生物統計學教學創新思考與實踐

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摘要:針對現有生物技術專業生物統計學課程存在的問題和面臨的新形勢，從實踐能力的培養、課程內容、考核內容和方式、課程設置進行了改革創新的思考與實踐，本文總結了這些改革創新的思路和經驗。

關鍵詞:生物技術;生物統計學;教學創新

生物統計學是將概率論和數理統計的知識應用于生物科學，為生物學科提供試驗設計和數據分析的方法和理論。生物統計學是適應生物類科學的客觀需要而產生的，無論是傳統的生物學科還是現代分子生物學時時刻刻都在與數字打交道，所以生物統計學也是現代生物技術研究必備的工具。[1]生物統計學是生物技術專業的一門專業基礎課，在教學中培養學生或然性思維能力，使學生自覺地對生物試驗設計和數據分析產生興趣，從而使或然性思維在工作實踐中得以應用。

1當今高校生物技術專業生物統計學教學出現的問題和面臨的新形勢

生物技術的快速發展，給生物統計學提供了發展機會，同時也給該課程教學提出了改革創新的要求。原有的生物統計學教學出現的問題和面臨的新形勢主要體現在：（1）日趨減少的教學時數與日益增大的教學內容這一對矛盾是每一個承擔生物統計學教學的老師必須面對的挑戰。因為生物統計學課程是統計理論的應用，因而該課程的教學內容與統計理論的發展是緊密相關的。隨著現今統計學基礎理論和計算機技術的發展，新的理論與新的統計分析方法不斷產生，《生物統計學》的課程內容在近年來也發生了很大變化，以多元回歸分析、多因素試驗、逐步回歸與通徑分析、多項式回歸分析、關聯分析、聚類分析、抽樣方法等為代表的知識單元與知識點的增加以及以SAS和SPSS分析軟件為代表的新的分析方法的增加，使得生物統計學課程的容量被大大地增加了。與此同時，面對新時代人才培養的要求，包括生物統計學課程在內的各門“經典”基礎課程的教學時數都被大大地壓縮了。如何在較少的教學學時內保證生物統計學課程的教學質量是每一位承擔生物統計學課程教學的教師必須面對的問題。（2）教學內容陳舊，不能適應生物技術學科的快速發展。在我國，生物技術專業是近十多年才設立的新專業，順應專業前沿的迅猛發展，其專業許多課程內容也相應更新較快，對生物統計學的技能掌握和內容更新提出了新的要求，而現今各院校生物技術專業仍然沿用傳統生物學、醫學、農學所使用的教材，其內容無法充分滿足現代生物技術的發展需要，如現代分子遺傳學基因連鎖與關聯分析，微陣列生物信息學實驗設計、數據分析中差異表達分析、主成份分析、聚類分析，DNA序列生物信息學的多序列對比，生態學的多元回歸等內容，原有生物統計學有關教材根本沒有提及或語焉不詳，更沒有應用實例。（3）教學方式過時，缺乏新意。目前的生物統計學教學，課堂講授仍然是教學的主要方式。傳統的教學理論認為，教學就是向學生灌輸知識，學生僅被看作講授知識的受體，教師是課堂教學的中心，過分強調學生的接收知識、死記知識、機械訓練；教師引導學生按自己預設的方向發展，不重視學生或然性思維、統計分析能力、試驗設計能力的培養，學生不敢或不善于向書本有爭議的問題提出質疑和挑戰，不敢或不主動就學生學術研究課題進行試驗設計和統計分析，從而限制了學生學習的積極性和創造性。（4）考核內容和方式不利于學生掌握知識和能力培養。課程考核是檢驗教師教學效果和學生掌握知識程度的手段，現在卻被視為教學的目的。學生學習的目的好像只是為了通過考試。考核內容一成不變、方式缺乏新意和科學性，仍然以名詞解釋、計算題、問答等有明確答案的機械題目為主，不重視靈活運用統計方法解決實際問題能力的考核，容易出現知識不理解，死記能過關的結果。考試方式單一，以期末考試為主，不重視形成式成績的考核，往往出現平時不努力，照樣考高分的現象。如此下去，培養出來的學生難免成為“高分低能”。（5）課程設置還有待改進。生物統計學是一門生物技術和統計學相結合的應用科學，要注重學科滲透和交叉，從生物技術學科的整體與綜合化發展出發，合理構建課程體系。要強調生物統計學基礎課程的學習、生物技術學科知識對生物統計學課程內容的影響以及生物統計學知識在生物技術學科其他領域中的廣泛運用。目前，各高等院校的生物技術專業對專業課程較為重視，而對生物統計學或專業課程中統計運用重視不夠。生物統計學課時偏少，或者對于作為生物統計學的先修課程數學的教學，少數院校只開設微積分，而不開設線性代數、概率論和數理統計，或者在專業課程中省去與統計學有關的內容，這些做法都是不恰當的。

2生物統計學教學創新的思考與實踐

部分院校或部分教師認為現代的生物技術研究已經不同于傳統的生物學研究，其領域已經完全實現了從原有的群體或個體層次的宏觀研究向細胞或分子層次的微觀研究轉化，研究手段也倚重物理和化學手段，其研究結果只有必然性沒有或然性，所以生物統計學顯得不再重要，殊不知，生物技術研究只能借用物理和化學方法，而不能等同于物理、化學，它仍然遵從生物學規律，其試驗設計和數據分析必須依賴生物統計學的方法。所以，在生物技術專業不開設或不重視生物統計學課程的想法和做法都是錯誤的。要實現生物統計學為生物技術專業打好基礎的目的，必須對課程的設置、教學內容、教學方法、考核的內容和方式進行全方位的改革，改革創新的主旨在于知識的運用，其教學的重點不在于統計理論學習，而重在解決與生物技術各領域有關的實際問題；不限于僅會使用計算器或EXCEL進行簡單的統計運算，而應著重于掌握現代的統計軟件的具體操作；不在于教師的講解，而重在學生的操作能力訓練。為此，可以嘗試從以下方面改進教學。2.1強化實踐能力的培養。生物統計學是一門應用科學，或然性思維和統計能力須在實踐中培養，同時也應該接受實踐的檢驗，所以必須注重培養學生實踐能力。[2]首先，處理好統計學理論與生物學應用的關系。生物統計學教學內容中用到的統計學的概念、定義和公式很多，按照舊有教學方法，在應用某一公式之前，都要弄清其來龍去脈，而學生普遍反映這些公式“難記”更“難用”。事實上，一方面許多公式的推導已在高等數學中進行了講解，所以，要解決好高等數學與生物統計學的課程銜接問題，沒有必要再花費過多的時間講解概念和推導公式，另一方面，按照能力教育體系的理論，要把教師的知識傳授轉變為學生的能力獲得。[3~4]而能力獲得的直接體現便是對所學知識的實際運用，所以，也不應該把教學的重點放在統計學理論學習上。筆者在對生物統計學課程進行教學改革時，改革的目標很明確，就是所學為所會服務。每學習一種統計方法時，著眼點放到運用上，充分了解每種方法在分子生物學、發酵工程、基因工程、微生物工程等領域的運用，以強調應用增加興趣，以實踐運用強化知識，以掌握技能促進知識鞏固，以運用熟練加深理解。在學習正交設計試驗方案和結果統計分析時，本人不把正交表的編制和簡便分析公式的由來放在重點，只讓學生掌握如何利用正交表及簡便公式在解決哪些生物學研究問題時應用？如何應用？同時強化訓練，使學生對正交設計運用得心應手。只要給出相關的研究課題，就能科學熟練地進行設計和結果分析，得出正確的結論。其次，處理好傳授知識與能力培養的關系。能力教育理論認為，要以學生為主體，教師為主導，在教學中要重視學生的學，應注意采用高效教學法調動學生參與學習的積極性。[5]一方面，對于課堂教學筆者多采用案例教學的方式。案例教學是實踐的直接模擬，是以培養學生分析和處理實際問題能力為中心的一種科學的教學方式。首先，對案例進行了精心選擇，因為現有教材選用的多是傳統的農業、畜牧業、水產、醫學方面的實例，不太符合生物技術的學科特點，筆者從大量的教材、期刊、教師和學生科研課題、學生畢業設計中精心挑選了一些學生較為熟悉的生物技術案例。其次，對案例分析，以學生為主體，換位教學，分組講解，注重培養學生的獨立性和自主性，結合教學進度，引導學生進行結果分析和試驗設計，或對原有設計和分析提出質疑，并提出自己的見解，然后進行總結。如在理解試驗設計原則和樣本代表性概念時，學生對一篇研究湖泊微生物污染的抽樣方法提出了質疑，認為僅從湖邊取一次一定量的湖水不能構成樣本，其原因在于取樣點不具代表性，且取一次沒有重復，違背了試驗設計的原則。另一方面，課余時間鼓勵學生積極運用所學生物統計學知識完成學生學術課題的申報和研究。學生學術課題的申報和研究則是生物統計學知識真正意義上的實戰運用。學生學術課題研究是我校以專項經費資助的政策來提高學生專業素質的一項有力舉措，也可以作為生物統計學的課程實踐平臺加以充分利用，要求學生以課題組的組織形式，從課題的選題，課題的研究內容、依據、目的和意義，試驗方案的設計，技術路線的制訂，到試驗數據的分析進行全方位的實際訓練，課題組在課堂上重點闡述各自課題與生物統計學有關的試驗設計與統計分析的核心內容，通過學生之間相互提問、討論和交流，不斷糾偏、反饋和完善，達到了真正提高學生動手能力的顯著效果。再次，筆者還要求學生參與教師科研課題的研究，利用開放性實驗進行一些小型的自選課題的研究，或者是開展專業調查研究，發表相應的專業論文，通過靈活多樣的方式，開展課程實踐活動，并將其表現和成果作為平時成績的重要考核依據，鼓勵和督促學生實踐能力的提高。2.2完善課程內容的改革。首先，該課程學時數有限，而生物技術研究的領域在不斷地擴大，研究的重點也在不斷發生改變，為適應學科特點，教學內容必須作出較大調整。為此，筆者刪除了大部分與概率論和數理統計重疊的內容，如方差分析中均方期望的推演，概率分布中隨機變量的數學期望和方差的推演，也刪除了一些不常用的內容，如非參數檢驗的秩和檢驗。簡略了一些運用計算機和軟件能完成的復雜運算的講解，也簡略了一些依靠前期基礎知識可以理解的內容，如一元非線性回歸，補充了一些現代分子生物學常用的統計分析方法，如基因連鎖與關聯分析、DNA序列生物信息學的多序列對比等知識。其次，為了提高學生統計軟件應用能力，增添了國際上常用的統計軟件SAS、SPSS的軟件使用方法的介紹。2.3改革考核內容和方式課程考核不能作為學生學習的一種目的，應該通過考核提高學生進一步鉆研的興趣，督促平時復習，開闊視野、真正理解試驗設計和統計方法的內涵及其應用價值，檢驗學生實際分析的能力。首先，總評成績的構成，既要有期末考試成績，也要包括提問、作業、小測驗、課堂討論、案例分析報告、課程論文的成績，特別要提高反映學生實踐能力的案例分析報告、課程論文的成績在總評成績所占權重。其次，題型應該多樣化。廢棄名詞解釋這種對于“死知識”的考核，而采用概念辨析的題型，考核學生理解和區分概念的能力；計算題不以考核公式的運用為主，而以實際的案例考核分析方法的選用和分析結果的生物學涵義的解釋；減少填空、判斷、選擇等考核單項知識的題型分值，增加綜合題等考核試驗設計和分析綜合知識的題型分值。再次，考核方式改閉卷考試為開卷考試，使學生明白該課程學習的重點不在于死記硬背概念、原理、公式和方法，而在于靈活運用所學知識解決實際問題。明白該課程不同于數學類的統計學，而是將統計學應用于生物學，根據生物學問題的性質和特征，選用適當的統計學方法。2.4合理構建以生物統計學為主體的課程體系。生物統計學在生物技術學科原有領域中的運用，已經足以體現其在生物技術學科整體中不可或缺的重要地位，特別是近年來作為生物技術領域最熱門的生物信息學的發展，更說明了生物統計學的重要性。生物信息學作為一門新型的學科，正在對生物技術產生空前的影響。它是以計算機技術為研究手段和工具，同時采用數學、統計學的模型、模擬研究手法來解決生物科學的問題，因而成為生物學、統計學、數學、計算機學甚至工程學等多學科之間的交叉領域，其發展—方面為這些學科開辟新的研究領域，但同時也依賴于這些學科的發展。[6]顯而易見，掌握好生物信息學需要有扎實的生物統計學根基。生物統計學的教學應該放在生物技術學科整體體系中通盤考慮，既不應該減少微積分、線性代數、概率論和數理統計等先修課程的門數和學時數，又不應該在專業課程中過多地出現生物統計學的內容重復，同時，還要以生物統計學為主體合理安排授課順序，構建課程體系。所以，我們對生物技術專業培養方案和課程教學大綱進行了調整，在原有微積分的基礎上，增開了線性代數、概率論和數理統計兩門課程，同時對專業課程中關于生物統計學的內容進行了增減調整，在學完生物統計學之后，還開設了生物信息學選修課，通過三年的改革和實踐，生物統計學的教學乃至其他專業課的教學效果都得到了較為明顯的提高。

總之，生物技術專業生物統計學的教學應該順應生物技術學科發展的特點，遵循生物統計學本身的教學規律，充分分析當前教學的現狀和存在的問題，不斷地改革現有的教學模式，完善考核方式，培養學生的獨立性和創新性，從而培養適應時代需要的全面發展人才。

參考文獻

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[6]張陽德.生物信息學[M].北京:科學出版社,2009.

作者:孫齊英 單位:江漢大學生命科學學院