現代信息技術與生物統計學課程深度融合的研究與實踐

唐映紅 李 輝 劉良國 楊友偉 萬海清

（湖南文理學院生命與環境科學學院，湖南常德 415000）

1 生物統計學的課程教學現狀及研究意義

1.1 生物統計學課程的基本特點

生物統計學是具有較強理論性和實踐性的前沿交叉學科，是許多高校農學類、生物類、醫學類等專業基礎課程，是生命科學領域研究人員、高校教師進行研究以及學生進行畢業論文設計所必須要掌握的一門工具課程。該課程要求相關專業的學生要具備較為扎實的應用數學基礎和較強的邏輯思維能力，同時對教師的教學組織能力、教學水平、授課平臺和方法也有較高的要求。當前生物統計學課程教學中存在以下不足：課堂教學極易使學生在學習過程中產生視覺、聽覺和思維疲勞，學習積極性不高，學習效果較差；學生缺乏在實踐中反復運用和檢驗相關知識的鍛煉機會，不利于培養學生解決生物學實際問題的綜合應用能力；傳統考核方式難以檢測學生對生物統計學知識的實際應用能力。如何突破生物統計學課程的抽樣分布理論教學，并培養學生解決生物學實際問題的綜合應用能力，已成為提高該課程教學質量的一個關鍵問題。

1.2 生物統計學課程教學存在的問題

1.2.1共性問題①生物統計分析軟件多樣，但在教學中缺少統計軟件相關能力要求和內容介紹。由于教學、科學研究、畢業論文等過分依賴SPSS、R語言等分析軟件來分析數據，與其他比較形象直觀的課程不同，學生對生物統計學課程相關的抽樣分布理論和抽樣模型的理解和掌握不夠，無法判斷數據分析結果是否準確[1]。比如，方差分析的數據采用哪一類（Ⅰ型或Ⅱ型或Ⅲ型）分析模式進行分析是恰當的。方差分析應用SPSS 等軟件分析的前提是必須弄清楚所有數據分析模式，了解清楚后所有的數據都可以用Excel 平臺完成，甚至用WPS 平臺都可以完成。②生物統計學課程的原理和公式內容較多，授課中容易出現重理論輕實踐的現象，學生普遍感覺課程內容難度較大，不易掌握，從而產生畏懼心理[2]。③課程考核采用以閉卷考試為主的傳統考核方式，使得學生只注重應付期末考試，而忽視了知識的掌握與實際應用，已經無法適應目前素質教育的培養要求[3]。

1.2.2個性問題除了上述普遍存在的問題，生物統計學課程還受到專業本科培養方案學時偏少限制。有限的學時解決了基礎部分的理論課和實訓課的教學，尤其大案例教學降低了抽樣分布的教學門檻，但是應用部分的理論教學和動手能力訓練還較欠缺，因此，亟待借助其他教學方式進行該課程的教學改革，為本科畢業論文或科學研究中數據分析打下全面的基礎。

1.3 生物統計學課程教學改革取得的成效

目前，有較多的生物統計學領域教師嘗試從課程體系、教學內容、教學方法和考核方式等方面提升課程的教學質量。國內高校課程教學廣泛采用智慧課堂[4]、翻轉課堂[5]、混合式教學[6]等方式，將現代網絡信息技術、大數據、云平臺等與課堂教學有機結合，在一定程度上彌補了傳統灌輸式、以教師為中心的課堂授課存在的不足，提高了課程教學質量。有研究表明，生物統計學課程宜采用無紙化考試和教考分離的方式[5]。“互聯網+教育”將云計算、5G、AR/VR等信息通信新技術和雨課堂、微課、慕課、翻轉課堂、SPOC 等新型教學平臺和方法應用于教學各環節，從根本上改變了傳統課堂中的師生地位及教與學的時空限制，使學生能在課堂之外隨時復習課堂內容并與教師在線交流與討論，優化了教育資源的合理分配[7]。雨課堂有利于課前、課中、課后教師與學生間的交流與溝通，提高了學生學習的主動性、參與度和積極性，也影響著教師的教學理念和授課模式，能夠彌補傳統課堂教學中的不足，在改善課程教學效率和教學效果上具有一定的推動作用[8]。研究表明，Excel 作為輔助教學軟件，取得了良好的教學效果，與之前使用R 或Matlab 等統計軟件的教學效果相比，學生的接受程度更高，學習積極性也更高[9-10]；使用Excel 電子表格逐步實現各種統計檢驗過程取得的教學效果，且其他任何專業統計軟件都無法替代，為非統計專業本科階段借助Excel 電子表格率先實現概率統計課程實訓教學的寬口徑模式提供了借鑒[11-12]。教學案例的選取對提高教學效果的作用非常明顯，有利于學生更好地參與到教師的科研工作中，并為后續的畢業論文（設計）等提供了一定的理論基礎和支持[13]。湖南文理學院該課程采用的大案例教學不同于案例教學，以一個含509 個觀測值的育種材料數據資料，作為生物統計學大案例教學的母總體，解決抽樣分布理論教學與實踐教學脫節的問題，與現有教材中的正態分布和三大統計分布的教學內容融會貫通，重新打造了使用大案例教學的理論課基礎部分教案和上機實訓操作項目，將案例式教學提升到一個更高的高度，進而提升了生物統計學原理部分的教學效果[14]。基于智慧課堂的過程性評價方式能夠有效提高學生對生物統計學課程的學習積極性、認知水平和應用水平[4]。

1.4 教學改革出發點

本研究根據專業認證，對生物統計學課程的教學內容、教學方式和考核方式進行改革，以大案例教學為開端，深度融合雨課堂、翻轉課堂和Excel（或WPS）電子表格平臺等現代信息技術，提高學生的學習自主性和學習效果，培養學生正確理解應用研究類科技文獻的能力，為學生依次進行文獻檢索、科學研究訓練、畢業論文或設計等專業學習奠定基礎。

2 生物統計學課程改革總體實施方案及成效

生物統計學課程分理論課和實訓課兩部分內容，理論課共7 章教學內容，依次為概率及概率分布、模型與抽樣分布、抽樣分布及應用、試驗設計、方差分析（一）、方差分析（二）及回歸與相關分析，共32學時，分成三大塊進行教學，即前3章采用大案例教學，第4～6章采用翻轉課堂教學，第7章采用普通案例教學；實踐課包括9個實訓項目，利用Excel（或WPS）電子表格平臺、翻轉課堂教學，共16 學時，其中包含8 個課時的大案例集訓項目（為紙質版試驗報告），8 個課時的常規案例演練項目（為雨課堂線上試驗報告）。

2.1 教學內容的改革與成效

2.1.1構建大案例教學模式大案例教學模式融合了生物統計學課程中的抽樣分布理論和實踐教學。該教學模式使用一個含509個觀測值的育種材料數據資料，作為生物統計學大案例教學的已知總體。在課程開頭基礎部分的抽樣分布教學過程中，將四大抽樣分布理論教學與基于Excel 或WPS 電子表格的操作方法過程融會貫通。先借助Excel 數據分析軟件中的“隨機數發生器”進行微型化的Monte-Carlo抽樣研究，將正態分布的教學重點由描述性分布拓展到了抽樣分布，并跨越抽樣分布的大樣本模擬階段，完成一系列抽樣試驗的容許范圍占比分析；再進行依據三大統計分布的抽樣試驗與抽樣誤差分析，與現有教材中的正態分布和三大統計分布的教學內容融會貫通，重新打造使用大案例教學的理論課基礎部分教案和上機實訓操作項目，全程循序漸進安排5 個大案例集訓項目，有平臺、有模型、有圖、有真相，實現全方位的教學互動，逐漸夯實抽樣分布理論的教學梯度，進而提升生物統計學原理部分的教學效果。

2.1.2制作翻轉課堂教學案例通過翻轉課堂教學案例，提高學生學習自主性和解決生物學實際問題的應用能力。在基本統計方法應用的教學環節，以科研文獻為基礎，教師科研和生產實踐為輔，制作翻轉課堂教學案例，學生分組討論，全程參與經典試驗和正交試驗的設計、數據資料的搜集整理，以及經典試驗和正交試驗數據的方差分析、回歸與相關分析等，培養學生設計野外試驗或調查方案、采集整理數據、分析試驗或調查數據的動手能力。

2.1.3構建統一的實訓教材用Excel（或WPS）電子表格數據分析軟件解決抽樣分布理論教學與實踐脫節的問題。課程教學內容增加實訓內容，按理論講授和上機操作2∶1的學時比例進行。以大案例數據為基礎，借助Excel（或WPS）電子表格數據分析軟件中的“隨機數發生器”進行微型化的Monte-Carlo 抽樣研究實訓，將正態分布的教學重點由描述性分布擴充到抽樣分布，并跨越抽樣分布的大樣本模擬階段，完成一系列抽樣試驗的容許范圍占比分析，并可以讓枯燥難懂的抽樣分布理論課教學變得生動活潑，彌補了以往只能使用教材后的附表作為互動媒介的缺陷；再安排依據三大統計分布進行的抽樣試驗與抽樣誤差分析實訓，與現有教材中的正態分布和三大統計分布的教學內容融會貫通，重新打造使用大案例教學的理論課基礎部分教案和上機實訓操作項目，逐級夯實抽樣分布理論的教學梯度，降低推斷統計的教學門檻。

2.1.4建設課程思政通過科學研究方法論的導學，擇要回顧中國科學技術發展史，梳理歷史上經典的試驗研究過程和方法，提升探索未知、追求真理的責任感和使命感，培養科研意識和奉獻精神，引導學生勤思考、多動手、走正道，解決基本統計方法的學習與訓練問題。

2.2 教學方式的改革與成效

2.2.1Excel（或WPS）電子表格平臺的應用Excel軟件兼具計算功能，其優點是直觀、受眾廣、操作簡便，學生的接受度很高。本項目構建了統一的實訓教材，不僅使用Excel（或WPS）進行統計模型的求解過程，而且使用Excel（或WPS）的分析工具庫對統計模型快速獲得分析結果，幫助學生延伸到其他統計分析軟件的應用。

2.2.2雨課堂的運用充分運用雨課堂課前、課上和課后的功能。①課前導學：課前導學環節的主要任務是引發問題，通過雨課堂發送該次課程的案例、課件和學習任務單，敦促、輔助學生進行自主預習，以及案例討論準備工作。②課中實踐：課堂教學中，首先教師對教學知識重難點進行詳細講解，并插入課堂測驗，學生通過答題進一步加強對知識的了解和鞏固；然后學生根據案例進行分組討論、分析和總結。③課后報告：一是課后雨課堂會形成課堂報告，同課后反思一起通過雨課堂推送至教師端，了解學生的學習、簽到、答題情況及答題分數，綜合給出平時成績；二是課后發布線上試驗報告供學生答題，實現無紙化教學。

2.2.3翻轉課堂的應用學生分成小組，根據教師提供的案例，在課外進行試驗設計、數據資料搜集整理、試驗數據分析等。在課堂上，首先每組學生進行5 min 的PPT 匯報，然后學生互相點評，給出每組得分，最后學生以案例中的實際問題為中心展開自由討論，提出解決問題的基本思路和方法。在教師的引導下，由學生進行總結，建構生物統計學基礎知識和理論，深入理解其在生物科學研究領域中的應用價值。實訓上機課堂中學生可隨時交流討論，協作完成教學內容。

2.3 考核方式的改革與成效

本課程的考核方式包括直接評價方式和間接評價方式，具體評價項目和權重如表1所示。

表1 課程考核方式及權重

2.3.1結果性評價標準期末考試采取參考答案和評分細則方式進行評價。涉及正態分布和t 分布的抽樣分析題3 個，計20 分；覆蓋常見概率分布及Excel（或WPS）操作部分的單選題10個，計20分；覆蓋三大統計分布基礎部分的顯著性檢驗題3 個，計24分；覆蓋方差分析及雙變量回歸與相關部分的分析題填空2個，計24分；覆蓋前5章基本知識的判斷題6個，計12分。

2.3.2表現性評價標準大案例集訓項目的試驗報告4 次，常規實例演練項目的試驗報告4 次，每次均按百分制記分，試驗報告作答工整、態度認真、邏輯清晰、條理分明及無明顯雷同。大案例集訓項目的試驗報告（紙質）能夠基于大數據案例，展現出對四大抽樣分布理論的掌握，由于每個學生隨機抽樣的波動性，每個人上機操作都有各自不同的正確答案。常規實例演練項目的試驗報告采用雨課堂線上形式（無紙化），能夠展現出對平均數、百分數、統計次數的顯著性檢驗原理的理解和操作技巧的掌握程度。

2.3.3過程性評價標準雨課堂答題評價方式：本課程案例教學部分的每一章按百分制設置相應的測驗題，共4 次，學生在課上答題，幫助學生及時鞏固所學知識點。翻轉課堂評價方式：首先每組學生根據該組的案例，分別進行試驗設計、單因素試驗數據、雙因素試驗數據、正交試驗數據的方差分析及相關和回歸分析；然后每組學生進行5 min 的PPT 匯報，學生利用雨課堂在線互相點評并按百分制打分，所得平均分即為該組學生的成績，另需提交以案例中的實際問題為中心提出解決問題的基本思路和方法的總結材料。

2.3.4調查問卷評價標準在課程結束之后，采用線上方式進行問卷調查，總分100分，見表2。

表2 調查問卷內容及權重

2.3.5學生綜合成績在一系列教學改革實施過程中，學生的知識應用能力和期末成績及格率得到大幅提高。相比傳統的教學和考核方式，課程教學改革后，學生的知識應用能力和期末平均成績和及格率方面得到了顯著提高（P=0.03＜0.05），學生的學習積極性和實踐應用能力得到了明顯加強（表3）。從期末考試成績來看，無論是平均成績還是區分度，教學效果都得到明顯的提升，解決了以往不及格人數與90分以上人數不對等的問題。

表3 生物科學專業不同教學和考核方式下期末綜合成績統計

3 結語

在開展統計試驗教學過程中，要轉變師生角色，讓學生成為學習的主體，教師成為教學活動的引導者與設計者。教學中教師需要充分利用現代信息技術，充分調動學生的學習積極性，轉變以往被動接受知識的狀態，激發學生的自主探索欲望，引導學生深入理解知識，并主動掌握知識。統計實驗教學的最終目標是引導學生將課堂中所學的基礎理論知識應用到實踐項目當中，使學生能夠熟練掌握課程內容，靈活運用，自主解決試驗過程中存在的相關問題，從而更好地掌握知識點。