新農(nóng)科背景下植物保護(hù)專業(yè)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)改革

楊娟 張靜柔 彭莉莉 馬仲輝 鄭霞林 梁微 鄧文 徐炯志 鄒承武*

（1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學(xué)教務(wù)處，廣西 南寧 530004）

2019年6月，《安吉共識(shí)——中國(guó)新農(nóng)科建設(shè)宣言》中提出了“四個(gè)面向”的理念［1］。各農(nóng)林高校為了培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的新型農(nóng)林人才，將新農(nóng)科建設(shè)付諸于具體行動(dòng)，從八個(gè)新措施深化高等農(nóng)林教育改革，內(nèi)容涉及新型人才培養(yǎng)［2，3］、專業(yè)優(yōu)化［4］、課程改革創(chuàng)新［5］、實(shí)踐基地建設(shè)［6］、協(xié)同育人［7］、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)師資培育［8］、專業(yè)認(rèn)證［9］和開放合作［10］等。為響應(yīng)教育部對(duì)于新農(nóng)科建設(shè)的號(hào)召，培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展要求的農(nóng)科專業(yè)人才，廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心積極推動(dòng)本科課程教學(xué)改革，理論、實(shí)踐兩手抓，鼓勵(lì)教師運(yùn)用現(xiàn)代化的慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂和虛擬仿真等教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)理念［11］。其中，作為改革的重要課程之一的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是植物保護(hù)專業(yè)、農(nóng)學(xué)專業(yè)和園藝專業(yè)的學(xué)類核心課，設(shè)置48學(xué)時(shí)，占3個(gè)學(xué)分。該課程主要培養(yǎng)學(xué)生正確選擇和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法解決科學(xué)研究中遇到的問題［12］。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生熟知試驗(yàn)研究的方法，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)及科研工作打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力以及科學(xué)素養(yǎng)。這是每一位農(nóng)業(yè)技術(shù)人才必須具備的技能。［13］但是，目前的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程無論教學(xué)資源還是教學(xué)手段都很難滿足“新農(nóng)科”建設(shè)對(duì)于人才培養(yǎng)的需求。本文通過調(diào)研分析當(dāng)前生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)中存在的一些突出問題，引入“翻轉(zhuǎn)課堂+虛擬仿真實(shí)踐”的方式，結(jié)合學(xué)校的課程中心在線應(yīng)用，以短小精悍的視頻資源闡釋生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)，讓枯燥乏味的理論和概念可視化，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)課堂”；并設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在線進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

1 課程教學(xué)存在的主要問題

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是應(yīng)用性很強(qiáng)的一門課程，通過問卷調(diào)查的方式對(duì)剛完成生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的本科生進(jìn)行調(diào)研，主要包括了解學(xué)生對(duì)于課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)模式、教學(xué)手段、教學(xué)安排、學(xué)習(xí)能力、考核方式、課程學(xué)習(xí)效果等的需求和評(píng)價(jià)，探討生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)過程存在的主要問題。

1.1 教學(xué)手段單一，課程內(nèi)容枯燥，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣

在調(diào)查生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程目前存在的主要問題時(shí)，70.91%的學(xué)生認(rèn)為最主要的問題是課程的教學(xué)手段單一，缺乏案例教學(xué)，部分課程內(nèi)容比較難于理解和熟練掌握；58.18%的學(xué)生認(rèn)為最主要的問題是課程的互動(dòng)環(huán)節(jié)較少，學(xué)生參與課堂的積極性不高；49.09%的學(xué)生認(rèn)為問題在于課程內(nèi)容枯燥，專業(yè)術(shù)語和概念多且難理解，數(shù)據(jù)分析和計(jì)算過程復(fù)雜，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，自主學(xué)習(xí)的積極性和自覺性不夠；30.91%的學(xué)生認(rèn)為問題在于傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)缺乏吸引力。信息化時(shí)代獲取知識(shí)的渠道多種多樣，“填鴨式”教學(xué)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的教育教學(xué)需求，應(yīng)該廣泛利用“互聯(lián)網(wǎng)”思維，將多媒體教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、PBL教學(xué)和慕課教學(xué)等方法和手段融入課堂，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。

1.2 偏重理論學(xué)習(xí)和計(jì)算過程，缺乏解決問題為導(dǎo)向的實(shí)踐訓(xùn)練

在調(diào)查學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程希望獲得的能力時(shí)，90.91%的學(xué)生希望掌握常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法；85.45%的學(xué)生希望掌握生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本方法和原理；92.1%的學(xué)生認(rèn)為生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程學(xué)習(xí)難度大，其中統(tǒng)計(jì)方法的應(yīng)用是比較難掌握；81.82%的學(xué)生希望能熟練使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件收集、整理和分析數(shù)據(jù)，解決實(shí)際問題。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)具有非常強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，但是在教學(xué)過程中往往注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算過程，而容易忽視對(duì)學(xué)生利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，缺乏解決問題為導(dǎo)向的實(shí)踐訓(xùn)練。

1.3 統(tǒng)計(jì)軟件使用能力弱，教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用性非常強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)理論、實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)軟件三者之間的結(jié)合。學(xué)生的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的數(shù)據(jù)處理過程大多需要生物統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的支撐。但是傳統(tǒng)的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程由于學(xué)時(shí)有限，教學(xué)以理論學(xué)習(xí)為主，缺乏統(tǒng)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)和上機(jī)訓(xùn)練。同時(shí)，學(xué)生掌握的純手工的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算過程，效率太低，在實(shí)際工作中無用武之地，最終導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)。［14］

2 構(gòu)建“翻轉(zhuǎn)課堂+虛擬仿真實(shí)踐”的教學(xué)改革模式

針對(duì)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)過程中面臨的急須解決的問題，嘗試從改革教學(xué)模式和教學(xué)方式、調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行探索。

2.1 設(shè)計(jì)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方案

抽樣實(shí)驗(yàn)、假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析、參數(shù)估計(jì)和多元統(tǒng)計(jì)分析等作為生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本原理和方法，在國(guó)內(nèi)外發(fā)表的學(xué)術(shù)論文中普遍使用。［15］根據(jù)其難易程度和實(shí)用性，合理分配學(xué)時(shí)，做到重點(diǎn)突出，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性、實(shí)踐性，設(shè)計(jì)教學(xué)方案，精心編排“翻轉(zhuǎn)課堂”的課前、課中和課后三個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，優(yōu)化教學(xué)流程和師生互動(dòng)形式，采用啟發(fā)式、討論式和參與式等多種教學(xué)方法，并將課程電子教案、教學(xué)課件及教學(xué)錄像上傳至廣西大學(xué)慕課學(xué)習(xí)中心，供學(xué)生課前和課后預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。利用慕課學(xué)習(xí)中心將這三個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地融合在一起，讓師生能夠輕松參與、輕松學(xué)習(xí)和輕松互動(dòng)?！胺D(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式圖如圖1所示。

圖1 “翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式圖

2.2 教學(xué)視頻制作和搜集

在設(shè)計(jì)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方案時(shí)，根據(jù)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程各知識(shí)模塊，將每個(gè)模塊分為“知識(shí)點(diǎn)介紹+案例講解+解題思路+思考題”四個(gè)部分，有針對(duì)性地制作時(shí)長(zhǎng)約為10 分鐘的課程視頻，在視頻中拋出學(xué)習(xí)問題，用于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，搜集其他高校的優(yōu)秀教學(xué)視頻資源，與團(tuán)隊(duì)制作的教學(xué)視頻一并上傳至本校的課程中心網(wǎng)站，供學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.3 典型案例教學(xué)

將教師已經(jīng)公開發(fā)表的科研成果作為典型案例教學(xué)，將其引入“翻轉(zhuǎn)課堂”中，可以在教學(xué)過程中使課程內(nèi)容表現(xiàn)形式更加生動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。而將這些典型案例放在廣西大學(xué)慕課學(xué)習(xí)中心，可以幫助學(xué)生在課前預(yù)習(xí)加深理解。同時(shí)鏈接其它同行網(wǎng)站，這些網(wǎng)站上也有很多典型案例，將理論與實(shí)際相聯(lián)系，易化教學(xué)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)，以提高其分析數(shù)據(jù)的能力。例如以下案例：“以抗黑穗病和感黑穗病的某甘蔗品種作為親本進(jìn)行雜交，在F1代共得1298 株，其中抗黑穗病418 株，感黑穗病880株。問實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否符合一對(duì)等位基因的遺傳規(guī)律？針對(duì)這一問題，教師要求學(xué)生先思考和討論，可以參考教材，也可以利用網(wǎng)絡(luò)查找資料，通過自主學(xué)習(xí)和小組討論，從不同的角度選擇適當(dāng)?shù)姆椒ń忸}，然后在課堂上通過PPT講解的形式展示解題思路，教師根據(jù)學(xué)生解題的情況做總結(jié)和知識(shí)點(diǎn)拓展。這個(gè)案例的巧妙之處在于，甘蔗遺傳背景復(fù)雜，很多性狀的遺傳并不服從孟德爾的基因分離定律，要解決這個(gè)案例提出的問題，首先要熟悉一對(duì)等位基因的遺傳規(guī)律，在統(tǒng)計(jì)分析過程中既可以使用單個(gè)百分?jǐn)?shù)資料的差異顯著性測(cè)驗(yàn)方法，也可以使用卡方檢驗(yàn)方法，解題方法具有靈活性。學(xué)生通過思考、分析、討論、計(jì)算和課堂交流，不但掌握了單個(gè)百分?jǐn)?shù)的差異顯著性測(cè)驗(yàn)方法、卡方檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)分析方法和公式的正確使用，而且還增強(qiáng)了對(duì)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)在遺傳學(xué)相關(guān)研究中的應(yīng)用的理解。通過以典型案例為引導(dǎo)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，既帶動(dòng)了學(xué)生分析和討論問題的積極性，又發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，提高了學(xué)生運(yùn)用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)分析科研問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣。

2.4 虛擬仿真模擬實(shí)踐教學(xué)：甘蔗梢腐病的病害調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)通常以已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)果為例進(jìn)行教學(xué)，未能讓學(xué)生通過自主實(shí)踐獲得進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集、整理、分析和推斷的機(jī)會(huì)，造成教學(xué)與科研應(yīng)用脫節(jié)的問題。［16］因此，設(shè)計(jì)了針對(duì)農(nóng)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，該內(nèi)容主要以重要經(jīng)濟(jì)作物甘蔗上的真菌性病害甘蔗梢腐病為例，該病害具有從甘蔗苗期至成熟期均可發(fā)生的特點(diǎn)，病原菌較復(fù)雜，超過4種鐮刀菌可引起該病害，病害嚴(yán)重程度和癥狀表現(xiàn)多樣，在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中受到時(shí)空的限制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間成本的限制，無法安排田間病害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)，藥效防治效果調(diào)查等內(nèi)容。為了解決上述問題，提高教學(xué)效果，采用“線下線上結(jié)合”和“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，根據(jù)課程內(nèi)容制作甘蔗梢腐病發(fā)生和防治虛擬仿真場(chǎng)景，使學(xué)生可通過人機(jī)互動(dòng)浸入式模擬病害調(diào)查和防治，熟悉甘蔗梢腐病的病害調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析方法，掌握化學(xué)藥劑防治甘蔗梢腐病的田間試驗(yàn)方法和防治效果統(tǒng)計(jì)分析，提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)可記錄學(xué)生的參與情況和評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有利于進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)輔導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為甘蔗地，設(shè)定甘蔗的品種及梢腐病發(fā)病植株數(shù)量。甘蔗梢腐病發(fā)病時(shí)期實(shí)驗(yàn)者可以自行選擇，不同甘蔗生育期梢腐病的發(fā)病率和甘蔗被害程度不同。不同生育期發(fā)病率設(shè)置為：苗期（感病品種發(fā)病率40%左右，抗病品種發(fā)病率2%左右）、分蘗期（感病品種發(fā)病率60%左右，抗病品種發(fā)病率5%左右）、拔節(jié)期（感病品種發(fā)病率80%左右，抗病品種發(fā)病率10%左右）、成熟期（感病品種發(fā)病率80%左右，抗病品種發(fā)病率10%左右）。

甘蔗梢腐病的病害調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作流程為：進(jìn)入甘蔗梢腐病的病害調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析界面→進(jìn)入甘蔗地→選擇甘蔗生育期→設(shè)定調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地3塊，每塊面積為2000 m2→在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按照對(duì)角線抽樣法抽查30株甘蔗→統(tǒng)計(jì)每株甘蔗的發(fā)病情況及被害程度，調(diào)查結(jié)果填寫到表中 →計(jì)算為害程度→撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告→提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.5 強(qiáng)化基于統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)踐過程

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中離不開統(tǒng)計(jì)軟件的使用，而常用于教學(xué)的軟件主要有Excel、SPSS、SAS和DPS［17］。在“互聯(lián)網(wǎng)+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)實(shí)踐中，將專業(yè)課案例、科研案例與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來，給學(xué)生提供專業(yè)相關(guān)的案例和數(shù)據(jù)，拋出科學(xué)問題，讓學(xué)生分成若干小組，自主選擇不同的統(tǒng)計(jì)分析軟件，利用互聯(lián)網(wǎng)搜集資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，解決科學(xué)問題，然后在課堂上講解并演示統(tǒng)計(jì)軟件的使用，講解解決問題的過程和收獲，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。同時(shí)，各學(xué)習(xí)小組將統(tǒng)計(jì)軟件的講解課件、數(shù)據(jù)資料在課程學(xué)習(xí)交流的QQ群上共享，供小組之間互相學(xué)習(xí)和使用，不但可以豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠掌握使用統(tǒng)計(jì)軟件的基本技能，而且也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)改革的成效

3.1 增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的興趣和學(xué)習(xí)的能力

從本校農(nóng)科類專業(yè)2017級(jí)開始，使用“翻轉(zhuǎn)課堂+虛擬仿真”教學(xué)方案進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)效果調(diào)查。在調(diào)查通過統(tǒng)計(jì)軟件的輔助教學(xué)后提升了哪些能力時(shí)，63.64%的學(xué)生認(rèn)為提升了分析問題的能力，54.55%的學(xué)生認(rèn)為提升了學(xué)習(xí)能力，45.45%的學(xué)生認(rèn)為提升了思考問題的能力，41.82%的學(xué)生認(rèn)為提升了解決問題的能力，學(xué)習(xí)效果較好。

3.2 提高了學(xué)生利用統(tǒng)計(jì)軟件整理和分析數(shù)據(jù)的實(shí)踐能力

在“互聯(lián)網(wǎng)+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)實(shí)踐中，借助虛擬仿真的形式給學(xué)生提供專業(yè)相關(guān)的案例和數(shù)據(jù)，以解決科學(xué)問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生學(xué)以致用，用統(tǒng)計(jì)軟件整理和分析數(shù)據(jù)，最終解決科學(xué)問題，改變了傳統(tǒng)的填鴨式的教學(xué)方法和模式。94.55%的學(xué)生表示喜歡翻轉(zhuǎn)課堂輔助教學(xué)，50.91%的學(xué)生認(rèn)為通過該課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)和探究的興趣，延伸了該課程的學(xué)習(xí)時(shí)間，提升了統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)際操作能力和獨(dú)立解決科學(xué)問題的能力，鞏固了學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在開展本科畢業(yè)論文課題研究期間，能熟練運(yùn)用所學(xué)的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)的知識(shí)和原理進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析，解讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力也得到明顯提升，顯著提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。近幾年廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心本科生發(fā)表的學(xué)術(shù)論文30多篇。此外，學(xué)生根據(jù)課堂內(nèi)容，自主設(shè)計(jì)了統(tǒng)計(jì)分析、概率分析校正和假設(shè)檢驗(yàn)計(jì)算器等軟件3個(gè)，并申請(qǐng)了相應(yīng)的軟件著作權(quán)。

4 展望

未來，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)重點(diǎn)除了以理論授課加實(shí)踐操作相結(jié)合的方式為主外，更重要的是輔以思政教育或其他新型方式來引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的課堂主人翁意識(shí)，讓農(nóng)林專業(yè)的人才真正具備統(tǒng)計(jì)的思維與科學(xué)處理問題的能力，為國(guó)家培養(yǎng)新型創(chuàng)新型農(nóng)林人才。