基于R軟件在田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)反思
——以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)科類學(xué)生為例

宋瑞鳳，方 平，張秀香

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣東 廣州 510620；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510620）

1 田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)反思的重要性

教學(xué)反思就是教師把自己的課堂教學(xué)作為一個(gè)對(duì)象進(jìn)行全面深刻地思考和總結(jié)，它與一般的思考有所不同，反思是一種事后思維，是事實(shí)后面的反復(fù)思考，主要目的是通過(guò)教學(xué)現(xiàn)象把握教學(xué)的本質(zhì)和根據(jù)，體現(xiàn)了人類在社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)中的主觀能動(dòng)性[1]。

田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析是傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)科學(xué)研究不可缺少的工具，是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，是作物科學(xué)各相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課的基礎(chǔ)。通過(guò)田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析課程的學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)和常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析方法，進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其基本數(shù)據(jù)資料的處理，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生今后科研能力和分析能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。因此，理論課程所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)就顯得尤為重要，在面對(duì)基礎(chǔ)理論公式復(fù)雜難算的時(shí)候，輔助軟件的使用可以降低計(jì)算的難度，并將那些枯燥無(wú)味的統(tǒng)計(jì)理論與有數(shù)據(jù)有實(shí)例的實(shí)踐工作聯(lián)系起來(lái)，使抽象乏味的統(tǒng)計(jì)理論教學(xué)變得生動(dòng)有趣，也會(huì)使統(tǒng)計(jì)中大量繁雜的數(shù)據(jù)處理變得比較輕松，從而大大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。

由于農(nóng)科類學(xué)生本身具有對(duì)計(jì)算機(jī)軟件學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)不扎實(shí)的特點(diǎn)，加上田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)課教學(xué)學(xué)時(shí)少、內(nèi)容繁雜等諸多原因，田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)課教學(xué)后的反思尤為重要。通過(guò)對(duì)學(xué)生作業(yè)情況中不同知識(shí)點(diǎn)交叉對(duì)比反思分析可以了解到學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的接受程度和理解程度，找出學(xué)生相對(duì)薄弱的知識(shí)點(diǎn)，從而促進(jìn)教師在之后的教學(xué)中進(jìn)一步細(xì)化知識(shí)點(diǎn)或加強(qiáng)某部分的知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，適時(shí)調(diào)整課堂教學(xué)方法和進(jìn)度，從而達(dá)到使學(xué)生在有限的課堂時(shí)間得到高效的學(xué)習(xí)。而且R軟件功能齊全，涵蓋了生物統(tǒng)計(jì)學(xué)中所有的統(tǒng)計(jì)方法[2]。R語(yǔ)言的運(yùn)用有以下幾個(gè)特點(diǎn)：運(yùn)用比較簡(jiǎn)便、可在保存編程語(yǔ)言的同時(shí)反復(fù)修改、統(tǒng)計(jì)和繪圖范圍廣以及圖比較清晰等[3]。這樣的統(tǒng)計(jì)軟件應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中，可大大增加課堂教學(xué)的信息量，使得學(xué)生從大規(guī)模或海量數(shù)據(jù)分析中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算，從而提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。并且教材中的許多附表失去其存在的必要性，從而節(jié)約能源[4]。

課后教學(xué)反思研究對(duì)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)能力的提高，以及教師本身的教學(xué)能力提升都有一定的意義。

2 基于R軟件的實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)選擇與整理

選取本人教學(xué)的2020級(jí)園藝專業(yè)、種子科學(xué)專業(yè)和草業(yè)科學(xué)專業(yè)中的3個(gè)班共80人的3次作業(yè)成績(jī)作為數(shù)據(jù)來(lái)源。3次作業(yè)分別是3個(gè)不同的知識(shí)點(diǎn)：R軟件入門介紹、R軟件畫圖功能應(yīng)用及R軟件假設(shè)檢驗(yàn)。這3個(gè)知識(shí)點(diǎn)分別代表著農(nóng)科大學(xué)生對(duì)新知識(shí)的接受力、對(duì)基本函數(shù)命令的理解力和對(duì)理論與實(shí)際相結(jié)合的應(yīng)用能力。通過(guò)對(duì)這3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)生成績(jī)的分析及反思，可以更加了解學(xué)生各個(gè)方面的能力特點(diǎn)，可以更有針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效率。

先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)量的整理。見(jiàn)表1，可以看出3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)最大值都為滿分，尤其是入門這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，取得滿分人數(shù)很多，有27位學(xué)生滿分，占總?cè)藬?shù)的33.75%，而畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)滿分人數(shù)占10%，檢驗(yàn)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)滿分人數(shù)占22.5%。比較說(shuō)明當(dāng)今時(shí)代的農(nóng)科大學(xué)生對(duì)于新知識(shí)的接受能力比對(duì)基本函數(shù)命令理解力和實(shí)踐應(yīng)用能力要強(qiáng)。這里也注意到入門和畫圖都是存在不及格的最小值的知識(shí)點(diǎn)，表明學(xué)生之間的接受能力有差異。要反思和重點(diǎn)關(guān)注接受力和理解力略差的學(xué)生。另外，3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的中位數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的情況，表明學(xué)生對(duì)大部分學(xué)生的簡(jiǎn)單認(rèn)知能力到實(shí)踐應(yīng)用能力的難度在逐漸提升。而畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)雖然平均值的數(shù)值最高，但方差和標(biāo)準(zhǔn)差的平均值表明這部分離散程度最大，也表明學(xué)生對(duì)畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握不穩(wěn)定，學(xué)生之間的差異比較大。而畫圖中最小值為0的原因是有位學(xué)生沒(méi)有交作業(yè)，分?jǐn)?shù)為0分，可以看成異常點(diǎn)處理。對(duì)于檢驗(yàn)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)從60分到100分分布均衡，表明學(xué)生在理論與實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用能力中存在差異。

表1 3個(gè)知識(shí)點(diǎn)基本統(tǒng)計(jì)量表

2.2 圖形分析

數(shù)據(jù)的分布特征主要是指用分布的形狀、分布中是否存在異常點(diǎn)、分布偏斜的方向和程度等方面，這些特征在表格上不能直觀顯示出來(lái)。圖形可以更加清晰地展示數(shù)據(jù)之間的差異，便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。俗話說(shuō)“一圖勝千言”，所以圖形是最直觀、最高效的比較工具，也是進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)的主要手段[5]。下面利用R軟件圖形功能來(lái)展示農(nóng)科大學(xué)生在3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)數(shù)據(jù)的分布特征情況，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 直方圖分析

首先是用3個(gè)班的數(shù)據(jù)做出直方圖，x軸表示學(xué)生分組的成績(jī)，y軸表示每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間得分人數(shù)的情況。這里為了方便比較，采用多元子圖在同一界面顯示的命令[6]。

R語(yǔ)言的命令如下：

從圖1中可以直觀比較3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的不同分?jǐn)?shù)段的學(xué)生分布人數(shù)。入門和畫圖兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)集中在80分以上，畫圖更是在90分以上人數(shù)居多，而檢驗(yàn)卻是人數(shù)分布略微均衡，從60分到100分不等。這表明在新知識(shí)入門的接受和理解方面，除了個(gè)別學(xué)生的學(xué)習(xí)接受能力稍差外，大部分學(xué)生可以比較快速地接受新知識(shí)。尤其是畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)方面，模擬的圖形命令程序可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并積極嘗試從而快速掌握。而在檢驗(yàn)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)上，學(xué)生的理論和實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用能力相對(duì)較弱，需要進(jìn)一步提高。通過(guò)分析可以反思在今后的教學(xué)當(dāng)中，適當(dāng)減少R語(yǔ)言入門介紹的學(xué)時(shí)數(shù)，相應(yīng)增加檢驗(yàn)及之后的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的應(yīng)用型知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容的實(shí)例練習(xí)。

圖1 3個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)比直方圖

2.2.2 箱型圖分析

接下來(lái)用3個(gè)班的數(shù)據(jù)做出箱型圖，箱型圖能夠提供有關(guān)數(shù)據(jù)位置和分散情況的關(guān)鍵信息。箱型圖包括6個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，即順序統(tǒng)計(jì)量的上邊緣、上四分位數(shù)Q1、中位數(shù)、下四分位數(shù)Q3、下邊緣及異常值（超過(guò)上下邊緣的值）。

R語(yǔ)言的命令如下：

圖2表明3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的最大值雖然相同，可以看出入門的箱型圖比較像一個(gè)花瓶，平均值處于較高位置。畫圖和檢驗(yàn)是比較勻稱的“箱子”。入門和畫圖兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)中都存在異常值，而檢驗(yàn)這2個(gè)知識(shí)點(diǎn)卻沒(méi)有異常值，這說(shuō)明對(duì)于入門和畫圖都存在個(gè)別學(xué)生的接受能力和理解力較弱的情況。檢驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的均值要小于入門和畫圖，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的圖形對(duì)比其他2個(gè)知識(shí)點(diǎn)更對(duì)稱，更趨向正態(tài)分布。這可以說(shuō)明學(xué)生對(duì)于入門和畫圖2個(gè)知識(shí)點(diǎn)的接受度比檢驗(yàn)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)高。

圖2 3個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)比箱型圖

2.2.3 核密度曲線分析

核密度曲線類似于概率密度曲線，其曲線下的面積是1，因此其y軸上的單位通常是小于1的核密度分布值。核密度曲線實(shí)質(zhì)是一種對(duì)直方圖的抽象，直方圖只能給出一種粗略的估計(jì)，而核密度圖可以給出較為精確的估計(jì)。R中有很多函數(shù)可以繪制核密度曲線，最簡(jiǎn)單的是plot函數(shù)，繪制核密度圖時(shí)，先要使用density函數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)的密度估計(jì)值，然后再用plot函數(shù)畫出估計(jì)曲線[7]。另外，直方圖不能疊加比較分析，而核密度曲線可以把3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)數(shù)據(jù)用密度函數(shù)轉(zhuǎn)換后在同1張圖上顯示出來(lái)，可以把不同知識(shí)點(diǎn)的差異更加清晰地顯示出來(lái)。

R語(yǔ)言的命令如下：

圖3可以看出3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的圖形波峰都是偏右分布。入門的波動(dòng)性比較大，呈現(xiàn)雙峰分布，并且較為分散，說(shuō)明農(nóng)科學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟件R語(yǔ)言的接受能力有一定的區(qū)分度，并不是所有學(xué)生都能在短時(shí)間內(nèi)理解并接受新軟件。畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的密度系數(shù)峰值最高，且較為集中，說(shuō)明3個(gè)知識(shí)點(diǎn)中畫圖這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度最好。而檢驗(yàn)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的峰值最低并略有波動(dòng)，說(shuō)明學(xué)生在理解和應(yīng)用結(jié)合的能力方面不如接受和理解的能力強(qiáng)。

圖3 3個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)比核密度圖

3 結(jié)論

通過(guò)以上3種圖形對(duì)3個(gè)知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論。

首先，對(duì)新時(shí)代農(nóng)科學(xué)生來(lái)說(shuō)，在新知識(shí)尤其是新的計(jì)算機(jī)軟件R語(yǔ)言接受能力上要比理論和實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用的能力強(qiáng)。在理解和模仿的能力也要比理論和實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用的能力強(qiáng)。當(dāng)今是一個(gè)知識(shí)迭代迅速的時(shí)代，社會(huì)對(duì)大學(xué)生的要求越來(lái)越高，需要大學(xué)生具有接受適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)的同時(shí)也更注重學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，反思在今后的田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)上要更多地和理論知識(shí)結(jié)合，引入更多田間實(shí)際農(nóng)作物的采樣數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生更多地把R軟件的統(tǒng)計(jì)功能運(yùn)用到實(shí)踐中。

其次，利用R軟件強(qiáng)大的圖形功能不僅可以使學(xué)生加深田間試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析理論方法的理解，還可以清晰地展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并更好地對(duì)結(jié)果進(jìn)行解讀分析。同時(shí)，圖形功能可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生能更好地處理實(shí)際問(wèn)題，從而為更好地應(yīng)用專業(yè)知識(shí)處理實(shí)際生活中的問(wèn)題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

最后，教師通過(guò)學(xué)生成績(jī)的分析和反思，可以根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，完善教學(xué)方案，使實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)更高效。當(dāng)然，從一次學(xué)生實(shí)驗(yàn)作業(yè)的情況來(lái)看，只能反思當(dāng)次實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，分析學(xué)生作業(yè)情況的同時(shí)更應(yīng)該具體到每一個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)，更加細(xì)化地分析其中的原因，能尋找更好地解決問(wèn)題的方法。教師進(jìn)行反思的目的最終都是取得良好的教學(xué)效果，在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)中，教學(xué)評(píng)價(jià)體系也應(yīng)該要多元化，不能單單以一次考試的成績(jī)來(lái)評(píng)價(jià)。希望今后的教學(xué)反思做到行思并進(jìn)，達(dá)到有效地縮短理論與實(shí)踐的差距的效果。