環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革探討

王 鳴，薛 艷

（南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044）

環(huán)境科學(xué)是一門(mén)新興的研究和解決環(huán)境問(wèn)題的綜合應(yīng)用型學(xué)科，涉及內(nèi)容廣泛[1]。對(duì)環(huán)境問(wèn)題的分析離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究和定量分析，因此系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)的理論知識(shí)和方法體系能夠培養(yǎng)環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的量化思維和實(shí)踐能力。我校為環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)了“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程，但以往的教學(xué)效果顯示，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容掌握情況不理想，未達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)。未能全面考慮環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)及學(xué)生的實(shí)際需求，未能將理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系是導(dǎo)致這一問(wèn)題的重要原因[2]。為此，結(jié)合環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，在“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行改革探討，旨在加大案例式教學(xué)和實(shí)踐性教學(xué)力度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)的初衷是，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)開(kāi)展環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的能力。以往授課教師為數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)教師，教學(xué)內(nèi)容與傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程接近，側(cè)重理論知識(shí)和數(shù)理方法。學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容抽象難懂、理論性強(qiáng)、掌握難度大，而且理論與實(shí)踐沒(méi)能有機(jī)結(jié)合，學(xué)生不知如何聯(lián)系環(huán)境科學(xué)實(shí)際，從而失去學(xué)習(xí)興趣，具體體現(xiàn)在如下方面：

（1）數(shù)學(xué)理論所占比例過(guò)高。概念抽象，數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，非數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生理解和掌握難度大。

（2）方法應(yīng)用和軟件技能培訓(xùn)薄弱。文字性理論闡述過(guò)多，統(tǒng)計(jì)方法適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)比較等側(cè)重應(yīng)用的介紹較少，缺少對(duì)統(tǒng)計(jì)軟件的講授。

（3）教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合不緊密。教學(xué)過(guò)程中未能將理論知識(shí)和方法與環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際需求有機(jī)融合，導(dǎo)致課程結(jié)束后，學(xué)生不知如何用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

上述問(wèn)題說(shuō)明，以往的教學(xué)未達(dá)到“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析”課程預(yù)期教學(xué)效果，與開(kāi)設(shè)該課程的初衷“強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，弱化數(shù)學(xué)理論”不符。為了提高環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生利用相關(guān)理論知識(shí)分析、解決環(huán)境問(wèn)題的能力，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革勢(shì)在必行。

2 課程改革探討：“應(yīng)用+實(shí)踐”的教學(xué)模式

針對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)中普遍存在的“重理論，輕方法”“重闡述，輕軟件”和“重傳授，輕實(shí)踐”等問(wèn)題[3-4]，結(jié)合環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，提出了以“應(yīng)用+實(shí)踐”為導(dǎo)向，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并重的教學(xué)模式[5]?？傮w思路是，由環(huán)境專(zhuān)業(yè)教師替代數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)教師進(jìn)行授課，在講授數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論和方法的過(guò)程中，用具體環(huán)境問(wèn)題作為案例，并結(jié)合環(huán)境科研項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

在教學(xué)內(nèi)容上，弱化數(shù)學(xué)理論和公式推導(dǎo)，課時(shí)占比由約70%降至30%～40%；強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，注重方法應(yīng)用條件和優(yōu)缺點(diǎn)比較講授，并在教學(xué)過(guò)程引入大量案例和練習(xí)，課時(shí)占比為30%～40%；增加利用Excel、SPSS、Igor Pro 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技能性培訓(xùn)和練習(xí)，課時(shí)占比約為10%～20%；另外，增加基于環(huán)境領(lǐng)域科研項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)，課時(shí)占比為10%～20%。

在教學(xué)方法上，一方面在課堂教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)課內(nèi)互動(dòng)，以環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具體案例為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生選用正確方法解決實(shí)際問(wèn)題，引入軟件操作練習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生用軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)估計(jì)、大小比較、相關(guān)性等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析；另一方面，結(jié)合科研項(xiàng)目，開(kāi)展任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，以小組為單位完成具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析任務(wù)，并以PPT 匯報(bào)和論文形式進(jìn)行呈現(xiàn)。

在考核方式上，改變以往以書(shū)面考試為主方式，將書(shū)面考試分?jǐn)?shù)在總成績(jī)中的占比由100%降為60%，增加對(duì)課堂案例討論和科研項(xiàng)目實(shí)踐練習(xí)的考核，在總成績(jī)中的占比分別為10%和30%。

3 實(shí)踐教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)課程重要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，培養(yǎng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)思維，正確應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析環(huán)境數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)潛能，提升創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)具體的案例分析，使學(xué)生將數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和方法融會(huì)貫通，強(qiáng)化對(duì)采樣方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理、概率分布、假設(shè)檢驗(yàn)、相關(guān)分析等核心內(nèi)容的理解和應(yīng)用，并掌握利用軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析的具體方法和操作步驟。

3.2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

在“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”理論課程基礎(chǔ)上，以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“長(zhǎng)三角地區(qū)大氣羰基化合物化學(xué)轉(zhuǎn)化和來(lái)源量化研究”為案例，設(shè)計(jì)了如下實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

3.2.1 采樣方案設(shè)計(jì)

大氣羰基化合物采樣方案的設(shè)計(jì)，主要考查學(xué)生對(duì)于如何獲取代表性樣本和抽樣方案等知識(shí)的理解和掌握。獲得有代表性的數(shù)據(jù)，是基于有限樣本資料推斷總體特征統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。在樣本量確定的情況下，抽樣方法是影響樣本代表性的重要因素。常用的抽樣方法包括系統(tǒng)抽樣、隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)-隨機(jī)抽樣和多層次抽樣[6]。在本案例中，大氣羰基化合物采用2,4-二硝基苯肼（DNPH）衍生化法進(jìn)行采集，采用高壓液相色譜（HPLC）技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析[7-8]，由于采樣和分析成本較高，綜合考慮將總樣本量控制在400 以?xún)?nèi)。由于A 城市的功能區(qū)劃中包含城區(qū)（住宅和商業(yè)為主）、工業(yè)區(qū)和清潔背景區(qū)，為了確保樣本的空間代表性，采用多層次抽樣方法，設(shè)置城區(qū)、工業(yè)區(qū)和清潔背景區(qū)3 個(gè)采樣站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)?？紤]到大氣羰基化合物濃度的時(shí)間變化特征，為保證樣本的時(shí)間代表性，在每個(gè)站點(diǎn)采用系統(tǒng)-隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行樣本采集。首先按照系統(tǒng)抽樣的思路，劃分春、夏、秋、冬4 個(gè)季節(jié)，然后在每個(gè)季節(jié)中隨機(jī)選取5 天（隨機(jī)抽樣）進(jìn)行樣本采集。在采樣當(dāng)天，按照系統(tǒng)抽樣思路，每間隔4 h 采一個(gè)樣。

通過(guò)采樣方案設(shè)計(jì)這一實(shí)踐訓(xùn)練，一方面能夠使學(xué)生對(duì)抽樣方法有更加直觀的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)多層次抽樣、系統(tǒng)抽樣和隨機(jī)抽樣的原理、步驟、適用范圍和方法及其差異的理解和掌握；另一方面通過(guò)抽樣方法的靈活運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，為學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

3.2.2 概率分布擬合分析

引入具有繪圖功能的統(tǒng)計(jì)軟件，并設(shè)計(jì)可視化的直觀教學(xué)案例，能夠提升教學(xué)的趣味性和實(shí)用性[9]。數(shù)據(jù)分布能夠反映總體的綜合特征，而數(shù)據(jù)分布特征是影響統(tǒng)計(jì)方法選擇的重要因素。在本案例中，利用Igor Pro 軟件中的Histogram 函數(shù)進(jìn)行頻數(shù)分布特征分析[10]。以工業(yè)區(qū)站點(diǎn)甲醛濃度為例，其頻數(shù)分布如圖1 中灰色陰影所示。進(jìn)一步利用正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布這兩種理論分布模型，對(duì)其進(jìn)行概率分布擬合分析。從擬合結(jié)果來(lái)看，對(duì)數(shù)正態(tài)分布能夠更好地反映大氣羰基化合物的濃度分布特征。

圖1 工業(yè)區(qū)站點(diǎn)甲醛濃度頻數(shù)分布圖

這項(xiàng)實(shí)踐內(nèi)容可以使學(xué)生加深對(duì)總體分布特征、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，并且能夠自主利用軟件實(shí)現(xiàn)概率分布擬合分析，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生直觀感受到數(shù)據(jù)分析的現(xiàn)實(shí)性和實(shí)用性。

3.2.3 異常值檢驗(yàn)

通過(guò)概率分布擬合分析，發(fā)現(xiàn)工業(yè)區(qū)站點(diǎn)甲醛濃度頻數(shù)分布接近對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此將數(shù)據(jù)先進(jìn)行正態(tài)變換，變換公式為X’=ln(X)。式中，X 為大氣羰基化合物原始觀測(cè)濃度，X’為取自然對(duì)數(shù)之后的濃度。然后進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，顯著性水平α 確定為0.05。統(tǒng)計(jì)假設(shè)的原假設(shè)H0為可疑值但不是異常值，對(duì)立假設(shè)H1為可疑值且為異常值。首先將最極端的數(shù)值（即最大值和最小值）作為可疑值開(kāi)始檢驗(yàn)。利用Excel 軟件中NORM.DIST 函數(shù)計(jì)算出最大值、最小值的相伴概率p[11]，分別為0.011 和0.046，小于0.05，因此拒絕原假設(shè)，即在0.05 顯著性水平下，最大值和最小值為異常值；進(jìn)一步檢驗(yàn)次大值和次小值，其相伴概率分別為0.032 和0.107，次大值相伴概率仍小于0.05，認(rèn)為其為異常值，而次小值相伴概率大于0.05，接受原假設(shè)，認(rèn)為其不是異常值；繼續(xù)檢驗(yàn)第三大值，其相伴概率為0.068，大于0.05，認(rèn)為其不是異常值。

異常值檢驗(yàn)不僅能讓學(xué)生練習(xí)數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常值檢驗(yàn)和相伴概率計(jì)算的具體步驟，而且能加深對(duì)假設(shè)檢驗(yàn)的一般步驟、統(tǒng)計(jì)假設(shè)、顯著性水平等知識(shí)點(diǎn)的掌握、理解和應(yīng)用。

3.2.4 總體大小比較

為了使學(xué)生理解并掌握總體大小比較方法及其選擇依據(jù)，設(shè)計(jì)了如下練習(xí)題目：判斷城區(qū)和工業(yè)區(qū)站點(diǎn)羰基化合物濃度是否存在明顯差異。

考慮到羰基化合物濃度符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，能夠進(jìn)行正態(tài)變換，因此在進(jìn)行總體大小比較方法選擇時(shí)，優(yōu)先選擇檢驗(yàn)功效更高的參數(shù)檢驗(yàn)方法，即t 檢驗(yàn)。另外，使在兩個(gè)站點(diǎn)的相同時(shí)刻采集的樣本構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)的個(gè)體，采用成對(duì)數(shù)據(jù)t 檢驗(yàn)進(jìn)行大小比較。統(tǒng)計(jì)假設(shè)的原假設(shè)H0為城區(qū)站點(diǎn)和工業(yè)區(qū)站點(diǎn)甲醛濃度不存在明顯差異，對(duì)立假設(shè)H1為兩站點(diǎn)甲醛濃度存在明顯差異。顯著性水平確定為0.05。利用Igor Pro 軟件中Analysis—Statistics—Two Sample Test 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)成對(duì)數(shù)據(jù)的t 檢驗(yàn)[10]。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t所對(duì)應(yīng)的相伴概率為0.008，小于0.05，因此拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為在0.05 的顯著性水平下，兩站點(diǎn)甲醛濃度存在顯著差異。

3.2.5 相關(guān)分析

分析以往教學(xué)中相關(guān)分析的統(tǒng)計(jì)假設(shè)和方法選擇考試出錯(cuò)率較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了如下練習(xí)內(nèi)容：為初步判斷大氣羰基化合物的來(lái)源，探討工業(yè)區(qū)站點(diǎn)甲醛和乙醛濃度是否具有共變關(guān)系[7-8]。

羰基化合物濃度數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)變換，故選用參數(shù)檢驗(yàn)方法（Pearson 相關(guān)系數(shù)法）進(jìn)行相關(guān)分析，以充分利用數(shù)據(jù)信息，提高檢驗(yàn)功效。統(tǒng)計(jì)假設(shè)中H0為甲醛和乙醛濃度不相關(guān)，H1為二者顯著相關(guān)。利用SPSS 軟件實(shí)現(xiàn)Pearson 相關(guān)分析，具體步驟為“分析—相關(guān)—雙變量—Pearson 相關(guān)系數(shù)”[12]。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Pearson 相關(guān)系數(shù)r 為0.941，在0.01 水平上顯著相關(guān)，因此作出甲醛和乙醛濃度具有顯著共變關(guān)系這一判斷。

3.3 實(shí)踐教學(xué)效果

在這一實(shí)踐教學(xué)案例中，設(shè)計(jì)了針對(duì)課程6 大類(lèi)理論知識(shí)，共20 個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)的練習(xí)，覆蓋課程教學(xué)大綱中約70%的內(nèi)容，詳見(jiàn)表1。另外，在實(shí)踐教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生使用了3 個(gè)常用的數(shù)據(jù)分析軟件，掌握了9 項(xiàng)重要的軟件使用技能。

表1 實(shí)踐教學(xué)案例中涉及的主要知識(shí)點(diǎn)及技能練習(xí)

學(xué)生在這一實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)對(duì)實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，加深了對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、方法的掌握，提高了應(yīng)用能力，并對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)分析有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，大大提升了學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生需求，探討了“數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)模式改革，提出以實(shí)用性為核心，理論與實(shí)踐并重的教學(xué)模式。在新的教學(xué)模式中，弱化理論推導(dǎo)，加強(qiáng)案例討論，增加軟件使用等技能練習(xí)，并結(jié)合環(huán)境科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)了實(shí)踐教學(xué)方案。這不僅使學(xué)生提高了分析解決問(wèn)題的能力，而且挖掘了專(zhuān)業(yè)潛能，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)。