新工科背景下《生物統計與實驗設計》教學思考與改革實踐

李善家 伍國強 魏明

摘要：在新工科背景下，重新審視工科專業課程框架體系十分必要。在大數據時代下，探索生命科學奧秘需要加強生物統計與實驗設計課程改革。生物統計與實驗設計是生命科學相關專業必修課及一門工具學科。本文結合課程改革的背景與意義，提出課程教學中存在的主要問題，對教學內容進行了優化調整，明確了教學過程中的基本原則，探索了多元化教學手段，制定了合理的考核方式，注重學生實際應用能力的培養。無論對本科生和研究生統計理念和思維的建立，還是對生命科學及復雜工程問題的解決，以及對教師改進教學、提高業務水平均具有實際指導意義。

關鍵詞：新工科；生物統計；實驗設計；教學思考；改革實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2021）07-0142-02

基金項目院2018年甘肅省教育科學規劃“十三五”2018年度高校與職業院校課題“基于‘雙創’型人才培養的生物工程專業實踐教學體系探索與實踐”（GS[2018]GHBBK012）。

新工科是我國高等工程教育對國際競爭新形勢、國內工程教育發展新模式以及服務國家戰略發展新需求而做出的符合中國特色的高等工程教育改革方案[1]。新工科主要“新”在三個方面：即對傳統工科專業的升級改造，面向新經濟產生的新工科專業以及學科交叉融合產生的新工科專業[2]。在這一背景下，加強工科院校專業及課程的升級改造，培養符合新工科要求的高級專門人才是當前高等工程教育改革、發展的熱點與趨勢。

生物統計（Biostatistics）與實驗設計（Experimental Design）是對高等院校生物、食品、制藥等生命科學相關專業學生具有重要作用和意義的必修課程，該課程是數理統計在生物學領域應用的一門工具學科，在面對推導公式、理解概念、分析圖表、復雜計算等諸多方面，課程的教與學均存在較大難度。因此，基于新工科視角，結合課程特點，圍繞創新教育理念，本文根據多年教學的經驗，提出課程教學的思考，探索課程改革的前景，促進知識傳授、能力培養與素質增強的有效融合，為培養滿足社會需要的高級工科專門人才提供指導和思路[3]。

一、課程改革的背景意義

近年來，國外著名大學競相成立了生物統計學系，生物統計科學研究已成為生命科學的新熱點，尤其在統計遺傳、生物信息、復雜性狀、基因表達等領域中存在著巨大的挑戰和機遇。自然（Nature）刊文指出生物統計學在揭示遺傳進化的數據統計領域具有前所未有的重要意義和挑戰，同時還特別提出生物統計學專業博士在面臨就業方面所具有的優勢與強勁競爭力[4]。生物統計與實驗設計主要是研究生命科學領域生命特征、實驗變異的科學，但統計學歸根不是數學，它關注的是樣本的變異所反映總體的特征。在生命科學體系中，學生若沒學好生物統計與實驗設計，對生命特征的描述和反映就會存在較大缺陷，因此生物統計在生命科學中具有無可替代的重要作用。

生物統計與實驗設計的結合，主要向人們講授科學研究的實驗方法和對實驗結果資料的整理分析方法，其通過對實驗所獲得的資料進行統計分析，最后借助數理統計理論來作出科學的推斷，幫助人們認識要研究的對象，實現由樣本推斷實物全體的重要功能。因此，生物統計在科學研究中被譽為“科技工作者從事科學研究的工具和手段”，也是培養和提高大學生科技素質的一個非常重要的方面。目前，生物統計與實驗設計的教學仍沿用傳統教師講授法，存在學生課中被動接受知識，課后習題消化課堂所學，缺乏教學互動與主動參與，學生對先修課程與本門課程的聯系不夠緊密，對課程的重要作用不勝了解，實踐應用能力較弱等問題，因此生物統計與實驗設計課程改革探索勢在必行。

二、新工科背景下課程教學調整及優化

（一）調整課程教學內容框架

蘭州理工大學目前采用由杜榮騫主編、高等教育出版社出現發行的《生物統計學》（第4版）作為教材，根據工具學科特點，該門課程在內容安排上注重基礎理論和實踐應用的結合，現階段各類院校都在優化專業培養方案，課程學時均有一定程度的縮減，但對教學內容、知識面的要求更多更廣，應根據專業特色和學生實際精選、調整并形成課程體系。在學生先修課程概率論與數理統計、線性代數的基礎上對教學體系調整優化為：資料整理與特征數計算、概率和概率分布、統計推斷與參數估計、方差分析、回歸與相關、實驗設計、統計軟件等共七個部分，重點講授生命科學統計分析中兩個最重要的分支：方差分析和回歸分析的理念和思想。生物統計方法重點掌握：統計推斷、參數估計、單因素和多因素的方差分析、回歸與相關分析；假設檢驗方法重點學習對平均數滋檢驗的u-test和t-test，對方差滓2檢驗的字2-test和F-test；實驗設計方法熟練使用：隨機區組實驗設計、拉丁方設計、裂區設計、正交試驗設計及其方差分析和顯著性分析的多重比較方法等。課程將多元回歸及復相關分析、非參數統計兩章作為自學內容[5]。

（二）把握教學過程基本原則

在教學過程中，教師遵循了以下原則：概率和概率分布知識點是結合先修課程的復習與回顧，使學生建立起對基礎知識的理解和鞏固；統計推斷和參數估計主要講授在生命科學領域中的適用范圍、案例應用及結果分析；通過方差分析與回歸分析的講授逐步過渡到現代生物學統計的核心理念和思想的建立；結合實驗設計章節的內容加大對生物工程領域復雜科學問題的實驗設計和統計分析，使教學內容更加適應工科院校生物專業特點；引入統計軟件輔助課程教學的模式，實現理論與實踐應用的融合；教學過程不再注重概念的記憶、公式的推導、計算的過程，重點在于對生物統計理念和思想的認識，對案例的分析和結果的推斷；在布置課后練習作業的同時，分組安排完成對課程教學體系、章節聯系、統計理念整體認識的思維導圖大作業，再次鞏固課程全部學習內容。通過以上教學思考與改革內容的實踐應用，有助于學生加深對生物統計理論知識的認識，有助于學生對軟件分析的統計結果深入理解，有助于在新工科背景下促使對這門理論性很強的課程向更加實用的工具應用學科轉換。

（三）探索多元化教學手段

教師可采用Excel、SPSS、SAS、DPS、Origin等專業統計軟件作為教學輔助工具，這些軟件統計和作圖功能強大，經過多年開發研制，便于學生使用和掌握。教師在使用統計軟件時，應根據面對的科學問題或工程案例及統計理論知識，選擇正確的軟件統計命令，依據生物學專業角度正確分析、解釋結果的實際統計意義；激發學生的學習主動性和積極性，提高學生將理論知識應用于解決實踐問題的能力，教學效果明顯提高，值得研究推廣。計算通信技術與生物信息學的進步，極大地推動著生物統計與實驗設計學科的發展。功能強大的統計學軟件的不斷出現，將更有利于科研人員在海量數據中發掘生命科學領域的復雜性狀，進而發現生命的奧秘。在該課程中，增加統計軟件的教學內容已經是新工科背景下必不可少的環節，同時適應學科和社會發展[6-7]。

（四）合理制定評價考核方式

蘭州理工大學確定的課程評價方式為綜合測評，要求學生從多方面完善學習內容，多角度充實目標要求以達到工程教育認證需求的課程目標，避免了學生出現期末考試突擊復習、機械記憶、考后就忘的被動尷尬的學習效果，應重視過程考核，平時成績占比為40%，包括課堂互動表現（提問和思考）、作業撰寫成績（計算和思維）、課堂筆記等；期末考試占比60%，主要考查學生對基本理念的認識與案例分析計算，不再考察概念記憶和客觀題型的硬背，學生根據題型要求使用生物統計學思維和表達來完成試題，案例計算與分析注重學生對實際問題的解決能力，可以從教材和參考書中找公式或方法，但需要自己理解計算和科學推斷，進一步側重為對生命科學實際問題解決能力的考查。每學期課程團隊老師都會詳細總結教學工作，全面分析學生對知識的理解、掌握情況，并且提出問卷調查，學生可以對學習課程中存在的問題和建議通過問卷反饋給教師，不斷優化教學效果，提高教學質量[8]。

三、教學改革的效果及意義

課程教學團隊從課程基本特點和專業特色出發，基于新工科背景下人才培養的目標，遵循理論與實踐相結合的原則，在生物統計與實驗設計課程的教學體系、教學內容、教學方法、教學手段、考核方式等方面進行了深入思考和持續改進，改革實踐效果良好，具體表現為：在經典與現代生物統計學基礎上，整合教學內容，修訂課程大綱，突出統計理念，分析重點難點；不斷探索符合課程特色的多元教學手段，多方位教學資源，多角度闡釋重點，強化應用能力的培養；將理論教學與實踐應用相結合，將統計基礎與實驗設計相結合，提高解決專業復雜工程問題的能力；改革課程評價考核形式，讓學生在相對寬松的環境下，最大限度地激發學習主動性、積極性、創造性，最終樹立現代生物統計理念和思想。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017（02）：26-35.

[3]王繼蓮，卡迪爾·阿不都熱西提，李明源，等.應用型人才培養視角下的生物統計學教學改革探索與實踐[J].生命的化學，2020，40（06）：969-972.

[4]Erika Check Hayden. Revealing Analysis，as the Challenges of Analysing Genomic Data Evolve，Statistical Expertise has Become More Valuable than Ever[J]. Nature，2012，482（09）：263-265.

[5]杜榮騫.生物統計學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

[6]高麗. Excel和SPSS軟件輔助生物統計學教學模式的探索[J].大學教育，2014，15（09）：144-146.

[7]嚴明，郭淼，劉珂舟，等.對提升《生物統計學》教學效果的思考[J].教育教學論壇，2016（01）：110-111.

[8]錢森和，薛正蓮，魏明，等.工科院校《生物統計學》理論與實驗課程教學的幾點思考[J].廣州化工，2015，43（21）：208-209.

（責任編輯：胡甜甜）