新工科背景下本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)

李今心 陳 波

江蘇第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 211200

新工科(Emerging Engineering Education)是國家基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求而提出的我國工程教育改革方向[1]。較之傳統(tǒng)工科,新工科內(nèi)涵更豐富,強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)是新工科的核心內(nèi)容之一[2]?！按竽懠僭O(shè)”和“小心求證”是創(chuàng)新活動(dòng)相輔相成的兩個(gè)方面,在對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中科學(xué)規(guī)范和科學(xué)方法教育是非常必要的。作為方法論的統(tǒng)計(jì)學(xué)是科學(xué)研究中不可或缺的工具,如果科研工作者僅簡單地把統(tǒng)計(jì)學(xué)當(dāng)作學(xué)術(shù)論文修飾工具,對統(tǒng)計(jì)學(xué)在科學(xué)研究中的作用重視不夠,將會(huì)嚴(yán)重影響科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性[3]。有調(diào)查顯示僅在全球發(fā)表的生物學(xué)研究論文中有高達(dá)約50%存在著統(tǒng)計(jì)學(xué)方法運(yùn)用錯(cuò)誤[4]。因此,在新工科背景下,大學(xué)生統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)對學(xué)生未來工程實(shí)踐中從事創(chuàng)新性和研究性工作具有重要意義。Bromage等研究表明,統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的教學(xué)對高校學(xué)生創(chuàng)新教育至關(guān)重要[5]。Chiel等報(bào)道,統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的理解[6]。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是工科院校本科教學(xué)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一,也是“新工科”人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是教學(xué)活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)規(guī)范和科學(xué)方法的重要契機(jī)[7-8]。在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的應(yīng)用直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和研究結(jié)論的科學(xué)性,對畢業(yè)論文質(zhì)量有重要影響。潘聲旺等的調(diào)查研究結(jié)果顯示,本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中近九成存在統(tǒng)計(jì)缺陷[9]。魏敏等報(bào)道,相當(dāng)數(shù)量的藥學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)論文中統(tǒng)計(jì)學(xué)方法運(yùn)用不當(dāng)[10]。本文僅就新工科背景下本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)做初步探討。

1 新工科背景下的大學(xué)生統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)

新工科建設(shè)是我國高等教育對科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的主動(dòng)戰(zhàn)略行動(dòng),因應(yīng)新技術(shù)與新經(jīng)濟(jì)的需要,改革課程體系、強(qiáng)化數(shù)理基礎(chǔ)和信息技術(shù)教學(xué)是高校在新工科背景下針對創(chuàng)新人才培養(yǎng)所實(shí)行的改革措施之一[11]。統(tǒng)計(jì)學(xué)作為一門收集、分析數(shù)據(jù)并從數(shù)據(jù)分析中得出并展示研究結(jié)果的科學(xué)越來越受到重視,在我國大多數(shù)高校工學(xué)專業(yè)課程中一門必修數(shù)學(xué)課開設(shè)了“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”課程,該課程主要教授數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論知識(shí),因此,工學(xué)專業(yè)的學(xué)生在開始本科畢業(yè)設(shè)計(jì)前已經(jīng)具備了一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)。但作為工科專業(yè)的公共課程,學(xué)生所學(xué)的“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”教學(xué)內(nèi)容偏重于抽樣分布、參數(shù)估計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)和方差分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)理論,關(guān)于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的教學(xué)內(nèi)容相對較少,尤其是缺少與專業(yè)知識(shí)結(jié)合的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)內(nèi)容[11],課程教學(xué)內(nèi)容中雖然有案例教學(xué),但所選教學(xué)案例通常沒有專業(yè)的針對性。這種缺少與實(shí)踐相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論教學(xué),經(jīng)常致使學(xué)生對統(tǒng)計(jì)思想理解不足,缺乏綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力和經(jīng)驗(yàn)。目前,這種統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力的缺乏已經(jīng)直接反映到學(xué)生所完成的本科畢業(yè)論文中。張菁華等調(diào)查發(fā)現(xiàn),統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤在本科畢業(yè)論文錯(cuò)誤中占很大比例,在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020年186篇本科畢業(yè)論文中出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤的占66.7%[12]。因此,本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段培養(yǎng)學(xué)生正確運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí),對改善本科畢業(yè)論文質(zhì)量具有重要意義。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段也為學(xué)生將其所學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于專業(yè)實(shí)踐活動(dòng)提供了契機(jī)。陳莉等認(rèn)為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段在教師指導(dǎo)下的統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)應(yīng)用有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力[13]。符裕紅等認(rèn)為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的學(xué)以致用對學(xué)生深入理解統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)具有較好效果[14]。

統(tǒng)計(jì)學(xué)是一門既傳統(tǒng)又現(xiàn)代的應(yīng)用型學(xué)科,作為統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)理論的“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”教學(xué)內(nèi)容經(jīng)典而傳統(tǒng),但基礎(chǔ)理論的實(shí)際應(yīng)用需要現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐[15]。在新工科背景下,高校更加重視信息技術(shù)教育,普遍開設(shè)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)語言類課程,這為學(xué)生使用統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析提供了基礎(chǔ)[16]。但筆者的教學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),學(xué)生在實(shí)踐中面對統(tǒng)計(jì)軟件經(jīng)常不知從何下手,茫然不知所措,雖然能在教師的指導(dǎo)下利用如Excel等較為傳統(tǒng)的工具軟件完成基本的數(shù)據(jù)分析與結(jié)果展示,但對統(tǒng)計(jì)分析過程則處于懵懂狀態(tài),知其然不知其所以然。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,各種新型統(tǒng)計(jì)軟件,如SPSS、SAS、Minitab、R等,層出不窮,學(xué)生這種理論與應(yīng)用不能很好結(jié)合的情況會(huì)越來越嚴(yán)重。但從另一方面看,對于任何一款統(tǒng)計(jì)軟件,只有使用者具備扎實(shí)的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ),才能準(zhǔn)確理解統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),正確使用相關(guān)公式和進(jìn)行相關(guān)演算?？偠灾?在新工科背景下,高校學(xué)生普遍受到了較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和信息技術(shù)教育,但亟須提高其對所學(xué)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用能力。只有如此,才能達(dá)成新工科建設(shè)中對學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求。

2 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)方法

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)作為學(xué)生專業(yè)綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)踐課程,是提升學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新思維的重要契機(jī)。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生對基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力綜合運(yùn)用的體現(xiàn),也是學(xué)生本科階段四年學(xué)習(xí)成果的集中體現(xiàn),對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力有著重要作用,也為學(xué)生從事未來相關(guān)實(shí)踐工作奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。統(tǒng)計(jì)學(xué)是一門從試驗(yàn)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)收集與試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)融為一體的課程,而試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與展示一般會(huì)貫穿在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程,因此,本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)也是培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力的重要契機(jī)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)通常是昂貴的實(shí)踐活動(dòng)。人們希望以較少的人力、物力和財(cái)力,用最短的時(shí)間內(nèi)來獲取最多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù),因此,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)直接影響著科學(xué)研究的效率和成敗,而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的正確運(yùn)用密切相關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的某些缺陷致使喪失部分珍貴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息的情況并不鮮見,嚴(yán)重時(shí)還直接或間接導(dǎo)致研究結(jié)論出現(xiàn)錯(cuò)誤或偏差,究其原因,很多是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者缺乏統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)工作中,在指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),教師需要提醒和引導(dǎo)學(xué)生使用正確的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,在這個(gè)過程中,指導(dǎo)教師要注意學(xué)生的學(xué)習(xí)心理,因?yàn)椴糠滞瑢W(xué)有“統(tǒng)計(jì)學(xué)焦慮”。這是一種在知道將要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)時(shí)出現(xiàn)的緊張、憂慮、擔(dān)心和恐懼等焦慮情緒,這種心理源自學(xué)生在學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論知識(shí)過程中的不愉快經(jīng)歷,認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)抽象性強(qiáng)、難學(xué),通常這部分同學(xué)所取得的考試成績也不是很理想[17]。這種“統(tǒng)計(jì)學(xué)焦慮”心理會(huì)使學(xué)生對應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)產(chǎn)生畏難情緒,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)刻意回避使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。針對這部分同學(xué)的焦慮心理和畏難情緒,本科畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)采取先易后難的方法提高學(xué)生自信心,喚起學(xué)生對統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的興趣。例如,可以先教會(huì)學(xué)生用正交試驗(yàn)方法來應(yīng)對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的多樣本、多因素的組合實(shí)驗(yàn),在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差,在數(shù)據(jù)圖中添加誤差線等相對較簡單的應(yīng)用技巧,當(dāng)學(xué)生體驗(yàn)到統(tǒng)計(jì)學(xué)的實(shí)用性和對統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的成功應(yīng)用,“統(tǒng)計(jì)學(xué)焦慮”心理會(huì)慢慢減弱直至消失,進(jìn)而從畏難回避到主動(dòng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)滲透到具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有利于培育學(xué)生的統(tǒng)計(jì)思想,而統(tǒng)計(jì)思想對提高大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力具有重要意義。根據(jù)筆者觀察,剛進(jìn)入本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的大學(xué)生并非沒有掌握相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論知識(shí),而是面臨實(shí)際問題時(shí)想不到用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來解決,這就需要畢業(yè)論文指導(dǎo)教師在教學(xué)中解釋應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的原因,強(qiáng)調(diào)正確運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是科研工作中“小心求證”的重要保證,強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對科研工作嚴(yán)謹(jǐn)性的重要意義。指導(dǎo)教師要在具體統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用上細(xì)心指點(diǎn)和傳授,指導(dǎo)學(xué)生正確選擇樣本、合理設(shè)置對照、注意實(shí)驗(yàn)誤差、正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),向?qū)W生說明研究中要用什么統(tǒng)計(jì)法、為何要用該統(tǒng)計(jì)法、何種情況下需要使用檢驗(yàn)法等。

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的正確使用與統(tǒng)計(jì)結(jié)果的描述規(guī)范與否直接影響畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)最常出現(xiàn)的問題包括統(tǒng)計(jì)分析方法描述欠缺、統(tǒng)計(jì)方法誤用、統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果表述不規(guī)范、圖表不規(guī)范或不恰當(dāng)?shù)萚9,12]。針對畢業(yè)論文中的具體統(tǒng)計(jì)學(xué)問題,指導(dǎo)教師需要結(jié)合專業(yè)知識(shí)認(rèn)真把關(guān)和給予學(xué)生耐心、仔細(xì)的指導(dǎo)。例如,在固定化酶研究領(lǐng)域的本科畢業(yè)論文中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)用曲線圖來描述固定化酶重復(fù)使用次數(shù)的問題,指導(dǎo)教師應(yīng)指出固定化酶重復(fù)使用次數(shù)為不連續(xù)數(shù)據(jù),向?qū)W生說明統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)中連續(xù)數(shù)據(jù)與不連續(xù)數(shù)據(jù)的區(qū)別和統(tǒng)計(jì)結(jié)果描述的不同。

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中必須將統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力培養(yǎng)和計(jì)算機(jī)運(yùn)用相結(jié)合,指導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、研究結(jié)果展示和闡釋。目前,工科學(xué)生在學(xué)習(xí)和研究中廣泛使用的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件主要包括Excel、Origin、SPSS、SAS等,其中Excel應(yīng)用得最為廣泛,但在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn),部分學(xué)生對利用Excel制作圖表很陌生,表現(xiàn)為不知道標(biāo)準(zhǔn)的圖表要求,做出來的圖表不符合要求,更談不上美觀,還有為數(shù)不少的學(xué)生不知道Excel具有統(tǒng)計(jì)分析功能,在實(shí)驗(yàn)研究中耗時(shí)耗力地采用人工演算的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,效率低下且容易出錯(cuò)。鄭海波建議,在學(xué)生完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)教師應(yīng)著重在Excel表格的制作、Excel圖表的制作、Excel函數(shù)與公式及統(tǒng)計(jì)分析工具方面對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)[18]。據(jù)筆者了解,在用軟件解決專業(yè)研究中的具體統(tǒng)計(jì)問題后,多數(shù)學(xué)生會(huì)對統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生濃厚的興趣,有利于提高學(xué)生應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的能力。

通過注重畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng),反映在畢業(yè)論文中可以發(fā)現(xiàn):學(xué)生更喜歡用圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和說明自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且對不同圖表用途理解得更加深刻,可針對不同類型變量使用相應(yīng)的圖表,如用餅圖、氣泡圖、條形圖等對類別型變量進(jìn)行分析,用折線圖、直方圖、散點(diǎn)圖、時(shí)間序列圖等對數(shù)值型變量進(jìn)行分析。論文中的圖表也更為規(guī)范美觀,如表格標(biāo)題、線條粗細(xì)等。

結(jié)語

新工科背景下,高校中的工科學(xué)生在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)開始前已經(jīng)具備較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)和信息技術(shù)基礎(chǔ)。一方面,在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的應(yīng)用能力,能夠潛移默化地建立起學(xué)生的統(tǒng)計(jì)思想。另一方面,通過統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)在具體實(shí)驗(yàn)工作中的應(yīng)用,能夠使學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解更加深入。