《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》課程在生物工程技術(shù)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

徐太海，趙蘭坤，孫欽波，王小平，劉世周，李欣穎

(1.大慶師范學(xué)院，黑龍江 大慶 163712；2.呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 162650)

1 引言

統(tǒng)計(jì)學(xué)思想是學(xué)習(xí)生物學(xué)的一種重要思維模式，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程體系中的一門重要課程。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用型課程的建設(shè)，將推動(dòng)教學(xué)理念的改革，提升教學(xué)水平，營造良好的教學(xué)氛圍，全面提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和應(yīng)用型能力。科研反哺教學(xué)、案例教學(xué)[11]等模式均可較好地服務(wù)于應(yīng)用型課程建設(shè)。廣大教師是科研反哺教學(xué)的主力軍，在科研實(shí)踐中時(shí)刻心系教學(xué)，才能在科研實(shí)踐中捕捉到對教學(xué)有意義的照片、視頻和思路[2]。李所等[3]結(jié)合啟發(fā)式教學(xué)案例、探究式教學(xué)案例、聯(lián)系啟發(fā)式教學(xué)案例對大數(shù)據(jù)時(shí)代下的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)改革進(jìn)行了研究。應(yīng)充分利用科技文獻(xiàn)及教師和學(xué)生資源，不斷搜集、完善、整理及更新資料，建立案例庫，并特別注意案例的選取與設(shè)計(jì)技巧，同時(shí)精心組織案例教學(xué)的實(shí)施[4]。生物統(tǒng)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的切入點(diǎn)為其作為一門工具課程可用于解決不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課、創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃、畢業(yè)實(shí)習(xí)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析問題，有極強(qiáng)的應(yīng)用性。因此，應(yīng)從教師傳授試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析知識(shí)到學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識(shí)指導(dǎo)專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程和科研創(chuàng)新訓(xùn)練，再到學(xué)生將專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程和科研創(chuàng)新訓(xùn)練結(jié)果編寫成統(tǒng)計(jì)學(xué)案例，最后教師批閱、修改和遴選學(xué)生的統(tǒng)計(jì)學(xué)案例，促進(jìn)教學(xué)資源的建設(shè)，教學(xué)資源的建設(shè)反過來又提升了教學(xué)效果[5]。通常在本科生畢業(yè)前夕，《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》任課教師經(jīng)常需要幫助學(xué)生處理畢業(yè)論文的數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用案例教學(xué)法后沒有了該現(xiàn)象。畢業(yè)論文審查中也沒有發(fā)現(xiàn)論文中有統(tǒng)計(jì)分析方面的錯(cuò)誤，而且學(xué)生能夠正確運(yùn)用課堂中沒有講授的統(tǒng)計(jì)分析方法，說明大學(xué)生生物統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用能力確實(shí)得到了提高[6]。因此，深入研究課程體系，結(jié)合校企合作項(xiàng)目、學(xué)生實(shí)驗(yàn)要求等方面研究教學(xué)方法與手段等是非常必要的。

2 課程體系

教育平臺(tái)建設(shè)在課程體系建立中發(fā)揮著重要作用[7]，以“雙模塊+三平臺(tái)”(“雙模塊”為理論體系模塊、實(shí)踐體系模塊，“三平臺(tái)”為構(gòu)建基礎(chǔ)理論教育平臺(tái)、軟件操作實(shí)踐平臺(tái)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái))構(gòu)建課程教學(xué)內(nèi)容，將“多元化教學(xué)模式+多元化教學(xué)方法”融入各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)應(yīng)用型能力；開發(fā)校內(nèi)教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、校企合作等教學(xué)資源。通過課程的改革和創(chuàng)新，提高生物科學(xué)和技術(shù)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，為生物企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

2.1 基于泛雅平臺(tái)的線上教學(xué)

“超星泛雅”是線上教學(xué)中比較優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品[8]，它主要教學(xué)資源庫、教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)、教學(xué)管理評(píng)估等多個(gè)模塊。各模塊間有機(jī)結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供全方位支持。該平臺(tái)目前支持兩種學(xué)習(xí)渠道：一是通過電腦版網(wǎng)頁端開展在線學(xué)習(xí)、討論、考試、成績統(tǒng)計(jì)等；二是通過手機(jī)客戶端“超星學(xué)習(xí)通”在線完成簽到、討論、自學(xué)、互動(dòng)等[9]。

受疫情影響，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程在2019～2020年第二學(xué)期完全使用線上教學(xué)模式，教師團(tuán)隊(duì)通過泛雅平臺(tái)和訂訂直播等模式較好地完成了教學(xué)任務(wù)。

2.2 傳統(tǒng)課堂與軟件應(yīng)用相結(jié)合的線下教學(xué)模式

在線上教學(xué)平臺(tái)教為完善的基礎(chǔ)上，線下課程結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，引入案例，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性；科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)軟件解決問題。將生物統(tǒng)計(jì)學(xué)方法較好地利用與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目、畢業(yè)論文等多個(gè)方面。

3 在生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)中的典型應(yīng)用

根據(jù)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容，選取學(xué)生實(shí)習(xí)就業(yè)基地的實(shí)踐項(xiàng)目作為數(shù)據(jù)處理對象。試驗(yàn)材料取自包括“呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司”谷氨酸高濃度尾液，聚丙烯酸鈉、自來水等。從車間提取發(fā)酵尾液正常生產(chǎn)時(shí)物料的pH3.0～4.0[10]，調(diào)節(jié)來水料液與儲(chǔ)存罐料液的pH值應(yīng)該在3.0～4.5之間。將化藥罐溫度控制在40～60 ℃左右，提取菌體蛋白時(shí)要控制噴射器的溫度在40～60 ℃[11]。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下：將加熱維持時(shí)間分為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min；控制菌體蛋白的溫度分別為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃；攪拌時(shí)間為3 min、6 min、9 min、12 min、15 min進(jìn)行絮凝沉淀。

單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)是確定工藝條件的有效方法[12]，將處理后的發(fā)酵尾液進(jìn)行過濾，將濕蛋白放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，等待測量計(jì)算。將記錄好的數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行整體分析，再結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，選擇最優(yōu)組合。

3.1 單因素結(jié)果分析

3.1.1 熱維持時(shí)間的影響

在絮凝劑濃度為2‰情況下，保持溫度在50 ℃，改變維持熱度的時(shí)間，結(jié)果見表1。

表1 熱維持時(shí)間對菌體蛋白分離和過濾效果的影響

由表1可知，加熱時(shí)間在15 min的時(shí)候上清液的澄清度及其過濾效果最好。因此，取其左右兩邊水平分別為10 min、15 min、20 min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

3.1.2 加熱溫度的影響

在絮凝劑濃度為2‰的情況下，改變加熱溫度，結(jié)果見表2。

表2 加熱溫度對菌體蛋白分離的影響

由表2可知，加熱溫度在50 ℃時(shí)，絮凝效果最好，取其左右兩邊水平分別為45 ℃、50 ℃、55 ℃進(jìn)行正交試驗(yàn)。

3.1.3 攪拌時(shí)間的影響

在絮凝劑濃度為2‰的情況下，改變攪拌時(shí)間，結(jié)果見表3。

由表3可知，攪拌時(shí)間在9 min的時(shí)候菌體變性絮凝狀況最好，蛋白收率也是最高的。因此，取其左右兩邊的水平分別為6 min、9 min、12 min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表3 攪拌時(shí)間對菌體蛋白分離的影響

3.2 正交試驗(yàn)的結(jié)果分析

根據(jù)本試驗(yàn)所列出的3個(gè)變量，即對熱維持時(shí)間、加熱溫度、攪拌時(shí)間進(jìn)行研究，再結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選出每個(gè)單因素結(jié)果附近的最適水平如表4。

表4 菌體蛋白提取的因素與水平

確定好每個(gè)單因素的最適水平以后，按照L9(34)的方案設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)組合進(jìn)行九組試驗(yàn)分別測定其蛋白收率，找出最優(yōu)組合。在教學(xué)過程中，學(xué)生可通過軟件操作實(shí)踐平臺(tái)對數(shù)據(jù)處理進(jìn)行實(shí)踐操作，以鞏固軟件操作能力。

由表5可以看出，各組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相差不大，蛋白提取率最大的是7.29 g/dL，最小的是6.86 g/dL，故選擇極差分析法。極差分析法常用于正交試驗(yàn)的結(jié)果處理分析，其分析結(jié)果簡潔、直觀[13]，用正交試驗(yàn)極差分析法可以大幅度的減少試驗(yàn)的次數(shù)，用極差分析的方法可以得出各因素的大小趨勢或最優(yōu)組合，在科研生產(chǎn)實(shí)際中都得到了十分廣泛的應(yīng)用。分別計(jì)算正交試驗(yàn)表中各因素的數(shù)據(jù)并記錄(表5)因素之間的主次順序?yàn)椋簩Φ鞍资章视绊懽畲蟮氖菬峋S持時(shí)間，其次是攪拌時(shí)間，最后，是加熱溫度對蛋白提取率的影響最小(溫度過低的絮凝效果較差，45～55 ℃，絮凝效果變化不大甚至有所降低)。試驗(yàn)得出的優(yōu)水平為A2B1C3，但是從表5中可以看出C3與C2相差很小，綜合企業(yè)實(shí)際情況以及對能源節(jié)約的方面考慮選擇C2，從而可以得出最優(yōu)組合是A2B1C2。

表5 菌體蛋白提取影響因素的正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3 小結(jié)

經(jīng)過對提取過程中影響因素的研究，探索出了一組最適組合，結(jié)果如下：熱維持時(shí)間控制在15 min時(shí)，絮凝效果最好；提取菌體蛋白的加熱溫度在45 ℃時(shí)，絮凝效果好；攪拌時(shí)間控制在9 min，絮凝效果好。在應(yīng)用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐問題的數(shù)理分析時(shí)，要根據(jù)多種因素進(jìn)行綜合考慮，在考慮多種因素的影響條件之后，確定的最佳條件是：熱維持時(shí)間為15 min、加熱溫度為45 ℃、攪拌時(shí)間為9 min。

3.4 應(yīng)用效果與不足之處

學(xué)生選用單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)的方法，選取了不同因素的不同水平，得到了相對客觀的試驗(yàn)結(jié)論，確定了較好的提取條件，對生產(chǎn)實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義，可以滿足本科階段的教學(xué)和科研要求。但由于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)得出結(jié)論在精度與“大數(shù)據(jù)”時(shí)代背景下的要求還有一定差距，如果要得到更精準(zhǔn)的結(jié)論，還需要更完善的設(shè)計(jì)。

4 在生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)中的典型應(yīng)用

對生物制藥專業(yè)，課程需要解決的一項(xiàng)重要問題就是評(píng)價(jià)藥效[14]。例如，在研究口服和注射兩種給藥方式的藥效問題，如表6所示。

表6 給藥方式與給藥效果的2×2列聯(lián)

對于這樣的問題，目的是要推斷兩個(gè)總體率(構(gòu)成比)是否有顯著的差別。根據(jù)X2檢驗(yàn)的基本思想是檢驗(yàn)“實(shí)際數(shù)”與假設(shè)的“理論數(shù)”的差別是否由于抽樣誤差引起的[15]，即假設(shè)兩個(gè)樣本是來自同一個(gè)總體，則它們的有效率應(yīng)為兩樣本的合并有效率：Pc=(58+64)/193=58.57%；據(jù)此，可以有效和無效的理論值，見表7。

表7 給藥方式與給藥效果的2×2列聯(lián)(括號(hào)中為理論值)

5 結(jié)論

通過校內(nèi)、外調(diào)研，初步形成了生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的案例式教學(xué)改革思路，建立線上教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)化了生物統(tǒng)計(jì)學(xué)課程建設(shè)體系。結(jié)合學(xué)生實(shí)習(xí)就業(yè)基地阜豐集團(tuán)的生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，整合生物統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)典案例教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的統(tǒng)計(jì)學(xué)思維能力，并對教學(xué)效果進(jìn)行分析，通過線上教學(xué)平臺(tái)，完成學(xué)期教學(xué)任務(wù)，使線上教學(xué)在疫情期間發(fā)揮了巨大的作用。結(jié)合教學(xué)成果，組織學(xué)生在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“挑戰(zhàn)杯”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲得兩項(xiàng)省級(jí)金獎(jiǎng)的好成績。對生物制藥專業(yè)，也選取了學(xué)生應(yīng)用較多的案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和演練，取得了較好的教學(xué)效果。今后的教學(xué)改革過程中將進(jìn)一步做好課程資源更新和教學(xué)秩序維護(hù)，為學(xué)習(xí)者提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)服務(wù)和個(gè)性化指導(dǎo)，關(guān)注學(xué)習(xí)者的評(píng)價(jià)和反饋，并持續(xù)對課程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；進(jìn)一步豐富教學(xué)案例，提高學(xué)生解決問題的能力。