SAS軟件在“生物統(tǒng)計學”教學中的應用探索

“生物統(tǒng)計學”是我國高校農(nóng)學、植物保護、園藝等植物生產(chǎn)類本科生專業(yè)的學科基礎課，也是生物科學、生物技術(shù)、食品、海洋等相關(guān)專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，設置該課程目的培養(yǎng)植物生產(chǎn)類、生物科學類本/?？茖W生具備合理的試驗設計能力與科學的統(tǒng)計思維方法，并能綜合運用所學的生物統(tǒng)計學原理和方法，指導學生較好地解決其在畢設試驗、科研與生產(chǎn)實踐中可能面臨的眾多問題。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)據(jù)挖掘?qū)Ω鲗W科發(fā)展的推動作用尤為重要［1］。系統(tǒng)掌握生物統(tǒng)計學知識已成為當代農(nóng)學類、生物類科研工作者必備的專業(yè)素養(yǎng)與能力，該學科在人們科研工作中占據(jù)著重要的地位。數(shù)據(jù)處理的技術(shù)與藝術(shù)在生物學發(fā)展中的需求越來越高，生物統(tǒng)計學在學科人才培養(yǎng)中的地位也愈加重要［2］。由于該課程是將數(shù)理統(tǒng)計的原理與方法應用在生物學研究領(lǐng)域，屬于應用數(shù)學的范疇，具有較強的應用性，故對于植物生產(chǎn)類、生物學類等專業(yè)多數(shù)師生而言，教與學的難度均較大。一、在傳統(tǒng)的“生物統(tǒng)計學”課程教學中出現(xiàn)的主要問題傳統(tǒng)“生物統(tǒng)計學”的教學普遍存在重理論講解、輕實踐操作等問題。首先表現(xiàn)為學生對課程理論知識較難掌握：由于“生物統(tǒng)計學”的相關(guān)理論和分析方法大部分都是建立在較為抽象的科學假設基礎上，如在學習“統(tǒng)計推斷”時，學生要能較好掌握統(tǒng)計推斷，不但要清楚統(tǒng)計推斷概念與過程，還須知道對試驗資料進行統(tǒng)計推斷的2個前提條件。另外，與植物生產(chǎn)類、生物學類其他學科基礎課或?qū)I(yè)必修課相比，由于生物統(tǒng)計課程內(nèi)容涉及的概念、統(tǒng)計符號及計算公式多，分析過程復雜，多數(shù)學生普遍反映生物統(tǒng)計是一門比較難學的課程。其次為手工分析相應試驗數(shù)據(jù)時具有計算量大、過程煩瑣并且容易犯錯、效率低的劣勢：無論是針對樣本資料進行描述性統(tǒng)計部分的數(shù)據(jù)整理，資料集中性與離散趨勢的特征值計算，還是進行推斷統(tǒng)計部分的方差分析及協(xié)方差分析，均涉及大量煩瑣的公式及其相應的計算推導步驟。在以往傳統(tǒng)教學時，教師大多通過舉例詳細解析，以期讓學生更好地理解并掌握各種統(tǒng)計計算的涵義，及其所能解決的問題的教學目標。而現(xiàn)實卻是教師針對每種統(tǒng)計分析方法講解一個例題，不僅耗時較長，而且部分學生對相應知識的掌握情況也不全面，很難實現(xiàn)預期的教學目標。再者是課程設置上缺乏試驗、實習等實踐教學環(huán)節(jié)，形式單調(diào)：傳統(tǒng)“生物統(tǒng)計學”的教學比較注重于對理論知識講解，教師在教學過程中更側(cè)重于將各種統(tǒng)計分析方法涉及的概率論、相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計的原理與方法講解透徹，普遍采用多媒體和板書結(jié)合的教學方式，以PPT展示教學內(nèi)容、課堂理論知識講解和公式板書推導計算為主，輕視了實踐操作。絕大部分學生通常對本課程的學習模式為課堂做筆記、課后做點練習題，不能較靈活地掌握和應用各種統(tǒng)計分析方法，以致他們掌握的各種計算方法在進行實際的數(shù)據(jù)分析處理時并不實用，尤其表現(xiàn)在面對大量的畢業(yè)論文數(shù)據(jù)要進行分析時出現(xiàn)了無從下手的現(xiàn)象?；诒救嗽诙嗄瓯究粕锝y(tǒng)計教學過程中收集到學生對自己在該課程學習中存在問題、困難的反饋，多數(shù)學生都認為常用的各種試驗設計方法容易理解掌握，但自己在數(shù)據(jù)處理分析方面就表現(xiàn)出能力不足或者說數(shù)據(jù)分析成為個人的短板，具體表現(xiàn)為：在課堂上聽教師講解各種常用的試驗設計資料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法時，個人覺得比較簡單，但自己在面對不同試驗數(shù)據(jù)需要選擇適當?shù)臋z驗方法并進行相應統(tǒng)計分析時卻出現(xiàn)了一定的困惑。經(jīng)常有畢業(yè)班本科生甚至在讀研究生反映：自己以前在對該課程學習時重視度不夠，感覺該課程教學設計過于偏重于基礎理論，比其他專業(yè)課程學習難度大又枯燥，學習收效欠佳，特別是個人并未系統(tǒng)學習過一些較好的統(tǒng)計分析軟件，或者在本科階段接觸到統(tǒng)計軟件實用性欠缺，從而造成了學而無用的感覺。二、調(diào)整優(yōu)化課程設置與教學內(nèi)容，增設軟件操作實踐環(huán)節(jié)針對以上問題，我校已對2020級農(nóng)學本科生的“生物統(tǒng)計學”課程進行了改革。首先，根據(jù)海南大學作物學一流學科建設要求及農(nóng)學一流本科專業(yè)發(fā)展的需要，對標國內(nèi)一流農(nóng)業(yè)大學專業(yè)課程設置，我們將課程改名為“生物統(tǒng)計與試驗設計”，在原來專業(yè)必修課的理論教學48學時的基礎上，增加16學時的獨立試驗課及1周的課程實習周，由原來“理論教學”一個環(huán)節(jié)3學分調(diào)整到“理論+試驗+實習”三個環(huán)節(jié)共4.5學分。其次，我們已經(jīng)嘗試在理論課“生物統(tǒng)計與試驗設計Ⅰ”的基礎上，開展“生物統(tǒng)計與試驗設計Ⅱ、Ⅲ”實踐教學，增加了統(tǒng)計軟件上機應用的實踐環(huán)節(jié)，并且選擇了在國際上最為權(quán)威的統(tǒng)計分析軟件SAS（StatisticalAnalysisSystem）作為教學軟件。我們選用SAS軟件主要有以下三個方面考慮：一是SAS軟件在工業(yè)界、學術(shù)界和科研領(lǐng)域應用非常廣泛，統(tǒng)計功能齊全，操作界面直觀，程序模式化，生物學類、植物生產(chǎn)類的本科生畢業(yè)后在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，或讀研究生深造時應用的概率相對比較高。二是我校本科“生物統(tǒng)計與試驗設計”課程選用的教材是蓋鈞鎰主編的《試驗統(tǒng)計方法》（第4版），該教材中所有的例題均在附錄部分附相應的SAS程序［3］。另外，我們選用唐燕瓊主編的《SAS統(tǒng)計分析教程》作為學生課外自主拓展學習的教材，可滿足部分學生的深入學習的要求［4］。三是SAS是模塊式結(jié)構(gòu)軟件，用SAS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，可直接調(diào)用，它把數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析融為一體，相比其他統(tǒng)計軟件是最能體現(xiàn)各種試驗設計的統(tǒng)計分析學原理，更有助于學生加深對相應理論知識的理解與掌握。三、調(diào)整優(yōu)化后的課程對學生平時學習方式與課程考核的要求在課程教學內(nèi)容設計上，我們將部分SAS實踐內(nèi)容和相應的理論教學內(nèi)容整合在一起講授，并設立了獨立試驗課來上機實踐，主要采取在機房教師集中講授示范、學生個人上機操作方式進行實訓練習，同時提供軟件和教學相關(guān)例題的SAS程序、SAS教材等作為參考，讓學生直接在自己的電腦上安裝運行程序，鼓勵學生在機房直接完成本次試驗教學的SAS上機練習，課后在個人電腦上使用SAS軟件完成部分理論課程的作業(yè)。課程加入SAS軟件的教學內(nèi)容后，考查形式也是需要探討的問題。由于本課程教學開設的對象是本科生，因此我們在課程設計時，針對SAS軟件分析部分的知識考查僅限于基礎知識方面。由于SAS程序是由數(shù)據(jù)步和過程步兩部分構(gòu)成。對于學生而言，數(shù)據(jù)步易于掌握與理解，而對于過程步則要記憶較多的過程名及選項，故我們在考核時強調(diào)學生要著重掌握與各章節(jié)理論教學重點有關(guān)的常用過程名及選項的正確調(diào)用及英文寫法。另外，由于“生物統(tǒng)計與試驗設計Ⅱ”是門獨立試驗課，16學時，故目前我們將試驗課考查內(nèi)容暫時與48學時理論課進行整合，以試卷形式一起進行期末統(tǒng)考，僅在試驗課結(jié)束時以“選擇、改錯”等客觀題型為主進行一次隨堂測試。我們對SAS軟件實踐教學重點考查的內(nèi)容有：（1）SAS程序的編寫規(guī)則；（2）常用的統(tǒng)計分析方法的SAS實現(xiàn)，如調(diào)用MEANS過程或TTEST過程進行t檢驗，F(xiàn)REQ過程進行頻數(shù)統(tǒng)計及卡方測驗等，用ANOVA過程或GLM過程進行方差分析，用REG、GLM、CORR等過程進行線性回歸與相關(guān)分析等，用GLM過程進行協(xié)方差分析等；（3）對常用的試驗設計數(shù)據(jù)資料的SAS運行結(jié)果的正確解析，例如，根據(jù)線性回歸模型GLM的SAS運行結(jié)果，學生們要能判定回歸關(guān)系是否顯著，正確讀出回歸系數(shù)，寫出回歸方程，明確決定系數(shù)及其統(tǒng)計意義或計算相關(guān)系數(shù)等。在課程實習時，課程教學團隊根據(jù)教學內(nèi)容結(jié)合實際情況，先制定出實習內(nèi)容，針對“作物研究論文調(diào)查、不同豆類施肥方案的設計與實施”采用分散實施，“科研項目實施報告與參觀學習”采用集中實施。通過“作物研究論文調(diào)查”實習，我們要求學生通過檢索、閱讀相應文獻，要了解科研論文查詢的方法，論文中所采用的試驗設計方法與統(tǒng)計分析方法，記錄主要研究成果。并能利用SAS軟件對論文中所采用的試驗設計方法與統(tǒng)計分析方法進行匯總并繪制圖表。通過“不同豆類施肥方案的設計與實施”實習，我們要求學生掌握試驗方案設計的原理和要求、試驗方案設計的過程，設計合理的試驗方案并實施，定期對試驗指標進行觀測，并在試驗結(jié)束后對資料進行正確SAS統(tǒng)計分析得出科學結(jié)論。通過在校內(nèi)相對集中進行“科研項目實施報告與參觀學習”，要求學生通過學習專家報告內(nèi)容、參觀項目田間試驗，了解科研項目完整的實施過程與科研工作的原則和要求。通過參觀，了解科研項目中使用的試驗設計方法和統(tǒng)計分析方法。四、調(diào)整優(yōu)化后的課程教學效果經(jīng)過本次在我校2020級農(nóng)學專業(yè)進行課程實踐以后，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學生認可“理論+試驗+實習”這種課程設置，并對“理論學習+上機軟件試驗”授課模式的接受度較高，主要體現(xiàn)在以下三方面。1.學生對學習該門課程的畏懼情緒得以減輕。自主學習本課程的積極性在一定程度上得以明顯提高。針對課程SAS上機實踐教學內(nèi)容，我們編寫了試驗教案并對相關(guān)SAS程序進行了詳細解釋，在班群里上傳SAS安裝軟件，試驗教學PPT，要求學生在上機實踐前先預習試驗內(nèi)容，并且在個人電腦上安裝SAS軟件。因此，部分學習積極性高的學生是帶著問題進入實踐課堂的。在課堂上，教師除了介紹各種常用的試驗資料基本的SAS運行程序外，還進行現(xiàn)場上機練習，輔助以個別指導、答疑，有效地減輕了學生對該課程學習的畏懼情緒。另外，在課程實習課上，學生們通過自主設計并實施試驗后觀察試驗指標，分析試驗數(shù)據(jù)等系列實踐操作，增加了課程的參與度，提高了學習興趣。2.“生物統(tǒng)計學”與專業(yè)課程相互融合。我們在教學過程中注重引導學生學以致用，讓其將本課程學到的試驗設計方法及其統(tǒng)計分析方法應用到專業(yè)相關(guān)的試驗課程中，如作物栽培學、育種學、種子學等課程試驗。例如在進行種子耐鹽篩選試驗時，由學生討論該試驗的研究因素與處理，試驗觀察指標與觀察要求，可能導致產(chǎn)生試驗誤差的原因，并確定可以通過貫徹局部控制原則進行控制的系統(tǒng)誤差等，由每個小組負責學生匯總并作決定，各小組自設計出試驗實施方案并執(zhí)行，進而利用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相應分析得出科學結(jié)論。經(jīng)過類似的實踐，相關(guān)課程教師反映，這種做法有效地提升了大多學生對其他相關(guān)專業(yè)課程的學習興趣與科學思維能力。3.學與研相互融合。因為該課程的應用性強，要求生物學類、植物生產(chǎn)類的學生不僅能夠“會讀書”，正確地理解并掌握基礎知識，還要求其“能動手”靈活應用所掌握的知識來解決在科研與生產(chǎn)實際中碰到的科學問題。因此，教師通過課程教學過程發(fā)現(xiàn)一些分析問題與解決問題綜合能力較強、學有余力的學生，可以推薦這部分學生盡早加入學院的科研團隊里，讓其參與到學科科研團隊的科研項目中，也可鼓勵組織學生通過申報、參加院、校、國家級大創(chuàng)項目?？傊?，通過課程教師的理論與試驗教學引導結(jié)合學生試驗與科研實踐探索等多種形式，提升學生的綜合能力，幫助其建立科學的思維方式，而且可以引導其選擇進一步深造尤其是報考本校研究生，從而為促進學科建設與發(fā)展吸收新鮮血液。五、在調(diào)整課程結(jié)構(gòu)后教學實施過程中存在的問題及對策盡管SAS軟件作為強有力的統(tǒng)計分析工具，早在眾多領(lǐng)域被國內(nèi)外科研工作者廣泛地接受并使用，但對于本科生而言，特別是包括農(nóng)學、植物保護、園藝等植物生產(chǎn)類的本科生，在學習SAS軟件進行數(shù)據(jù)處理過程中存在一定障礙。這就需要教師在教學過程中，特別注意：雖然SAS程序模式化，但對于農(nóng)學、植保等植物生產(chǎn)類的本科生來說，程序編寫顯得不易掌握；SAS軟件是全英文界面，在編寫程序及查看運行結(jié)果時，大多學生英文的詞匯量有限是又一個障礙。針對這一現(xiàn)狀，我們在平時講授理論課時，也注意加強對相關(guān)生物統(tǒng)計專業(yè)術(shù)語、統(tǒng)計分析方法等英文詞匯的學習與使用，并向?qū)W生提供詳細的SAS程序中文參考教材、講義，幫助他們克服這類學習障礙。同時我們在試驗教學過程中充分與其理論教學相結(jié)合，讓學生在識記常用的一些統(tǒng)計分析過程名及選項后，了解各種統(tǒng)計分析方法的SAS過程步的通用格式，通過對過程步中的class語句、var語句、model語句解釋、變換練習，并讓學生自行嘗試使用excel等其他工具完成同樣任務進行比較等多種方式加強理解與掌握。同時強調(diào)SAS軟件進行方差分析多重比較的輸出結(jié)果時，輸出顯著水平為0.05和0.01的差異性均以大寫字母表示，要求學生在查看運行結(jié)果時要注意顯著水平，在實際抄寫結(jié)果時要將顯著水平為0.05標記字母結(jié)果改為小寫字母等。通過在機房教師親自指導，學生上機實踐，便可