的圖形命令程序可以提高學生學習興趣并積極嘗試從而快速掌握。而在檢驗這個知識點上，學生的理論和實踐結合應用能力相對較弱，需要進一步提高。通過分析可以反思在今后的教學當中，適當減少R語言入門介紹的學時數(shù)，相應增加檢驗及之后的理論與實驗相結合的應用型知識點內容的實例練習。

圖1 3個知識點對比直方圖

2.2.2 箱型圖分析

接下來用3個班的數(shù)據(jù)做出箱型圖，箱型圖能夠提供有關數(shù)據(jù)位置和分散情況的關鍵信息。箱型圖包括6個數(shù)據(jù)節(jié)點，即順序統(tǒng)計量的上邊緣、上四分位數(shù)Q1、中位數(shù)、下四分位數(shù)Q3、下邊緣及異常值（超過上下邊緣的值）。

R語言的命令如下：

圖2表明3個知識點的最大值雖然相同，可以看出入門的箱型圖比較像一個花瓶，平均值處于較高位置。畫圖和檢驗是比較勻稱的“箱子”。入門和畫圖兩個知識點中都存在異常值，而檢驗這2個知識點卻沒有異常值，這說明對于入門和畫圖都存在個別學生的接受能力和理解力較弱的情況。檢驗知識點的均值要小于入門和畫圖，這個知識點的圖形對比其他2個知識點更對稱，更趨向正態(tài)分布。這可以說明學生對于入門和畫圖2個知識點的接受度比檢驗這個知識點高。

圖2 3個知識點對比箱型圖

2.2.3 核密度曲線分析

核密度曲線類似于概率密度曲線，其曲線下的面積是1，因此其y軸上的單位通常是小于1的核密度分布值。核密度曲線實質是一種對直方圖的抽象，直方圖只能給出一種粗略的估計，而核密度圖可以給出較為精確的估計。R中有很多函數(shù)可以繪制核密度曲線，最簡單的是plot函數(shù)，繪制核密度圖時，先要使用density函數(shù)計算出數(shù)據(jù)的密度估計值，然后再用plot函數(shù)畫出估計曲線[7]。另外，直方圖不能疊加比較分析，而核密度曲線可以把3個知識點的成績數(shù)據(jù)用密度函數(shù)轉換后在同1張圖上顯示出來，可以把不同知識點的差異更加清晰地顯示出來。

R語言的命令如下：

圖3可以看出3個知識點的圖形波峰都是偏右分布。入門的波動性比較大，呈現(xiàn)雙峰分布，并且較為分散，說明農科學生對計算機軟件R語言的接受能力有一定的區(qū)分度，并不是所有學生都能在短時間內理解并接受新軟件。畫圖這個知識點的密度系數(shù)峰值最高，且較為集中，說明3個知識點中畫圖這個知識點的掌握程度最好。而檢驗這個知識點的峰值最低并略有波動，說明學生在理解和應用結合的能力方面不如接受和理解的能力強。

圖3 3個知識點對比核密度圖

3 結論

通過以上3種圖形對3個知識點的成績數(shù)據(jù)的對比分析，可以得出以下結論。

首先，對新時代農科學生來說，在新知識尤其是新的計算機軟件R語言接受能力上要比理論和實踐相結合的應用的能力強。在理解和模仿的能力也要比理論和實踐相結合的應用的能力強。當今是一個知識迭代迅速的時代，社會對大學生的要求越來越高，需要大學生具有接受適應能力強的特點的同時也更注重學生理論聯(lián)系實際解決實際問題的能力。因此，反思在今后的田間試驗與統(tǒng)計分析實驗課的教學上要更多地和理論知識結合，引入更多田間實際農作物的采樣數(shù)據(jù)，引導學生更多地把R軟件的統(tǒng)計功能運用到實踐中。

其次，利用R軟件強大的圖形功能不僅可以使學生加深田間試驗與統(tǒng)計分析理論方法的理解，還可以清晰地展示統(tǒng)計結果，并更好地對結果進行解讀分析。同時，圖形功能可以激發(fā)學生學習的興趣，使學生能更好地處理實際問題，從而為更好地應用專業(yè)知識處理實際生活中的問題奠定堅實的基礎。

最后，教師通過學生成績的分析和反思，可以根據(jù)學生的特點，調整教學進度，完善教學方案，使實驗課的教學更高效。當然，從一次學生實驗作業(yè)的情況來看，只能反思當次實驗課的教學效果，分析學生作業(yè)情況的同時更應該具體到每一個小的知識點，更加細化地分析其中的原因，能尋找更好地解決問題的方法。教師進行反思的目的最終都是取得良好的教學效果，在實驗課的教學中，教學評價體系也應該要多元化，不能單單以一次考試的成績來評價。希望今后的教學反思做到行思并進，達到有效地縮短理論與實踐的差距的效果。