Excel和SPSS軟件輔助生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)模式的探索

高麗

[摘 要]近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)軟件應(yīng)用已成為本科教學(xué)的必修內(nèi)容，其中Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件是大多數(shù)高校授課的首選分析軟件。作者針對(duì)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，參考多年來(lái)的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了更新調(diào)整，介紹了Excel和SPSS軟件中常用的統(tǒng)計(jì)分析方法，分析和比較了兩種統(tǒng)計(jì)軟件的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，探索利用Excel和SPSS軟件輔助理論教學(xué)的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)新模式。

[關(guān)鍵詞]生物統(tǒng)計(jì)學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 Excel軟件 SPSS統(tǒng)計(jì)軟件

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）15-0144-03

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是一門(mén)在實(shí)踐中應(yīng)用十分廣泛的工具學(xué)科。近年來(lái)，隨著生物學(xué)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)普及[1]，統(tǒng)計(jì)分析軟件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。統(tǒng)計(jì)軟件的使用使得計(jì)算變得簡(jiǎn)單、快捷和準(zhǔn)確，利用統(tǒng)計(jì)軟件分析處理數(shù)據(jù)是生物統(tǒng)計(jì)學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。[2]但很多院校生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容僅限于統(tǒng)計(jì)原理等理論知識(shí)的講解，有關(guān)統(tǒng)計(jì)分析軟件的應(yīng)用較少，學(xué)生不具備運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

Excel和SPSS軟件是大多數(shù)高校本科授課的首選統(tǒng)計(jì)分析軟件。[3]Excel作為常用辦公軟件，同時(shí)也可完成大多數(shù)統(tǒng)計(jì)分析任務(wù)；SPSS為專(zhuān)業(yè)統(tǒng)計(jì)軟件，統(tǒng)計(jì)分析功能強(qiáng)大，是大型統(tǒng)計(jì)分析中的常用工具。作者結(jié)合多年來(lái)從事生物統(tǒng)計(jì)教學(xué)和科研工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就適合水產(chǎn)養(yǎng)殖及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整更新，探索使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS和Excel來(lái)輔助理論教學(xué)的模式，以提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和軟件應(yīng)用能力。

一、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)作為一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的工具學(xué)科，在教學(xué)內(nèi)容安排上應(yīng)遵循據(jù)既重視基本理論又重視實(shí)踐的思路。目前，大多數(shù)院校生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的教學(xué)課時(shí)為54學(xué)時(shí)，有的僅36學(xué)時(shí)，這就需要精選、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，形成適合本專(zhuān)業(yè)特色和學(xué)生實(shí)際需要的課程體系。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是我校海洋學(xué)院水產(chǎn)養(yǎng)殖等本科專(zhuān)業(yè)的必修課，總課時(shí)為54學(xué)時(shí)，不單獨(dú)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，我校水產(chǎn)養(yǎng)殖專(zhuān)業(yè)不開(kāi)設(shè)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程，學(xué)生的概率論知識(shí)比較薄弱。基于以上因素，作者結(jié)合自己多年來(lái)從事生物科研的經(jīng)驗(yàn)，把教學(xué)內(nèi)容確定為統(tǒng)計(jì)原理、統(tǒng)計(jì)方法、統(tǒng)計(jì)軟件和試驗(yàn)設(shè)計(jì)四個(gè)部分，基本章節(jié)為：①試驗(yàn)資料整理與特征數(shù)的計(jì)算；②概率與概率分布；③統(tǒng)計(jì)推斷；④方差分析；⑤回歸及相關(guān)分析；⑥試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

在教學(xué)實(shí)踐中，遵循以下原則：①加大對(duì)統(tǒng)計(jì)分析原理、統(tǒng)計(jì)方法的適用范圍與應(yīng)用案例、統(tǒng)計(jì)結(jié)果的解釋等介紹，減少對(duì)公式的推導(dǎo)和統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算過(guò)程。②結(jié)合課程內(nèi)容，增加水產(chǎn)養(yǎng)殖研究方向的應(yīng)用性案例講解，使教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。③重視統(tǒng)計(jì)軟件的使用，在每章節(jié)講解完理論知識(shí)后，緊接著演示Excel和SPSS軟件在本部分的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與統(tǒng)計(jì)軟件應(yīng)用的有機(jī)融合。④布置課下作業(yè)，要求學(xué)生用傳統(tǒng)的計(jì)算器計(jì)算和統(tǒng)計(jì)軟件分別完成，并對(duì)所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果做出解釋和分析。通過(guò)此環(huán)節(jié)，可使學(xué)生加深對(duì)統(tǒng)計(jì)原理等理論知識(shí)的理解，并掌握應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法。

二、Excel軟件常用統(tǒng)計(jì)功能的介紹

Excel軟件除具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表制作功能外，[5，6]還提供了大量統(tǒng)計(jì)函數(shù)和數(shù)據(jù)分析工具，其統(tǒng)計(jì)功能涵蓋了統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本內(nèi)容，可基本滿足生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的本科教學(xué)要求。

（一）統(tǒng)計(jì)函數(shù)的應(yīng)用

在Excel的“插入”菜單項(xiàng)，選擇“函數(shù)”命令，除了常用的數(shù)學(xué)和邏輯函數(shù)外，還可應(yīng)用統(tǒng)計(jì)函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)或概率值的計(jì)算。

（1）統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)或特征數(shù)的計(jì)算

平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等常用參數(shù)可由統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算，反映數(shù)據(jù)集中趨勢(shì)的函數(shù)有Average（均值）、Median（中位數(shù)）、Mode（眾數(shù)）等；反映離散趨勢(shì)的函數(shù)有：Stdev（樣本標(biāo)準(zhǔn)差）、Var（樣本方差）、Skew（偏態(tài)系數(shù)）等。

（2）數(shù)據(jù)分類(lèi)

Frequency函數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)。函數(shù)表達(dá)式：Frequency（Data array，Bins array），注意該函數(shù)應(yīng)以數(shù)組公式的形式輸入。

（3）t 檢驗(yàn)

t 檢驗(yàn)可由Ttest函數(shù)完成，函數(shù)功能為返回t檢驗(yàn)的概率。函數(shù)表達(dá)式：Ttest（Array1，Array2，Tails，Type），設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行得到t檢驗(yàn)的概率值（P），以此來(lái)判斷顯著性水平。如P<α，則拒絕原假設(shè)，說(shuō)明檢驗(yàn)達(dá)顯著水平；反之則不顯著。

（二）數(shù)據(jù)分析工具的應(yīng)用

Excel中的分析工具庫(kù)具有較強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析功能，但此功能需加載后才可使用。每次使用時(shí)，先按正確格式輸入原始數(shù)據(jù)，單擊“數(shù)據(jù)分析”選項(xiàng)，即彈出對(duì)話框，統(tǒng)計(jì)分析方法包括描述性統(tǒng)計(jì)、t檢驗(yàn)、方差分析、協(xié)方差分析、直方圖、回歸、相關(guān)、F檢驗(yàn)等，主要介紹如下。

（1）數(shù)據(jù)分類(lèi)

首先將各組的組上限值輸入工作表，在“數(shù)據(jù)分析”對(duì)話框中選擇“直方圖”，在對(duì)話框中“輸入?yún)^(qū)域”輸入分類(lèi)數(shù)據(jù)所在的單元格地址，“接收區(qū)域”輸入分組組限所在的單元格地址，運(yùn)行后即可顯示分類(lèi)結(jié)果，包括每組的頻率數(shù)及百分比等。

（2）描述統(tǒng)計(jì)

在“數(shù)據(jù)分析”對(duì)話框中選擇“描述統(tǒng)計(jì)”，即可計(jì)算出最小值、最大值、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

（3）t檢驗(yàn)

包括平均值的成對(duì)二樣本分析、雙樣本等方差假設(shè)、雙樣本異方差假設(shè)三種類(lèi)型。以成對(duì)二樣本分析為例，在“數(shù)據(jù)分析”對(duì)話框中，選定“t檢驗(yàn)：平均值的成對(duì)二樣本分析”，分別在變量1、變量2區(qū)域選擇數(shù)據(jù)所在單元格地址，之后在“輸出區(qū)域”選擇空白單元格，確認(rèn)后即可輸出結(jié)果。t檢驗(yàn)結(jié)果包括t值、df（自由度），單尾和雙尾概率（P）、單尾和雙尾的臨界t值等信息。

（4）方差分析

包括單因素、無(wú)重復(fù)雙因素、有重復(fù)雙因素三種方差分析類(lèi)型。以單因素方差分析為例，在“數(shù)據(jù)分析”中選定“方差分析：?jiǎn)我蛩胤讲罘治觥?，彈出?duì)話框后，在輸入?yún)^(qū)域、分組方式、α、輸出區(qū)域等處輸入相應(yīng)信息后，即可輸出方差分析表。

（5）相關(guān)與回歸

相關(guān)系數(shù)：在“數(shù)據(jù)分析”對(duì)話框，選定“相關(guān)系數(shù)”，彈出對(duì)話框后，設(shè)置輸入?yún)^(qū)域、分組方式、輸出區(qū)域等各項(xiàng)參數(shù)后，即可得到兩組數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)。

線性回歸：在“數(shù)據(jù)分析”對(duì)話框，選定“回歸”，彈出對(duì)話框后，在X值輸入?yún)^(qū)域、Y值輸入?yún)^(qū)域、置信度、輸出區(qū)域等處輸入相應(yīng)信息后，即可返回截距（intercept，a）、回歸系數(shù)（b）以及回歸系數(shù)的t檢驗(yàn)結(jié)果。

三、SPSS軟件常用統(tǒng)計(jì)功能的介紹

SPSS軟件是國(guó)際流行的統(tǒng)計(jì)分析軟件，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制等強(qiáng)大功能，目前最新版本為22.0版本，可在網(wǎng)上下載免費(fèi)英文或漢化版本。

（一） 數(shù)據(jù)文件的建立

在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析之前，需建立正確的數(shù)據(jù)文件，注意各種統(tǒng)計(jì)方法要求數(shù)據(jù)的輸入格式有很大不同。進(jìn)入SPSS軟件頁(yè)面，在數(shù)據(jù)窗口直接輸入各變量的原始數(shù)據(jù)，也可利用復(fù)制粘貼功能把Excel 文件中的數(shù)據(jù)拷貝過(guò)來(lái)；此外，可在SPSS中直接打開(kāi)Excel 文件，選擇需分析數(shù)據(jù)的工作簿。

（二）主要統(tǒng)計(jì)功能

SPSS幾乎涵括了生物學(xué)中所有的統(tǒng)計(jì)方法[3，7]，包括描述統(tǒng)計(jì)、比較均值、一般線性模型、相關(guān)、回歸、聚類(lèi)分析、非參數(shù)檢驗(yàn)等，現(xiàn)根據(jù)課堂所授理論內(nèi)容，把常用功能介紹如下。

（1）描述性統(tǒng)計(jì)

單擊“Analyze”菜單中的“Descriptive Statistics”，選中“Descriptives”，彈出對(duì)話框，選擇要分析的變量移到右面的 Variables框，單擊“Option”按鈕彈出一個(gè)窗口，里面列出了各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤等，根據(jù)需要勾選，確定即可。

（2）數(shù)據(jù)分類(lèi)

操作步驟：①確定分組的組數(shù)、組距和組限；②單擊“Transform”菜單，選擇“Recode into different variables”，在彈出的對(duì)話框中，給輸出的新變量命名；③點(diǎn)擊“New and old values”按鈕，在新窗口左邊舊值處輸入每組的上下限，在右邊賦以相應(yīng)的新值。④對(duì)新變量進(jìn)行頻數(shù)分析，單擊“Analyze”菜單中的“Descriptive Statistics”，選中“Frequency”，即可繪制精確頻數(shù)表。

（3）t檢驗(yàn)

包括單樣本t檢驗(yàn)（One sample T Test），成對(duì)樣本t檢驗(yàn)（Paired-samples T Test），獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（Independent-samples T Test）三種類(lèi)型。以獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)為例，步驟為：①單擊“Analyze”菜單中的“Gompare Means”，選擇“Independent Samples T Test”，在彈出的對(duì)話框中，Test Variables框輸入要分析的變量；②Grouping Variable框：輸入組別變量，單擊“Define groups”按鈕，分別在 Group 1和Group 2輸入兩組的代碼；③“Continue”返回到主對(duì)話框，點(diǎn)擊“OK”。輸出結(jié)果中，有假設(shè)方差相等和不相等兩行，應(yīng)先判斷Levene檢驗(yàn)結(jié)果，若Sig.（P）>0.05，說(shuō)明方差齊性，故選擇假設(shè)方差齊性一行的t檢驗(yàn)結(jié)果，反之則選擇方差不齊一行；之后根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果中的P值，判斷均值差異的顯著性水平。

（4）方差分析

常用的有單因素、雙因素及多因素方差分析等。單因素方差分析步驟：①在“Analyze”菜單中打開(kāi)“Compare Means”，選擇“One-Way ANOVA”命令。在主窗口中，Dependent List框輸入指標(biāo)變量，F(xiàn)actor框輸入因素變量；②單擊“Post Hoc～～”按鈕，在對(duì)話框中選擇多重比較方法，“Continue”返回主窗口；③單擊“Option”按鈕，在對(duì)話框中選中Descriptive，返回主窗口，點(diǎn)擊“OK”運(yùn)行。輸出結(jié)果包括描述性統(tǒng)計(jì)、方差分析表、兩兩比較等。

（5）相關(guān)分析

包括雙變量、偏相關(guān)和距離相關(guān)分析。雙變量相關(guān)分析：?jiǎn)螕簟癆nalyze”菜單中的“Correlate”，選中“Bivariate”，彈出對(duì)話框，在Variables框選入要分析的變量；在相關(guān)系數(shù)欄選擇Pearson相關(guān)系數(shù)，在顯著性檢驗(yàn)欄中選中Two-tailed。運(yùn)行可返回兩個(gè)變量間的相關(guān)系數(shù)，并用*和**注明其顯著性水平。多個(gè)變量間的相關(guān)分析，其步驟同兩個(gè)變量，只是在Variables框選擇多個(gè)變量，即可得出多個(gè)變量間的兩兩相關(guān)系數(shù)。

（6）線性回歸分析

單擊“Analyze”菜單中的“Regression”，選中“Linear”，彈出對(duì)話框。在Dependent框輸入因變量（Y），Independent框輸入自變量（X）；點(diǎn)擊“Statistics”按鈕，在彈出的窗口勾選Descriptive，“Continue”后運(yùn)行即可。統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括線性方程的各項(xiàng)參數(shù)及回歸關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果。

四、Excel和SPSS軟件的比較

利用Excel 軟件可較方便完成簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析，而SPSS統(tǒng)計(jì)軟件具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析功能，現(xiàn)對(duì)兩種軟件的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

描述統(tǒng)計(jì)。Excel軟件中，利用一個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)只能計(jì)算一個(gè)參數(shù)值；利用“數(shù)據(jù)分析”工具中的“描述性統(tǒng)計(jì)”，可返回一系列特征參數(shù)值，但只能是一個(gè)變量。在SPSS中，可同時(shí)對(duì)一個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析。

t檢驗(yàn)。對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行均值比較的時(shí)候，應(yīng)先判斷兩總體方差是否相同，然后進(jìn)行t檢驗(yàn)。Excel軟件提供了樣本等方差和異方差來(lái)兩種分析程序，統(tǒng)計(jì)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行F檢驗(yàn)（雙樣本等方差檢驗(yàn)），之后再選擇相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行t檢驗(yàn)。SPSS軟件可同時(shí)返回方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果、方差齊性和非齊性?xún)煞N情況下的t檢驗(yàn)結(jié)果，可根據(jù)齊性檢驗(yàn)結(jié)果，直接選擇對(duì)應(yīng)的t檢驗(yàn)結(jié)果，較為簡(jiǎn)便。

方差分析。SPSS軟件中方差分析較為齊全，而Excel軟件只適用于最基本的方差分析。就統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，Excel軟件僅列出了方差分析表；而SPSS軟件不僅包括方差分析表，如果F檢驗(yàn)顯著，還可給出多重比較結(jié)果，以判斷兩兩處理間均數(shù)差異的顯著性。

相關(guān)分析。Excel軟件中，利用Correl函數(shù)可得到一對(duì)變量間的相關(guān)系數(shù)；利用數(shù)據(jù)分析工具，可同時(shí)得到兩個(gè)或多個(gè)變量間的兩兩相關(guān)系數(shù)。SPSS軟件不僅可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)或多個(gè)變量間進(jìn)行相關(guān)分析，還標(biāo)明了顯著性水平。

線性回歸。利用Excel軟件中分析工具中的“回歸”，或者SPSS軟件“Regression”中的“Linear”選項(xiàng)可進(jìn)行線性回歸。根據(jù)輸出結(jié)果均可寫(xiě)出線性回歸方程，并判斷方程的顯著性水平，兩個(gè)軟件沒(méi)有大的差異。

數(shù)據(jù)分類(lèi)。Excel軟件中，確定分組組限后，利用Frequency函數(shù)進(jìn)行頻數(shù)分析，或利用分析工具中的“直方圖”，較為簡(jiǎn)便。而SPSS中，確定分組組限后，應(yīng)先進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立新變量，之后再利用“Descriptive Statistics”中的“Frequency”對(duì)新變量進(jìn)行頻數(shù)分析。

五、結(jié)語(yǔ)

Excel 和SPSS軟件各有自己的應(yīng)用特點(diǎn)，就統(tǒng)計(jì)分析功能而言，Excel的通用性更強(qiáng)，SPSS的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，Excel較為方便，適合生物統(tǒng)計(jì)學(xué)初學(xué)者使用。在學(xué)生具備全面的統(tǒng)計(jì)知識(shí)后，應(yīng)逐漸加強(qiáng)對(duì)SPSS軟件的學(xué)習(xí)，以進(jìn)一步提升分析復(fù)雜試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。在使用統(tǒng)計(jì)軟件時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)課堂上的統(tǒng)計(jì)理論知識(shí)，選擇正確的統(tǒng)計(jì)方法，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，并最終能夠從統(tǒng)計(jì)學(xué)和專(zhuān)業(yè)的角度正確解釋所得結(jié)果。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，在學(xué)生充分理解了理論知識(shí)和統(tǒng)計(jì)原理后，靈活結(jié)合Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件輔助多媒體理論教學(xué)，這種教學(xué)模式不僅可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，還能顯著提高教學(xué)效果。

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