SAS軟件在“生物統(tǒng)計學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用探索

王 英，朱 穩(wěn)，陶 均

（海南大學(xué) 熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 海口 570228）

“生物統(tǒng)計學(xué)”是我國高校農(nóng)學(xué)、植物保護、園藝等植物生產(chǎn)類本科生專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，也是生物科學(xué)、生物技術(shù)、食品、海洋等相關(guān)專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，設(shè)置該課程目的培養(yǎng)植物生產(chǎn)類、生物科學(xué)類本/?？茖W(xué)生具備合理的試驗設(shè)計能力與科學(xué)的統(tǒng)計思維方法，并能綜合運用所學(xué)的生物統(tǒng)計學(xué)原理和方法，指導(dǎo)學(xué)生較好地解決其在畢設(shè)試驗、科研與生產(chǎn)實踐中可能面臨的眾多問題。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)據(jù)挖掘?qū)Ω鲗W(xué)科發(fā)展的推動作用尤為重要［1］。系統(tǒng)掌握生物統(tǒng)計學(xué)知識已成為當(dāng)代農(nóng)學(xué)類、生物類科研工作者必備的專業(yè)素養(yǎng)與能力，該學(xué)科在人們科研工作中占據(jù)著重要的地位。數(shù)據(jù)處理的技術(shù)與藝術(shù)在生物學(xué)發(fā)展中的需求越來越高，生物統(tǒng)計學(xué)在學(xué)科人才培養(yǎng)中的地位也愈加重要［2］。由于該課程是將數(shù)理統(tǒng)計的原理與方法應(yīng)用在生物學(xué)研究領(lǐng)域，屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)的范疇，具有較強的應(yīng)用性，故對于植物生產(chǎn)類、生物學(xué)類等專業(yè)多數(shù)師生而言，教與學(xué)的難度均較大。

一、在傳統(tǒng)的“生物統(tǒng)計學(xué)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的主要問題

傳統(tǒng)“生物統(tǒng)計學(xué)”的教學(xué)普遍存在重理論講解、輕實踐操作等問題。首先表現(xiàn)為學(xué)生對課程理論知識較難掌握：由于“生物統(tǒng)計學(xué)”的相關(guān)理論和分析方法大部分都是建立在較為抽象的科學(xué)假設(shè)基礎(chǔ)上，如在學(xué)習(xí)“統(tǒng)計推斷”時，學(xué)生要能較好掌握統(tǒng)計推斷，不但要清楚統(tǒng)計推斷概念與過程，還須知道對試驗資料進行統(tǒng)計推斷的2個前提條件。另外，與植物生產(chǎn)類、生物學(xué)類其他學(xué)科基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)必修課相比，由于生物統(tǒng)計課程內(nèi)容涉及的概念、統(tǒng)計符號及計算公式多，分析過程復(fù)雜，多數(shù)學(xué)生普遍反映生物統(tǒng)計是一門比較難學(xué)的課程。其次為手工分析相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)時具有計算量大、過程煩瑣并且容易犯錯、效率低的劣勢：無論是針對樣本資料進行描述性統(tǒng)計部分的數(shù)據(jù)整理，資料集中性與離散趨勢的特征值計算，還是進行推斷統(tǒng)計部分的方差分析及協(xié)方差分析，均涉及大量煩瑣的公式及其相應(yīng)的計算推導(dǎo)步驟。在以往傳統(tǒng)教學(xué)時，教師大多通過舉例詳細解析，以期讓學(xué)生更好地理解并掌握各種統(tǒng)計計算的涵義，及其所能解決的問題的教學(xué)目標(biāo)。而現(xiàn)實卻是教師針對每種統(tǒng)計分析方法講解一個例題，不僅耗時較長，而且部分學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握情況也不全面，很難實現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。再者是課程設(shè)置上缺乏試驗、實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形式單調(diào)：傳統(tǒng)“生物統(tǒng)計學(xué)”的教學(xué)比較注重于對理論知識講解，教師在教學(xué)過程中更側(cè)重于將各種統(tǒng)計分析方法涉及的概率論、相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計的原理與方法講解透徹，普遍采用多媒體和板書結(jié)合的教學(xué)方式，以PPT展示教學(xué)內(nèi)容、課堂理論知識講解和公式板書推導(dǎo)計算為主，輕視了實踐操作。絕大部分學(xué)生通常對本課程的學(xué)習(xí)模式為課堂做筆記、課后做點練習(xí)題，不能較靈活地掌握和應(yīng)用各種統(tǒng)計分析方法，以致他們掌握的各種計算方法在進行實際的數(shù)據(jù)分析處理時并不實用，尤其表現(xiàn)在面對大量的畢業(yè)論文數(shù)據(jù)要進行分析時出現(xiàn)了無從下手的現(xiàn)象。

基于本人在多年本科生物統(tǒng)計教學(xué)過程中收集到學(xué)生對自己在該課程學(xué)習(xí)中存在問題、困難的反饋，多數(shù)學(xué)生都認為常用的各種試驗設(shè)計方法容易理解掌握，但自己在數(shù)據(jù)處理分析方面就表現(xiàn)出能力不足或者說數(shù)據(jù)分析成為個人的短板，具體表現(xiàn)為：在課堂上聽教師講解各種常用的試驗設(shè)計資料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法時，個人覺得比較簡單，但自己在面對不同試驗數(shù)據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)臋z驗方法并進行相應(yīng)統(tǒng)計分析時卻出現(xiàn)了一定的困惑。經(jīng)常有畢業(yè)班本科生甚至在讀研究生反映：自己以前在對該課程學(xué)習(xí)時重視度不夠，感覺該課程教學(xué)設(shè)計過于偏重于基礎(chǔ)理論，比其他專業(yè)課程學(xué)習(xí)難度大又枯燥，學(xué)習(xí)收效欠佳，特別是個人并未系統(tǒng)學(xué)習(xí)過一些較好的統(tǒng)計分析軟件，或者在本科階段接觸到統(tǒng)計軟件實用性欠缺，從而造成了學(xué)而無用的感覺。

二、調(diào)整優(yōu)化課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容，增設(shè)軟件操作實踐環(huán)節(jié)

針對以上問題，我校已對2020級農(nóng)學(xué)本科生的“生物統(tǒng)計學(xué)”課程進行了改革。首先，根據(jù)海南大學(xué)作物學(xué)一流學(xué)科建設(shè)要求及農(nóng)學(xué)一流本科專業(yè)發(fā)展的需要，對標(biāo)國內(nèi)一流農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)課程設(shè)置，我們將課程改名為“生物統(tǒng)計與試驗設(shè)計”，在原來專業(yè)必修課的理論教學(xué)48學(xué)時的基礎(chǔ)上，增加16學(xué)時的獨立試驗課及1周的課程實習(xí)周，由原來“理論教學(xué)”一個環(huán)節(jié)3學(xué)分調(diào)整到“理論+試驗+實習(xí)”三個環(huán)節(jié)共4.5學(xué)分。其次，我們已經(jīng)嘗試在理論課“生物統(tǒng)計與試驗設(shè)計Ⅰ”的基礎(chǔ)上，開展“生物統(tǒng)計與試驗設(shè)計Ⅱ、Ⅲ”實踐教學(xué)，增加了統(tǒng)計軟件上機應(yīng)用的實踐環(huán)節(jié)，并且選擇了在國際上最為權(quán)威的統(tǒng)計分析軟件SAS（Statistical Analysis System）作為教學(xué)軟件。我們選用SAS軟件主要有以下三個方面考慮：一是SAS軟件在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和科研領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，統(tǒng)計功能齊全，操作界面直觀，程序模式化，生物學(xué)類、植物生產(chǎn)類的本科生畢業(yè)后在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，或讀研究生深造時應(yīng)用的概率相對比較高。二是我校本科“生物統(tǒng)計與試驗設(shè)計”課程選用的教材是蓋鈞鎰主編的《試驗統(tǒng)計方法》（第4版），該教材中所有的例題均在附錄部分附相應(yīng)的SAS程序［3］。另外，我們選用唐燕瓊主編的《SAS統(tǒng)計分析教程》作為學(xué)生課外自主拓展學(xué)習(xí)的教材，可滿足部分學(xué)生的深入學(xué)習(xí)的要求［4］。三是SAS是模塊式結(jié)構(gòu)軟件，用SAS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，可直接調(diào)用，它把數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析融為一體，相比其他統(tǒng)計軟件是最能體現(xiàn)各種試驗設(shè)計的統(tǒng)計分析學(xué)原理，更有助于學(xué)生加深對相應(yīng)理論知識的理解與掌握。

三、調(diào)整優(yōu)化后的課程對學(xué)生平時學(xué)習(xí)方式與課程考核的要求

在課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，我們將部分SAS實踐內(nèi)容和相應(yīng)的理論教學(xué)內(nèi)容整合在一起講授，并設(shè)立了獨立試驗課來上機實踐，主要采取在機房教師集中講授示范、學(xué)生個人上機操作方式進行實訓(xùn)練習(xí)，同時提供軟件和教學(xué)相關(guān)例題的SAS程序、SAS教材等作為參考，讓學(xué)生直接在自己的電腦上安裝運行程序，鼓勵學(xué)生在機房直接完成本次試驗教學(xué)的SAS上機練習(xí)，課后在個人電腦上使用SAS軟件完成部分理論課程的作業(yè)。

課程加入SAS軟件的教學(xué)內(nèi)容后，考查形式也是需要探討的問題。由于本課程教學(xué)開設(shè)的對象是本科生，因此我們在課程設(shè)計時，針對SAS軟件分析部分的知識考查僅限于基礎(chǔ)知識方面。由于SAS程序是由數(shù)據(jù)步和過程步兩部分構(gòu)成。對于學(xué)生而言，數(shù)據(jù)步易于掌握與理解，而對于過程步則要記憶較多的過程名及選項，故我們在考核時強調(diào)學(xué)生要著重掌握與各章節(jié)理論教學(xué)重點有關(guān)的常用過程名及選項的正確調(diào)用及英文寫法。另外，由于“生物統(tǒng)計與試驗設(shè)計Ⅱ”是門獨立試驗課，16學(xué)時，故目前我們將試驗課考查內(nèi)容暫時與48學(xué)時理論課進行整合，以試卷形式一起進行期末統(tǒng)考，僅在試驗課結(jié)束時以“選擇、改錯”等客觀題型為主進行一次隨堂測試。我們對SAS軟件實踐教學(xué)重點考查的內(nèi)容有：（1）SAS程序的編寫規(guī)則；（2）常用的統(tǒng)計分析方法的SAS實現(xiàn)，如調(diào)用MEANS過程或TTEST過程進行t檢驗，F(xiàn)REQ過程進行頻數(shù)統(tǒng)計及卡方測驗等，用ANOVA 過程或GLM過程進行方差分析，用REG、GLM、CORR等過程進行線性回歸與相關(guān)分析等，用GLM過程進行協(xié)方差分析等；（3）對常用的試驗設(shè)計數(shù)據(jù)資料的SAS 運行結(jié)果的正確解析，例如，根據(jù)線性回歸模型GLM的SAS運行結(jié)果，學(xué)生們要能判定回歸關(guān)系是否顯著，正確讀出回歸系數(shù)，寫出回歸方程，明確決定系數(shù)及其統(tǒng)計意義或計算相關(guān)系數(shù)等。

在課程實習(xí)時，課程教學(xué)團隊根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實際情況，先制定出實習(xí)內(nèi)容，針對“作物研究論文調(diào)查、不同豆類施肥方案的設(shè)計與實施”采用分散實施，“科研項目實施報告與參觀學(xué)習(xí)”采用集中實施。通過“作物研究論文調(diào)查”實習(xí)，我們要求學(xué)生通過檢索、閱讀相應(yīng)文獻，要了解科研論文查詢的方法，論文中所采用的試驗設(shè)計方法與統(tǒng)計分析方法，記錄主要研究成果。并能利用SAS軟件對論文中所采用的試驗設(shè)計方法與統(tǒng)計分析方法進行匯總并繪制圖表。通過“不同豆類施肥方案的設(shè)計與實施”實習(xí)，我們要求學(xué)生掌握試驗方案設(shè)計的原理和要求、試驗方案設(shè)計的過程，設(shè)計合理的試驗方案并實施，定期對試驗指標(biāo)進行觀測，并在試驗結(jié)束后對資料進行正確SAS統(tǒng)計分析得出科學(xué)結(jié)論。通過在校內(nèi)相對集中進行“科研項目實施報告與參觀學(xué)習(xí)”，要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)專家報告內(nèi)容、參觀項目田間試驗，了解科研項目完整的實施過程與科研工作的原則和要求。通過參觀，了解科研項目中使用的試驗設(shè)計方法和統(tǒng)計分析方法。

四、調(diào)整優(yōu)化后的課程教學(xué)效果

經(jīng)過本次在我校2020級農(nóng)學(xué)專業(yè)進行課程實踐以后，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生認可“理論+試驗+實習(xí)”這種課程設(shè)置，并對“理論學(xué)習(xí)+上機軟件試驗”授課模式的接受度較高，主要體現(xiàn)在以下三方面。

1.學(xué)生對學(xué)習(xí)該門課程的畏懼情緒得以減輕。自主學(xué)習(xí)本課程的積極性在一定程度上得以明顯提高。針對課程SAS上機實踐教學(xué)內(nèi)容，我們編寫了試驗教案并對相關(guān)SAS程序進行了詳細解釋，在班群里上傳SAS安裝軟件，試驗教學(xué)PPT，要求學(xué)生在上機實踐前先預(yù)習(xí)試驗內(nèi)容，并且在個人電腦上安裝SAS軟件。因此，部分學(xué)習(xí)積極性高的學(xué)生是帶著問題進入實踐課堂的。在課堂上，教師除了介紹各種常用的試驗資料基本的SAS運行程序外，還進行現(xiàn)場上機練習(xí)，輔助以個別指導(dǎo)、答疑，有效地減輕了學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的畏懼情緒。另外，在課程實習(xí)課上，學(xué)生們通過自主設(shè)計并實施試驗后觀察試驗指標(biāo)，分析試驗數(shù)據(jù)等系列實踐操作，增加了課程的參與度，提高了學(xué)習(xí)興趣。

2.“生物統(tǒng)計學(xué)”與專業(yè)課程相互融合。我們在教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，讓其將本課程學(xué)到的試驗設(shè)計方法及其統(tǒng)計分析方法應(yīng)用到專業(yè)相關(guān)的試驗課程中，如作物栽培學(xué)、育種學(xué)、種子學(xué)等課程試驗。例如在進行種子耐鹽篩選試驗時，由學(xué)生討論該試驗的研究因素與處理，試驗觀察指標(biāo)與觀察要求，可能導(dǎo)致產(chǎn)生試驗誤差的原因，并確定可以通過貫徹局部控制原則進行控制的系統(tǒng)誤差等，由每個小組負責(zé)學(xué)生匯總并作決定，各小組自設(shè)計出試驗實施方案并執(zhí)行，進而利用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相應(yīng)分析得出科學(xué)結(jié)論。經(jīng)過類似的實踐，相關(guān)課程教師反映，這種做法有效地提升了大多學(xué)生對其他相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣與科學(xué)思維能力。

3.學(xué)與研相互融合。因為該課程的應(yīng)用性強，要求生物學(xué)類、植物生產(chǎn)類的學(xué)生不僅能夠“會讀書”，正確地理解并掌握基礎(chǔ)知識，還要求其“能動手”靈活應(yīng)用所掌握的知識來解決在科研與生產(chǎn)實際中碰到的科學(xué)問題。因此，教師通過課程教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)一些分析問題與解決問題綜合能力較強、學(xué)有余力的學(xué)生，可以推薦這部分學(xué)生盡早加入學(xué)院的科研團隊里，讓其參與到學(xué)科科研團隊的科研項目中，也可鼓勵組織學(xué)生通過申報、參加院、校、國家級大創(chuàng)項目?？傊ㄟ^課程教師的理論與試驗教學(xué)引導(dǎo)結(jié)合學(xué)生試驗與科研實踐探索等多種形式，提升學(xué)生的綜合能力，幫助其建立科學(xué)的思維方式，而且可以引導(dǎo)其選擇進一步深造尤其是報考本校研究生，從而為促進學(xué)科建設(shè)與發(fā)展吸收新鮮血液。

五、在調(diào)整課程結(jié)構(gòu)后教學(xué)實施過程中存在的問題及對策

盡管SAS軟件作為強有力的統(tǒng)計分析工具，早在眾多領(lǐng)域被國內(nèi)外科研工作者廣泛地接受并使用，但對于本科生而言，特別是包括農(nóng)學(xué)、植物保護、園藝等植物生產(chǎn)類的本科生，在學(xué)習(xí)SAS軟件進行數(shù)據(jù)處理過程中存在一定障礙。這就需要教師在教學(xué)過程中，特別注意：雖然SAS程序模式化，但對于農(nóng)學(xué)、植保等植物生產(chǎn)類的本科生來說，程序編寫顯得不易掌握；SAS軟件是全英文界面，在編寫程序及查看運行結(jié)果時，大多學(xué)生英文的詞匯量有限是又一個障礙。針對這一現(xiàn)狀，我們在平時講授理論課時，也注意加強對相關(guān)生物統(tǒng)計專業(yè)術(shù)語、統(tǒng)計分析方法等英文詞匯的學(xué)習(xí)與使用，并向?qū)W生提供詳細的SAS程序中文參考教材、講義，幫助他們克服這類學(xué)習(xí)障礙。同時我們在試驗教學(xué)過程中充分與其理論教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生在識記常用的一些統(tǒng)計分析過程名及選項后，了解各種統(tǒng)計分析方法的SAS過程步的通用格式，通過對過程步中的class語句、var語句、model語句解釋、變換練習(xí)，并讓學(xué)生自行嘗試使用excel等其他工具完成同樣任務(wù)進行比較等多種方式加強理解與掌握。同時強調(diào)SAS軟件進行方差分析多重比較的輸出結(jié)果時，輸出顯著水平為0.05和0.01的差異性均以大寫字母表示，要求學(xué)生在查看運行結(jié)果時要注意顯著水平，在實際抄寫結(jié)果時要將顯著水平為0.05標(biāo)記字母結(jié)果改為小寫字母等。通過在機房教師親自指導(dǎo)，學(xué)生上機實踐，便可以舉一反三，提高學(xué)習(xí)效率。

總之，隨著生物學(xué)研究的不斷精細化，人們已深深意識到加強對學(xué)生進行“生物統(tǒng)計學(xué)”相關(guān)理論知識和試驗及數(shù)據(jù)處理分析技能的培養(yǎng)重要性。目前國際上已有SAS、SPSS、DPS等多種統(tǒng)計軟件及R語言在生物統(tǒng)計學(xué)上的得以廣泛應(yīng)用［5］。其實，不同軟件各有其獨到之處，但也難免存在不足之處。在生物統(tǒng)計教學(xué)中，我們可以根據(jù)所處理問題的性質(zhì)、試驗?zāi)康募艾F(xiàn)有的教學(xué)條件來選擇合適的統(tǒng)計軟件來進行，以期為進一步提高學(xué)生對試驗數(shù)據(jù)處理與分析的能力，為促進雙一流高校培養(yǎng)本科人才質(zhì)量，培養(yǎng)出更多符合社會發(fā)展需要的復(fù)合應(yīng)用型人才。