“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”的教學(xué)改革經(jīng)驗

［摘 要］ “生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”與大學(xué)生科研論文撰寫關(guān)系密切。為減輕學(xué)生負擔，該門課程課時數(shù)分配過少，學(xué)生難以形成完備的知識體系。教學(xué)改革應(yīng)由教育管理部門、任課教師和學(xué)生共同參與，解決課程重要性與難度較大之間的矛盾。教學(xué)內(nèi)容方面，應(yīng)當進一步擴充相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，以原始科研數(shù)據(jù)作為示范數(shù)據(jù)及案例，原理與軟件操作并重，使學(xué)生建立系統(tǒng)全面的知識體系。以生動有趣的多媒體課件精心制作和安排教學(xué)實驗，創(chuàng)造有笑聲的課堂，在愉快的學(xué)習氛圍中引領(lǐng)學(xué)生進步。

［關(guān)鍵詞］ 生物學(xué)；試驗設(shè)計；統(tǒng)計；教學(xué)改革

［基金項目］ 2018年度河南農(nóng)業(yè)大學(xué)自然科學(xué)類青年創(chuàng)新基金項目“棉鈴蟲在3種茄科植物上誘導(dǎo)性偏好的機制”（KJCX2018A12）

［作者簡介］ 李為爭（1978—），男，河南洛陽人，博士，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院副教授，主要從事應(yīng)用昆蟲生態(tài)學(xué)研究；劉曉光（1981—），男，河南漯河人，博士，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院副教授，主要從事昆蟲毒理和生理生化與分子生物學(xué)研究；那日松（1981—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院副教授（通信作者），主要從事農(nóng)藥分子合成與設(shè)計研究。

［中圖分類號］ G640 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）03-0065-04 ［收稿日期］ 2023-01-15

“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”是面向河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院制藥工程專業(yè)和植物保護專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課，理論課32學(xué)時，實驗課16學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容分為統(tǒng)計、試驗設(shè)計、SPSS軟件操作、Origin繪圖等四大模塊。與本課程類似的“生物統(tǒng)計學(xué)”“試驗設(shè)計方法”“實驗設(shè)計方法”“田間試驗與統(tǒng)計分析”等其他課程，已經(jīng)在全國眾多農(nóng)林院校開設(shè)。

一、“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”：一個經(jīng)過深思熟慮的課程名稱

在大綱擬定時，課程名稱是經(jīng)過深思熟慮的，以便促進不同專業(yè)的選課?！吧飳W(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程定名的理由包括以下幾點。

（一）試驗設(shè)計與統(tǒng)計教學(xué)內(nèi)容浩如煙海，自成體系

不同專業(yè)培養(yǎng)目標不同，生物學(xué)領(lǐng)域的統(tǒng)計方法與工業(yè)領(lǐng)域有很大差異，如生命表Cox回歸分析、聚類分析、主成分分析、劑量—反應(yīng)分析、前測—后測式配對t檢驗等在工業(yè)領(lǐng)域中的用途不廣；相反，優(yōu)選法、二階曲面響應(yīng)及運籌學(xué)領(lǐng)域的線性規(guī)劃等在生物領(lǐng)域很少應(yīng)用。我校植物保護、制藥工程、園藝、林學(xué)、煙草、土壤肥料、動物營養(yǎng)、作物育種等眾多專業(yè)均涉及“生物學(xué)”。

（二）突出試驗設(shè)計的主導(dǎo)地位

統(tǒng)計是試驗設(shè)計的基礎(chǔ)，但在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面，試驗設(shè)計比統(tǒng)計更重要。

（三）強調(diào)“試驗”而非“實驗”

課程示范數(shù)據(jù)是原始的室內(nèi)或大田生物實測數(shù)據(jù)。如果用規(guī)劃教材中“合情合理”的數(shù)據(jù)操作，容易使學(xué)生認為這門課是在玩數(shù)字游戲，過分依賴SPSS等統(tǒng)計軟件，造成“垃圾進，垃圾出”的后果。

二、課程意義：培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的樞紐性、工具性課程

無論是宏觀層面的自然生態(tài)、人文生態(tài)，還是微觀尺度的基因組學(xué)、生物信息學(xué)等，都依賴統(tǒng)計理論與實踐技能［1］。作為大學(xué)四年的終端輸出，由畢業(yè)論文可以看出本課程的地位。一篇論文由中英文摘要、引言、材料與方法、結(jié)果與分析、討論、參考文獻等6大模塊構(gòu)成。其中，中英文摘要、引言、討論、參考文獻的質(zhì)量取決于學(xué)生語言表達能力和文獻掌握情況，而材料與方法、結(jié)果與分析2個模塊均涉及“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程。熟練掌握這門科研工具性課程，是論文撰寫、生產(chǎn)實踐的樞紐，是克服學(xué)生高分低能的根本途徑，是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型及應(yīng)用型卓越人才的關(guān)鍵。為了“減負”，課時數(shù)已被嚴重擠壓，導(dǎo)致學(xué)生難以形成完備的知識體系。大部分教師或選擇性忽視聚類、判別、主成分分析、對應(yīng)分析、均勻設(shè)計等在生物學(xué)科研中的重要性，或寄希望于學(xué)生讀研階段再去掌握相關(guān)知識。如果教師借鑒的僅是適用于文科類的所謂教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生著眼點僅是學(xué)分和成績，則無從談起科技創(chuàng)新。

三、教學(xué)改革：經(jīng)驗與教訓(xùn)

（一）喚醒沉睡中的創(chuàng)新：本課程教學(xué)改革需要教育部門高度重視頂層設(shè)計

“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程有“三多”和“四難”［2］，涉及大量原理、概念和公式，單純依賴教師闡明課程意義，并不能使學(xué)生克服畏難心理。在課時大量擠壓的情況下強調(diào)突出教學(xué)重點，無異于削足適履。最理想的途徑是增加課時，建議將學(xué)時增至理論64學(xué)時+實驗32學(xué)時，最好是理論96學(xué)時+實驗32學(xué)時+大田實習2～5天，以緩解課程重要性與難度較大的矛盾。不能通過各門課程學(xué)時的均勻壓縮實現(xiàn)“減負”，需要國家級、省級和校級教育部門跨學(xué)科宏觀調(diào)控，分清主次，將相似的、識記為主的文科類課程“合并同類項”。

（二）反其道而行之：增補教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生形成系統(tǒng)的知識體系

教師應(yīng)從學(xué)生的立場看待教學(xué)內(nèi)容：“不管基礎(chǔ)如何，能否聽懂，要有系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容?！辈簧俳處熯x擇教材時有求新、求規(guī)劃、求考點的習慣，形成了“大學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差”的預(yù)設(shè)觀念。困難的內(nèi)容不一定是次要的內(nèi)容，要看其是否構(gòu)成應(yīng)用瓶頸。比如正態(tài)分布方程最初是怎么擬合的？什么是Duncan多重比較臨界值算法？正交表交互作用列如何生成？均勻設(shè)計使用表如何生成？回歸自由度與原始自變量有什么關(guān)系？多批次卡方檢驗結(jié)果怎樣合并？為什么要以α=0.05或α=0.01作為顯著性判據(jù)？向?qū)W生講透了這些原理，恰如撥云見日，能起到舉一反三的作用。

目前尚無一本教材，能將統(tǒng)計、試驗設(shè)計、SPSS、Origin、規(guī)劃求解和生物測定有機整合，尤其是沒有重視正交設(shè)計和均勻設(shè)計，教師需要參考5～10本教材才能達到要求。針對這種現(xiàn)狀，筆者指定李春喜《生物統(tǒng)計學(xué)（第5版）》和陳平雁《SPSS 13.0統(tǒng)計軟件應(yīng)用教程》為常規(guī)教材，并廣泛吸納另外幾本教材的優(yōu)秀成果，包括1983年出版的周海鈞的《生物檢定統(tǒng)計方法》、2003年出版的Gerry P. Quinn和Michael J. Keough的《生物實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析（蔣志剛，譯）》、2004年出版的Bernard Rosner的《生物統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)（孫尚拱，譯）》、2006年出版的趙選民的《試驗設(shè)計方法》、2017年出版的李云雁和胡傳榮的《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理（第3版）》等（此處特意指出其出版年份，旨在說明一些世界著名教材及老版教材，恰好能給備課教師完美的答案）。在學(xué)時分配上，在t檢驗和χ2上各投入5%的精力，方差分析、回歸分析、正交試驗設(shè)計、均勻設(shè)計各投入15%的精力，在聚類分析、判別分析、主成分分析、對應(yīng)分析等增補教學(xué)內(nèi)容上的投入各占7%。特別重視以思維導(dǎo)圖描述統(tǒng)計方法的前提、關(guān)系和邏輯。各節(jié)教學(xué)內(nèi)容方面，強化了統(tǒng)計參數(shù)的Excel算法，增補了探索性分析，強調(diào)了多因素多水平方差分析之后的多重比較制圖，弱化了方差分析和逐步回歸的分步運算，拋棄了資料組數(shù)多于兩組時的χ2檢驗的簡易算式，以及方差分析時引入矯正數(shù)的做法。

設(shè)計8個配套實驗，每個實驗2學(xué)時。包括：（1）男女時空感覺差異（獨立組t檢驗）；（2）棉鈴蟲對不同寄主葉蝶的選擇性取食反應(yīng)（配對t檢驗、單因素方差分析）；（3）Holling II功能反應(yīng)的回歸擬合；（4）學(xué)生已修課程成績分析（相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析）；（5）按GB/T 10000—88《中國成年人人體尺寸國家標準》讓學(xué)生自測身體參數(shù)，構(gòu)建男女判別方程；（6）已登記農(nóng)藥、作物、有害生物的關(guān)系（對應(yīng)分析）；（7）棉鈴蟲幼蟲飼料配方優(yōu)化（正交設(shè)計和配方均勻設(shè)計）；（8）桃蚜對不同植物氣味的趨性反應(yīng)（卡方檢驗）。

軟件教學(xué)依托Office 2019+SPSS 19.0+Origin 2018，使學(xué)生熟悉SCI論文應(yīng)用頻率較高的軟件，盡快適應(yīng)其界面并與未來科研接軌。示范數(shù)據(jù)以Excel文件存放并超級鏈接于PPT。SPSS 19.0為統(tǒng)計軟件，高版本除了界面美化并沒有太多改進，而且制圖是短板。筆者實驗過，一張5.76 MB的SPSS圖像，遠不如Origin 2018中39 KB的圖像清晰。國產(chǎn)DPS的亮點在于均勻設(shè)計、配方均勻設(shè)計和線性規(guī)劃，但其正版價格較高。Origin是編輯部有關(guān)工作人員和作者廣泛接觸的制圖軟件，能夠繪制瀑布圖、熱圖、系統(tǒng)發(fā)育樹聚類圖、多因子組箱線圖、圖形的數(shù)字化等。

（三）改進教學(xué)案例，將原汁原味的生物學(xué)科研數(shù)據(jù)作為鍛煉素材

科研案例與教學(xué)有機結(jié)合有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。選擇案例的原則，應(yīng)是“除了待講授內(nèi)容，其他一切都是學(xué)生非常熟悉的”。比較一下講授抽樣概念時的兩個案例。案例1：狼毒花是瑞香科的一種對人畜具有強烈毒性的植物，主要生物活性物質(zhì)是高分子有機酸和苯酚酰胺類。怎樣估算這種植物在鄂爾多斯市準格爾旗的種群數(shù)量呢？案例2：如何弄清自己大致有多少根頭發(fā)？案例1雖然與生物學(xué)相關(guān)，但未必人人熟悉，學(xué)生很容易被“狼毒花”“瑞香科”“高分子有機酸”“苯酚酰胺類”等陌生詞匯困擾；而案例2，學(xué)生馬上就能想出合適的方法：計數(shù)頭上單位面積內(nèi)的頭發(fā)，然后測量頭皮面積。

案例選擇優(yōu)先順序是自身器官或組織＞同班同學(xué)＞任課教師＞本校學(xué)生＞社會人士，或本學(xué)期選修課程＞本專業(yè)其他學(xué)期選修課程＞其他專業(yè)課程。教學(xué)案例有3個來源：（1）科研數(shù)據(jù)（包括教師及本課題組碩博論文）；（2）與學(xué)生選修的其他課程有關(guān)的統(tǒng)計文獻；（3）本課程配套實驗采集的數(shù)據(jù)。課前，教師根據(jù)制藥工程專業(yè)大三學(xué)生選修的“農(nóng)藥合成”“植物保護學(xué)”“化學(xué)制藥工程”“生物制藥工程”和“植物生理學(xué)”等課程，檢索相關(guān)文獻用到的統(tǒng)計技術(shù)，缺乏原始數(shù)據(jù)時可向作者請求獲取，使本課程充分滲透到學(xué)生正在學(xué)習的、比較熟悉的其他課程中。教學(xué)案例應(yīng)補充SCI論文作者的試驗設(shè)計和統(tǒng)計經(jīng)驗，因為這些論文經(jīng)受了嚴格審稿，所用統(tǒng)計方法認可度較高。例如，《農(nóng)藥田間藥效試驗準則（一）》（GB/T 17980.1～17980.53—2000）建議完全隨機化區(qū)組設(shè)計。如果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)區(qū)組之間差異顯著，那么后續(xù)多重比較怎么做？國外學(xué)者建議將每個區(qū)組中各處理觀察值折算為該區(qū)組總觀測值的百分數(shù)，再將這些百分數(shù)經(jīng)反正弦平方根轉(zhuǎn)換后進行方差分析（目前國外多數(shù)學(xué)者并不承認Duncan氏多重比較）。

教師應(yīng)用正面的引誘性驅(qū)力引導(dǎo)學(xué)生的興趣，每個案例按論文要求講述一個完整的故事。首先是目的和意義，其次是試驗設(shè)計和生測方法，再次是軟件實操（包括數(shù)據(jù)錄入習慣、探索性分析、異常值剔除、缺失值填充等），最后是主體統(tǒng)計方法操作。講授多因素方差分析時，選取的是玉米葉片損傷方式、損傷強度、誘導(dǎo)時間對葉片丁布含量的影響。首頁附加玉米螟幼蟲和丁布結(jié)構(gòu)圖，簡要介紹丁布抗蟲功能及在遺傳育種上的意義；然后概述幼蟲反吐液采集方法、丁布提取及含量分析方法等。這樣學(xué)生就能夠明白什么是原始的科研數(shù)據(jù)，并好奇地期待最終結(jié)論。如果一個案例有顯著成果產(chǎn)出，最好附加專利、論文或獎勵掃描圖，讓學(xué)生真正領(lǐng)悟課程中的“黃金屋”。

（四）引領(lǐng)學(xué)生笑起來，制作降噪PPT，活躍課堂氣氛

多媒體是高校教師一直在用的技術(shù)，但課件與視頻制作技能在教師之間差別很大。要點如下：（1）在不影響其他教室上課的情況下，讓學(xué)生笑起來。因為“笑”會提高大腦內(nèi)的啡肽含量，使思維處于活躍狀態(tài)，然后才是教師定向引導(dǎo)。要力求用精美的教學(xué)PPT征服手機游戲和網(wǎng)絡(luò)對學(xué)生注意力的吸引。原田玲仁認為，人類最敏感的視覺信息就是我們的笑臉［3］，在講授案例時通常會使用數(shù)據(jù)采集人臉信息（這些學(xué)生的碩士師兄、師姐）。統(tǒng)計圖用Origin 2018保存為emf格式，占空間極小且非常清晰，軟件界面截圖用Adobe Illustrator做矢量化處理。（2）要思考如何將復(fù)雜問題進行形象化、可視化的表達。如用坐井觀天圖展示回歸預(yù)測的范圍限制，用5%電量標志圖比喻回歸擬合時需要足夠多的觀察案例，用魚的各部位表示SPSS變量命名禁忌，用梅花鹿鹿角與大樹重合的巧合圖說明小概率事件原理。（3）杜絕動畫，最好也不使用換片動作。與教學(xué)內(nèi)容無關(guān)的動畫會降低PPT信噪比。以喬布斯式極簡風格制作PPT，正文字號24號、行距1.5倍比較理想。（4）拋棄留白原則。教學(xué)課件不同于廣告，要讓后排學(xué)生也能看清。統(tǒng)計圖表和軟件界面應(yīng)在不拉伸變形的前提下鋪滿頁面。（5）放棄2級以上副標題在每頁上重復(fù)出現(xiàn)的習慣。（6）寬敞明亮的教室、聲音洪亮的教師并不一定是優(yōu)秀的教學(xué)環(huán)境和必備教學(xué)技能。將教室調(diào)成和影院一樣的亮度，學(xué)生觀看幻燈片時才不易視覺疲勞；缺乏抑揚頓挫的持續(xù)高音極易使學(xué)生聽覺疲勞進而煩躁。

學(xué)生的笑聲創(chuàng)造活躍的課堂，教師的自主是學(xué)生笑聲的前提。教育部門應(yīng)給予教師教學(xué)方式和成績評定方面充分的自主權(quán)，靈活看待“師生互動”對知識傳播效率的影響。一些高校要求試卷題目類型≥5類，平時成績≥3類，這種一刀切的要求對“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程是不合理的。

（五）主次分明，將軟件實操微課由課堂分流到多媒體平臺

要突出課堂在提高教育教學(xué)質(zhì)量中的主要陣地作用。無法到教室上課時，高校啟動線上教學(xué)，大量多媒體網(wǎng)課平臺應(yīng)運而生。一門課使用的平臺過多、教學(xué)內(nèi)容重復(fù)放置，會給學(xué)生帶來查重的困難，尤其是無可辨識圖標的視頻?！吧飳W(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程采用“課堂+騰訊+學(xué)習通+抖音”的模式，以課堂授課為主，在無法到教室上課時使用騰訊會議（流暢度高，但文件傳輸不方便），網(wǎng)上考試用學(xué)習通，擴展內(nèi)容用錄屏工具制成微課分段發(fā)布抖音，如Origin制圖、TRIZ理論、線性規(guī)劃、病蟲害生測方法、科研案例等。

結(jié)語

“生物學(xué)試驗設(shè)計與統(tǒng)計”課程的教學(xué)問題是教師教學(xué)難、學(xué)生學(xué)習難，最根本的原因是學(xué)時少，在當前形勢下，任課教師需要努力提高自身的專業(yè)知識修養(yǎng)和教學(xué)資源的制作技能，將教學(xué)和科研有機地結(jié)合起來。教育管理部門應(yīng)當充分重視這門課的重要性，做好各學(xué)科課時分配的頂層設(shè)計，給予任課教師一定程度的教學(xué)方式自由與學(xué)習效果評定自由，進而由任課教師帶動學(xué)生，創(chuàng)造能夠產(chǎn)生笑聲的課堂，共同為培養(yǎng)新時代的拔尖型創(chuàng)新人才而努力。

參考文獻

［1］王繼蓮，卡迪爾·阿不都熱西提，李明源，等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)視角下的生物統(tǒng)計學(xué)教學(xué)改革探索與實踐［J］.生命的化學(xué)，2020，40（6）：969-972.

［2］丁軍濤，馬正海.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)改革探討［J］.科教文匯（上旬刊），2021（19）：84-86.

［3］原田玲仁.每天懂一點創(chuàng)意心理學(xué)［M］.郭勇，譯.西安：陜西師范大學(xué)出版社，2010：170-177.

Teaching Reform Experience of Experimental Design and Statistics in Biology

LI Wei-zheng， LIU Xiao-guang， NA Ri-song

（College of Plant Protection， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： The course of Experimental Design and Statistics in Biology is related closely to the dissertation writing of college students. However， as a result of" reduction of student burden， too short class hours make the students hard to format a relatively comprehensive knowledge system. The solution of the contradictory between the importance and difficulty of this course depends on the common efforts of educational administrations， teachers， and students. We should expand teaching contents， use raw studying datasets as teaching cases， pay equal attention to statistical principles and statistical software education， prepare interesting multi-medias to establish a happy classroom atmosphere.

Key words： biology; experimental design; statistics; teaching reform