生物統計學課程教學改革初探

顧婷 鄭恩琴 袁曉龍 張豪

摘 要 生物統計學課程在培養高綜合素質的農林學科人才方面肩負著重要任務，隨著科技的不斷進步、大數據時代的來臨和人工智能研發的蓬勃發展以及本科生培養計劃的不斷改革，畜牧獸醫學科中的生物統計學課程的教學方式亟需改革，基于此，本文就筆者近幾年的教學經驗做出一些初步的探索。

關鍵詞 生物統計學 教學 改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：A

生物統計學是農林類高等院校動物科學、動物醫學和水產科學的必修（選）課。與其他專業課程相比，該課程需要的數學和生物學基礎較多，涉及微積分、概率論、遺傳學和育種學等相關學科的內容（王麗等，2017;秦志勇，2018）。此外，該課程計算公式較多且復雜，直接理解存在較大困難，部分公式需要耐心推導過程才能理解，導致許多學生認為這門課程學習和理解太難，進一步誘發普遍的畏難情緒（魏衛東等，2017）。然而，這門課程在學生畢業論文設計、實驗數據處理和解析以及未來就業解決實際生產問題等方面發揮著其他課程無法替代的作用，是一門必須要學且要學好的學科。值得注意的是，生物統計學的教學目的不僅是要讓學生掌握統計學的數學原理，而更要培養學生運用統計學的原理進行試驗設計、選擇正確的方法分析試驗結果以及對結果進行合理解釋分析的能力（張豪，2013）。

因此，筆者結合近幾年的教學經驗，思考和總結了生物統計學這門課程面臨的問題、解決問題的方法，希望對課程的發展有所促進。

（1）生物統計學教學中存在的問題：

學生對這門課程缺乏興趣。生物統計學是統計學在生命科學領域的延伸和分支，對微積分、概率論的理論知識都有一定的要求，涉及的統計學概念及方法較多，比如，變量和觀察值，準確性和精確性，參數和統計量一系列看起來類似但內涵卻不同的概念等讓本科生產生“難學”的先入為主的直觀印象，心里自然就打了退堂鼓。相比之下，他們可能更喜歡一些容易的、趣味性娛樂性更強的課程。

學生普遍參與度低。由于上述所述生物統計學的特征，很多同學覺得課程難度系數大，對課程缺乏足夠的興趣，進一步導致對課程的參與度太低，表現在有時上課老師提問一些難度系數低的問題，學生也會表現得很“理性”，拒絕參與。比如對問題給出一些二選一的選項，旨在調動課堂氣氛，分別讓學生選A或B，結果兩個選項分別舉手的同學之和不到全班人數的50%，剩下的同學呈“觀望”狀態。

課程開設學期設計不合理。由于生物統計學涉及到很多實際生產中的具體案例，學生如果帶著一些生產或者實驗的數據資料來課堂，就更容易有的放矢，產生更多興趣，而且也更容易理解一些概念的含義和不同統計方法適用的不同數據情境，而動物科學和動物醫學的同學的該門課程被安排在大二下學期，此時，學生們對專業課程的接觸不多，還沒有相關亟需解決的統計學問題。

（2）根據這些課程相關問題，結合近幾年的教學經驗，筆者認為以下幾個方法可以嘗試來提高課程效果：

針對學生興趣缺乏的問題，我們教研室近幾年嘗試弱化復雜數學公式的推導過程，著重闡釋公式適用的情景，以及增加生活中和專業學習、實踐中具體案例的介紹，實現案例教學（case-based lecture），努力使課程的故事性和趣味性更強，一方面是為了減輕學生學習生物統計學這門課程的心理壓力，另一方面也是由于科技不斷的進步，隨著電腦和職能手機的普及，手工計算的場景在不斷減少，對公式的推導過程和記憶要求在不斷降低。例如，在第六章方差分析這部分教學內容的講授過程中，涉及到方差的數學模型、統計量方差變異的剖分等內容，我們通過具體案例帶入來講解，而公式變形部分涉及將公式中間交叉相乘項等于0的證明推導過程僅提供給同學們自學，為有興趣的同學課后推導做一個提示。對于方差公式的簡化形式我們也僅一句帶過，不要求同學們去死記硬背。同樣處理的還有各種常用概率分布的概率密度分布公式等，我們更多的是通過分布圖形幫助同學們理解各種概率分布的性質，以及影響概率分布的參數有哪些，還有在R語言中如何實現單點概率、累積概率以及已知事件發生的概率求位點的計算等內容，讓學生將更多的注意力集中到具體問題的解決過程，而不是公式的記憶上。

增加《生物統計學附試驗設計》課程的上機操作時間，以上機練習促進同學們對知識點的理解，在實操中加深對理論的認識。近幾年的教學過程中，筆者發現上機練習是縮短老師和學生間的距離的一種有效方式。在計算機教室中師生近距離，一對一的回答和輔導，同時，學生完成上機試驗后獲得的成就感，都提升了同學們的學習興趣。得益于學院建設的生物信息學教室的平臺建設，可以滿足多個自然班的同學同時上機練習，我們將各種實踐中經常遇到的生物學問題，包括連續型和離散型兩分類變量涉及的單個樣本平均數、兩樣本平均數（包含配對和非配對樣本）、多樣本平均數的假設檢驗，以及離散型變量涉及的卡方檢驗、兩個連續型變量涉及的回歸和相關關系分析的各種案例匯編成上機操作的教材，讓同學們在上機過程中嘗試編寫程序解決問題并相互討論程序中涉及的每一個函數的意義、包含的參數設置和具體的用法，加深對理論知識的理解。

通過提供大的匯報方向，指導同學們進行期中匯報，部分教學內容采取翻轉課堂（丁雪梅等，2014）等學習形式增強老師與學生、學生間的互動，這些教學方式的改革讓學生們成為課堂的主人，促進他們通過課外查資料、準備相應的學習材料、制作ppt講解和回答同學們的問題等環節，提高對課程的參與度。通過期中匯報，同學們會增加對統計學發展做出重要貢獻的統計學家的了解，包括提出方差分析思想的Fisher、提出正態分布的高斯、中國的統計學家汪厥明等名人。另外，在期中匯報過程中，部分學習積極的本科生同學對新知識的涉獵和掌握往往會激發其他同學的學習興趣，比如筆者在教學過程中以R語言作為處理數據的主要統計學軟件（張哲等，2013），幫助大家直接理解一些統計函數及參數的設置，讓同學們在不斷試錯和尋找程序bug和修改的過程中掌握這門計算機語言。在我們期中匯報的時候就有同學介紹相應的R studio這種開源編程語言和環境（趙霜等，2012），包括如何安裝、界面相較于R語言程序本身在程序自動報錯、畫圖界面兼容等方面的各種優勢，主動拓寬我們上課內容的范圍。此外，有同學會在期中匯報的時候介紹最近興起的人工智能（Artificial Intelligence）和機器學習等相關內容，雖然“人工智能”這個概念是在1956年就提出的，但其迅猛發展卻是伴隨著近幾年計算機和監控技術的普及和更新換代以及工業革命4.0的發展而發生的，豬臉識別、“AI+養豬”等技術近來也被應用到動物飼養管理等領域中（何偉奇，2018; 徐曉風，2018），同學們緊跟學科發展前沿，學習了解“人工智能”相關概念、統計算法，以及在畜牧獸醫領域中的應用。筆者在驚嘆本科同學對新鮮事物的接受能力和學習能力之余，也能站在觀眾的角度，透過同學們看似玩笑的相互毫無顧忌的提問和回答中，發現他們對知識的盲區。

對課程講授的時間進行調整。根據這幾年教學的經驗，我們建議將動物科學和動物醫學同學的生物統計學課程最好能安排在大三，也就是在同學們對專業課試驗有一定的了解后在進行，此外，一些同學在大二及暑假時間會參加大學生創新創業項目，進入實驗室學習，此時學生們積累了一些實驗數據素材，將更能夠理解本課程中的一些概念，比如因素、水平這些與試驗設計密切相關的名詞。雖然現有的將課程安排在大二也能讓我們課程順利開展，但能提出專業相關的試驗問題的同學特別少，不利于同學們的自主學習。當然最近的教學改革，逐步開放學生選課系統可能會緩解這個問題。

生物統計學課程是生命科學研究中以樣本推斷總體的學科，是許多院校的必修專業基礎課，是現代農業科學研究和生產中必不可少的工具（戚大勇等，2015）。該門課程以應用為主，對于生物學領域中的數據資料分析和學生科研能力的培養起著重要作用，與生命科學工作者的工作息息相關（官麗輝等，2019）。筆者為生物統計學這門課程的初級教學者，對課程的理解和教學的感悟仍需積淀，因此本文僅對當前存在的問題和可能解決的方法進行了初步的分析，期待幫助同行提高教學效率和教學效果。

參考文獻

[1] 張豪.生物統計學案例教學法實踐[J].教育教學論壇，2013（18）：61-62.

[2] 王麗，吉士東.生物統計下課程教學改革的探索[J].教育教學論壇，2017（23）：130-131.

[3] 秦志勇.生物統計學實驗教學改革研究綜述[J].安徽農業科學，2018，46（33）：223-224.

[4] 丁雪梅，張曉君，譚智敏，李云梅，趙云等.生物統計學實驗教學改革的探索與實踐[J].黑龍江畜牧獸醫，2014（09）：203-205.

[5] 魏衛東，謝久詳，田豐，蘆光新，辛總秀.基于提升農科專業學生《生物統計》應用能力的教學改革[J].教育教學論壇，2017（42）：101-102.

[6] 張哲，張豪.淺談R語言在生物統計學教學中的應用[J].教育教學論壇，2013（27）：54-55.

[7] 趙霜，姚俊萍.數據恢復軟件R-studio入門[J].中國科教創新導刊，2012（35）：50.

[8] 何偉奇.“AI+養豬”加速融合“豬臉識別”技術跨入2.0時代[J].中國食品，2018 （15）： 176.

[9] 徐曉風.機器人巡邏，豬臉識別“養豬”院士詳解“數字豬”怎么養[N].揚子晚報，2018-11-21（A07）.

[10] 戚大勇，劉春楊，張秀玲，李蘭會，周榮艷，李祥龍.生物統計學課程的學習體會[J].黑龍江畜牧獸醫，2015（02）：143-145.

[11] 官麗輝，吳占福，馬旭平，劉海濱，王志偉.地方農科院校《生物統計學》教學改革的探索與實踐[J].家畜生態學報，2019（03）：91-93.