“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程實(shí)踐教學(xué)改革

王魏根,隋娟娟,偶 春

(阜陽師范學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程實(shí)踐教學(xué)改革

王魏根,隋娟娟,偶 春

(阜陽師范學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”被認(rèn)為是一門學(xué)生難學(xué)和教師難教的課程，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及以及現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，為“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程教學(xué)改革帶來有利條件。在教學(xué)內(nèi)容上，針對“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程應(yīng)用性特點(diǎn)，增加了軟件應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，將R語言統(tǒng)計(jì)分析軟件用于教學(xué)。在教學(xué)方法上，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，利用微課程視頻資源輔助教學(xué)，提升教學(xué)效果。學(xué)生問卷調(diào)查及網(wǎng)絡(luò)平臺后臺統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，這些措施對學(xué)生掌握和運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識起到了積極的作用。

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程；R語言；實(shí)踐教學(xué)；翻轉(zhuǎn)課堂；微課程

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0047

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”是傳統(tǒng)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)和現(xiàn)代分子生物學(xué)研究不可缺少的工具，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。作為一門動物科學(xué)、生物科學(xué)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生通過學(xué)習(xí)，學(xué)會依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理制訂試驗(yàn)方案、收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析和做出合理的統(tǒng)計(jì)推斷，使學(xué)生在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)既做到知其然又知其所以然，為學(xué)生今后科研能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，涉及的統(tǒng)計(jì)概念多、數(shù)學(xué)公式多、統(tǒng)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，對于動物科學(xué)、生物學(xué)專業(yè)多數(shù)學(xué)生來說該門課程比較難學(xué)，老師也認(rèn)為該課程是比較難教的課程。許多教學(xué)人員對如何提高生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的教學(xué)效果做了一些有益的探討和實(shí)踐，并且都認(rèn)識到必須采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，在原理講解的同時(shí)選擇一種統(tǒng)計(jì)軟件輔助教學(xué)，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1，2]。通過軟件輔助教學(xué)，一方面可以減少教師和學(xué)生在做統(tǒng)計(jì)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算上的負(fù)擔(dān)，另一方面也通過統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，使學(xué)生獲得更加真實(shí)的統(tǒng)計(jì)分析體驗(yàn)。

“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)和訓(xùn)練離不開計(jì)算機(jī)和統(tǒng)計(jì)軟件，個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及以及現(xiàn)代通信和信息技術(shù)的發(fā)展為開展實(shí)踐教學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，筆者根據(jù)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)和課程特點(diǎn)，在教學(xué)方法、教學(xué)模式上積極探索生物統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)踐教學(xué)新途徑，力求提高生物統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)踐教學(xué)效果。

一、教學(xué)用統(tǒng)計(jì)軟件的選擇

統(tǒng)計(jì)軟件有很多種，從比較常用的Excel到專業(yè)的統(tǒng)計(jì)軟件SPSS、SAS等[3，4]。在理論課程教學(xué)中，也使用了Excel輔助教學(xué)，學(xué)生可以利用Excel完成描述性統(tǒng)計(jì)、t檢驗(yàn)、單因素方差分析、固定模型的雙因素方差分析以及簡單回歸分析等[5]。但生物統(tǒng)計(jì)中常用的方差分析后的多重比較、多因素方差分析和非線性回歸等利用Excel則不能簡單實(shí)現(xiàn)，因此需選用其它的軟件用于教學(xué)。綜合考慮性能、價(jià)格以及發(fā)展趨勢后，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中我們選用R語言統(tǒng)計(jì)軟件。

R語言最早是由新西蘭奧克蘭大學(xué)(University of Auckland)的Ross Ihaka和Robert Gentleman在20世紀(jì)90年代初共同開發(fā)的一種計(jì)算機(jī)語言，自1997年起，由R語言開發(fā)核心小組負(fù)責(zé)開發(fā)。R可在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行，如Windows XP及以后版本、蘋果公司的Mac OS、Linux、UNIX等，作為一門開源的語言，這二十多年來得到迅速發(fā)展，在R主頁上(http://www.r-project.org)有數(shù)千個(gè)程序包，涵蓋了基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)學(xué)、生態(tài)與環(huán)境科學(xué)、空間分析、系統(tǒng)發(fā)育分析、生物信息學(xué)等諸多領(lǐng)域[6]。相比其它統(tǒng)計(jì)軟件，R有自己的特點(diǎn)，首先R是免費(fèi)的開放獲取資源，教師和學(xué)生無需花錢購買，有利于學(xué)生獲取、使用。其次，R統(tǒng)計(jì)分析方法資源豐富，應(yīng)用非常廣泛，可以通過加載工具包的形式獲得很多新的統(tǒng)計(jì)分析功能，也可以編寫自己的函數(shù)庫。同樣，許多新的統(tǒng)計(jì)分析方法也借助R平臺得以迅速傳播。再次，R有眾多的幫助文件，每個(gè)函數(shù)都有幫助文件以及運(yùn)行示例，在R語言網(wǎng)站有許多免費(fèi)學(xué)習(xí)R的參考資料。最后，R也可以和我們常用的Excel軟件、數(shù)據(jù)庫等實(shí)現(xiàn)接口連接[7]。

R語言是按照邏輯步驟來處理問題，使用時(shí)需要記住常用的函數(shù)并編程，這和我們平常使用圖形界面習(xí)慣不一致，這一特點(diǎn)開始可能會阻礙教師和學(xué)生去學(xué)習(xí)和使用R語言。但生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生在一年級時(shí)已經(jīng)學(xué)過大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，具有計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，只要稍加學(xué)習(xí)，對R的運(yùn)行特點(diǎn)掌握以后，就不難接受編程問題。

二、“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”教學(xué)大綱，在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容上精心選擇。一是考慮“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”不同知識點(diǎn)之間的銜接性、難易程度以及實(shí)用性；另一方面也考慮利用R語言解決Excel不能簡單實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)問題。必做內(nèi)容包括6個(gè)方面：(1)概率和分布；(2)描述性統(tǒng)計(jì)和圖形；(3)單樣本和雙樣本檢驗(yàn)；(4)卡方檢驗(yàn)；(5)單因素方差分析；(6)簡單直線回歸和相關(guān)分析。由于需要引導(dǎo)學(xué)生去逐步學(xué)會、使用和接受R語言，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容必做部分總體是選擇相對簡單、編程相對容易的內(nèi)容。自學(xué)選做內(nèi)容包括多樣本方差同質(zhì)性檢驗(yàn)、多重比較、二因素方差分析、多因素方差分析、非線性回歸分析等，選作部分教學(xué)內(nèi)容大部分是利用Excel無法簡單實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，同時(shí)也適當(dāng)增加一些需要更復(fù)雜編程的內(nèi)容。各部分教學(xué)目標(biāo)及應(yīng)用的R函數(shù)見表1，推薦教材為《R語言統(tǒng)計(jì)入門》[6]。

表1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及R函數(shù)

為了使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教材《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》[8]結(jié)果對比，數(shù)據(jù)仍然采用教材中例題。例如教材中例題【4.4】：檢驗(yàn)魚塘10個(gè)樣點(diǎn)水樣含氧量4.33、4.62、3.89、4.14、4.78、4.64、4.52、4.55、4.48、4.26與多年平均4.5差異是否顯著。該例題在Excel中只能通過描述性統(tǒng)計(jì)的置信區(qū)間進(jìn)行判斷，而在R中可運(yùn)行如下程序，得到具體的t值和p值。

>DO<-c(4.33,4.62,3.89,4.14,4.78,4.64,4.52,4.55,4.48,4.26)#構(gòu)建一個(gè)向量DO。

>t.test(DO, mu=4.5)#進(jìn)行t檢驗(yàn)。

運(yùn)行后結(jié)果如下：

"One Sample t-test

data: DO

t= -0.93574,df= 9,p-value = 0.3738

alternative hypothesis: true mean is not equal to 4.5

95 percent confidence interval:

4.230016 4.611984

sample estimates:

mean of x

4.421"

在單因素方差分析后的多重比較，Excel則不能簡單完成，而在R語言中可以多種方法實(shí)現(xiàn)，幫助學(xué)生更容易地解決更多問題。例如教材[8]中例題【6.1】。

>zhugao<-c(18.1,18.6,18.7,18.9,18.3,17.4,17.9,17.1,16.5,17.5,17.3,16.9,18.5,18.2,16.2,15.6,15.8,16.7,15.3,16.8)#輸入數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)向量zhugao。

> yingyang=factor(rep(1:4,each=5))#構(gòu)建一個(gè)因子向量yingyang。

> luhui<-data.frame(zhugao,yingyang)#將數(shù)據(jù)和因子生成一個(gè)數(shù)據(jù)框luhui。

> bartlett.test(zhugao～yingyang,data=luhui)#方差同質(zhì)性檢驗(yàn)

> out<-aov(zhugao～yingyang,data=luhui)#方差分析，分析結(jié)果儲存在out。

>out1<- TukeyHSD(out)# TukeyHSD法多重比較，分析結(jié)果儲存在out1。

>out2<-pairwise.t.test(zhugao,yingyang,p.adjust.method="bonferroni")#配對的t檢驗(yàn)，用bonferroni法矯正，分析結(jié)果儲存在out2。

> library(agricolae)#加載agricolae程序包，內(nèi)有LSD法。

讓學(xué)生思考定義的注意點(diǎn)，比讓學(xué)生回憶定義，效果也許更好.此問題，要求學(xué)生分析出兩個(gè)注意點(diǎn)：(1)從第二項(xiàng)起，即an-an-1=d(n≥2)；(2)差d為常數(shù)，即公差.

>out3<-LSD.test(out,"yingyang",p.adj="none")#LSD法多重比較，不校正，分析結(jié)果儲存在out3。

>summary(out)#查看結(jié)果。

> out1#查看結(jié)果。

> out2#查看結(jié)果。

> out3#查看結(jié)果。

運(yùn)行以上程序后，就可以得到方差同質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果、單因素方差分析結(jié)果、以及3種方法的多重比較結(jié)果，結(jié)果展現(xiàn)非常清楚。多重比較部分結(jié)果顯示見表2。從這個(gè)例題可以看出，R語言程序邏輯條理清楚，可讀性強(qiáng)，只通過幾行編程語句，就可以比較高效地完成從數(shù)據(jù)輸入到統(tǒng)計(jì)分析的全部過程。對于有些分析功能如果本身自帶的程序包不具備，也可以通過加載其它的程序包完成分析。

表2 例【6.1】多重比較結(jié)果(部分)

三、教學(xué)模式的改革——翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂或顛倒課堂(Flipped Classroom 或者Inverted Classroom)形式上看是指傳統(tǒng)教學(xué)過程中知識的傳授和知識的內(nèi)化兩個(gè)階段發(fā)生了顛倒，但本質(zhì)是一種新的混合式學(xué)習(xí)策略。這種學(xué)習(xí)模式包含兩個(gè)部分：以現(xiàn)代信息通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的課外學(xué)生自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)以及課堂內(nèi)以集體探究學(xué)習(xí)為主要方式的學(xué)習(xí)活動[9]。根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的基本特征，筆者設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式(見表3)。

在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，在課前，教師首先將視頻、課件等教學(xué)資源上傳到學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺并發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生則在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度自主學(xué)習(xí)，課前主要學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的R語言基本函數(shù)和編程基礎(chǔ)知識。學(xué)生可以通過自測題來了解自己的學(xué)習(xí)效果。在課內(nèi)，學(xué)生以小組學(xué)習(xí)的形式，主要一起討論交流解決實(shí)際統(tǒng)計(jì)問題以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果的生物學(xué)解釋，促進(jìn)知識的吸收與內(nèi)化。在這一過程中，教師是幫助者、組織者和促進(jìn)者，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主動承擔(dān)者、探索者和解決者。學(xué)生可以獲得更加真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

表3 “生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式

四、微課程視頻資源的利用

現(xiàn)今流行的微課程(Micro-lecture)概念是由美國新墨西哥州圣胡安學(xué)院的高級教學(xué)設(shè)計(jì)師、學(xué)院在線服務(wù)經(jīng)理戴維·彭羅斯提出的。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，課程傳授的知識單位不再以傳統(tǒng)的“課”為單位，而是以“微課”為單位，一個(gè)微課程重點(diǎn)解決一個(gè)問題。微課程以教學(xué)視頻為主要載體，以網(wǎng)絡(luò)課程的形式呈現(xiàn)，是繼多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)課程之后迅速發(fā)展起來的一種新型學(xué)習(xí)資源。微課程是學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，一系列主題完整又相對獨(dú)立的微課程也是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)一定的教育教學(xué)功能[10]。

在“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)微課程視頻制作上，采用的是“錄課軟件+解說詞”式的制作方法。采用錄屏軟件錄制R語言的統(tǒng)計(jì)分析過程，配以教師講解的聲音和字幕。根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，必做部分視頻的主題包括R及其程序包的下載和安裝，數(shù)據(jù)的輸入，描述性統(tǒng)計(jì)分析，簡單統(tǒng)計(jì)圖形的制作，單樣本、雙樣本和配對樣本t檢驗(yàn)，兩個(gè)及兩個(gè)以上類別表格數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析，簡單線性回歸和相關(guān)等。選作部分視頻的主題包括多樣本方差同質(zhì)性檢驗(yàn)；多重比較；二因素方差分析；多因素方差分析；非線性回歸等。錄制的視頻上傳到學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以隨時(shí)、反復(fù)觀看。通過教學(xué)視頻，學(xué)生可以看到R語言操作的具體運(yùn)行過程，能很快指導(dǎo)學(xué)生如何運(yùn)行自己的程序。例如，R及其程序包的下載和安裝微課程設(shè)計(jì)(見表4)。

表4 “R及其程序包的下載和安裝”微課程設(shè)計(jì)

五、學(xué)生觀點(diǎn)調(diào)查

通過對學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺完成的多次單元測驗(yàn)答題情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對于可以利用Excel直接實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析的試題，有70%的學(xué)生是用Excel完成的，只有30%是用R語言完成的。對于不能簡單直接利用Excel完成統(tǒng)計(jì)的試題，則均是用R語言完成的，學(xué)生并沒有積極努力拓展Excel的統(tǒng)計(jì)分析功能。對于Excel不能完成統(tǒng)計(jì)分析的試題，更是全部用R語言完成。在課程學(xué)習(xí)的后期，有學(xué)生可以對同一試題編寫不同的R語言程序。

對阜陽師范學(xué)院生物與食品工程學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)和動物科學(xué)專業(yè)2013級學(xué)生進(jìn)行了不記名問卷調(diào)查，主要是了解學(xué)生對“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)手段等方面的看法，對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了定性分析。調(diào)查結(jié)果表明，在對教學(xué)模式方面，學(xué)生表示翻轉(zhuǎn)課堂增加了他們課外學(xué)習(xí)該課程的時(shí)間。微課程視頻可以反復(fù)觀看，對他們掌握和利用R語言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析有很大的幫助。網(wǎng)絡(luò)平臺后臺統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示，利用R語言統(tǒng)計(jì)分析的學(xué)生觀看視頻的時(shí)間更長一些。通過使用軟件，促進(jìn)了他們對統(tǒng)計(jì)原理的學(xué)習(xí)和理解，能更快地選擇相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法對生物學(xué)資料進(jìn)行分析，也使他們認(rèn)識到“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”是一門很實(shí)用的課程。對于統(tǒng)計(jì)軟件R語言，很多的學(xué)生表示有進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣，主要的理由是在以后的學(xué)習(xí)生活中，如考取研究生后的學(xué)習(xí)階段可能會有很大的用處。

六、小結(jié)

將“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，能減輕學(xué)生對這門課程的畏難情緒，增加學(xué)習(xí)興趣。R語言因具有多方面優(yōu)點(diǎn)，逐漸展現(xiàn)出在生物統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，因此在“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中利用R語言有助于學(xué)生今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和利用。但同時(shí)學(xué)習(xí)R語言和生物統(tǒng)計(jì)，幾乎是同時(shí)學(xué)習(xí)2門課程，特別是剛?cè)腴T時(shí)，會增加學(xué)生額外的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。所以，筆者通過由簡到難的示例來逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會和接受R語言，并且在實(shí)踐教學(xué)過程中，積極利用翻轉(zhuǎn)課堂這一新的教學(xué)模式，利用微課程輔助教學(xué)，促進(jìn)和幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從而進(jìn)一步改變生物統(tǒng)計(jì)學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在問題，提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

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(編輯：劉偉霄)

2017-03-10

國家卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(教高函[2014]7號)；安徽省高校教研重點(diǎn)項(xiàng)目：“基于翻轉(zhuǎn)課堂的《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》微課程教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用”(編號：2015jyxm223)；安徽省高校教研項(xiàng)目：“《花卉學(xué)》實(shí)踐教學(xué)‘興趣-動手-實(shí)踐-創(chuàng)新’模式的探索——以阜陽師范學(xué)院為例”(編號：2015jyxm221)；阜陽師范學(xué)院本科教學(xué)工程項(xiàng)目：“網(wǎng)絡(luò)課程資源《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》”(編號：2016WLKC31)。

王魏根(1975-)，男，安徽宣城人，碩士，講師，研究方向?yàn)樗鷦游飳W(xué)及生態(tài)。

G642.0

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1008-6927(2017)02-0098-05