新农科背景下植物保护专业生物统计学课程实践教学改革

2023-06-07杨娟张静柔彭莉莉马仲辉郑霞林梁微邓文徐炯志邹承武

广西农学报 2023年1期

杨娟张静柔彭莉莉马仲辉郑霞林梁微邓文徐炯志邹承武*

（1.广西大学农学院植物科学国家级实验教学示范中心，广西南宁 530004；2. 广西大学教务处，广西南宁 530004）

2019年6月，《安吉共识——中国新农科建设宣言》中提出了“四个面向”的理念［1］。各农林高校为了培养适应社会经济发展要求的新型农林人才，将新农科建设付诸于具体行动，从八个新措施深化高等农林教育改革，内容涉及新型人才培养［2，3］、专业优化［4］、课程改革创新［5］、实践基地建设［6］、协同育人［7］、创新创业师资培育［8］、专业认证［9］和开放合作［10］等。为响应教育部对于新农科建设的号召，培养符合时代发展要求的农科专业人才，广西大学农学院植物科学国家级实验教学示范中心积极推动本科课程教学改革，理论、实践两手抓，鼓励教师运用现代化的慕课、微课、翻转课堂和虚拟仿真等教学模式，创新教学理念［11］。其中，作为改革的重要课程之一的生物统计学是植物保护专业、农学专业和园艺专业的学类核心课，设置48学时，占3个学分。该课程主要培养学生正确选择和应用统计方法解决科学研究中遇到的问题［12］。通过该课程的学习，学生熟知试验研究的方法，为后续毕业设计及科研工作打好基础，培养学生独立解决问题的能力以及科学素养。这是每一位农业技术人才必须具备的技能。［13］但是，目前的生物统计学课程无论教学资源还是教学手段都很难满足“新农科”建设对于人才培养的需求。本文通过调研分析当前生物统计学课程教学中存在的一些突出问题，引入“翻转课堂+虚拟仿真实践”的方式，结合学校的课程中心在线应用，以短小精悍的视频资源阐释生物统计学课程的重点、难点，让枯燥乏味的理论和概念可视化，引导学生带着问题利用互联网进行主动学习，进行“翻转课堂”；并设计虚拟仿真实验，让学生在线进行试验设计、收集试验数据，进行统计分析，提高学生学习效率。

1 课程教学存在的主要问题

生物统计学是应用性很强的一门课程，通过问卷调查的方式对刚完成生物统计学课程的本科生进行调研，主要包括了解学生对于课程的学习目标、教学模式、教学手段、教学安排、学习能力、考核方式、课程学习效果等的需求和评价，探讨生物统计学课程教学过程存在的主要问题。

1.1 教学手段单一，课程内容枯燥，学生缺乏学习兴趣

在调查生物统计学课程目前存在的主要问题时，70.91%的学生认为最主要的问题是课程的教学手段单一，缺乏案例教学，部分课程内容比较难于理解和熟练掌握；58.18%的学生认为最主要的问题是课程的互动环节较少，学生参与课堂的积极性不高；49.09%的学生认为问题在于课程内容枯燥，专业术语和概念多且难理解，数据分析和计算过程复杂，不能激发学生的学习兴趣，自主学习的积极性和自觉性不够；30.91%的学生认为问题在于传统的“填鸭式”教学缺乏吸引力。信息化时代获取知识的渠道多种多样，“填鸭式”教学已经不能满足当前的教育教学需求，应该广泛利用“互联网”思维，将多媒体教学、翻转课堂、PBL教学和慕课教学等方法和手段融入课堂，提高学生的学习兴趣、学习效率和学习效果。

1.2 偏重理论学习和计算过程，缺乏解决问题为导向的实践训练

在调查学生通过学习该课程希望获得的能力时，90.91%的学生希望掌握常用的试验设计方法；85.45%的学生希望掌握生物统计学的基本方法和原理；92.1%的学生认为生物统计学课程学习难度大，其中统计方法的应用是比较难掌握；81.82%的学生希望能熟练使用统计学软件收集、整理和分析数据，解决实际问题。生物统计学具有非常强的理论性和实践性，但是在教学过程中往往注重理论知识的学习，强调数据分析和计算过程，而容易忽视对学生利用统计学知识解决实际问题能力的培养，缺乏解决问题为导向的实践训练。

1.3 统计软件使用能力弱，教学与实际应用脱节

生物统计学的应用性非常强，强调理论、实践和统计软件三者之间的结合。学生的毕业论文（设计）的数据处理过程大多需要生物统计学知识的支撑。但是传统的生物统计学课程由于学时有限，教学以理论学习为主，缺乏统计软件的学习和上机训练。同时，学生掌握的纯手工的数据分析和计算过程，效率太低，在实际工作中无用武之地，最终导致理论教学与实践应用脱节。［14］

2 构建“翻转课堂+虚拟仿真实践”的教学改革模式

针对生物统计学课程教学过程中面临的急须解决的问题，尝试从改革教学模式和教学方式、调整和优化教学内容等方面进行探索。

2.1 设计“翻转课堂”的教学方案

抽样实验、假设检验、方差分析、参数估计和多元统计分析等作为生物统计学的基本原理和方法，在国内外发表的学术论文中普遍使用。［15］根据其难易程度和实用性，合理分配学时，做到重点突出，强调应用性、实践性，设计教学方案，精心编排“翻转课堂”的课前、课中和课后三个环节的内容和表现形式，优化教学流程和师生互动形式，采用启发式、讨论式和参与式等多种教学方法，并将课程电子教案、教学课件及教学录像上传至广西大学慕课学习中心，供学生课前和课后预习和复习。利用慕课学习中心将这三个环节有机地融合在一起，让师生能够轻松参与、轻松学习和轻松互动。“翻转课堂”的教学模式图如图1所示。

图1 “翻转课堂”的教学模式图

2.2 教学视频制作和搜集

在设计“翻转课堂”的教学方案时，根据生物统计学课程各知识模块，将每个模块分为“知识点介绍+案例讲解+解题思路+思考题”四个部分，有针对性地制作时长约为10 分钟的课程视频，在视频中抛出学习问题，用于引导学生自主学习。同时，搜集其他高校的优秀教学视频资源，与团队制作的教学视频一并上传至本校的课程中心网站，供学生利用网络教学平台进行学习。

2.3 典型案例教学

将教师已经公开发表的科研成果作为典型案例教学，将其引入“翻转课堂”中，可以在教学过程中使课程内容表现形式更加生动，加深学生对知识点的理解。而将这些典型案例放在广西大学慕课学习中心，可以帮助学生在课前预习加深理解。同时链接其它同行网站，这些网站上也有很多典型案例，将理论与实际相联系，易化教学中的难点与重点，以提高其分析数据的能力。例如以下案例：“以抗黑穗病和感黑穗病的某甘蔗品种作为亲本进行杂交，在F1代共得1298 株，其中抗黑穗病418 株，感黑穗病880株。问实验结果是否符合一对等位基因的遗传规律？针对这一问题，教师要求学生先思考和讨论，可以参考教材，也可以利用网络查找资料，通过自主学习和小组讨论，从不同的角度选择适当的方法解题，然后在课堂上通过PPT讲解的形式展示解题思路，教师根据学生解题的情况做总结和知识点拓展。这个案例的巧妙之处在于，甘蔗遗传背景复杂，很多性状的遗传并不服从孟德尔的基因分离定律，要解决这个案例提出的问题，首先要熟悉一对等位基因的遗传规律，在统计分析过程中既可以使用单个百分数资料的差异显著性测验方法，也可以使用卡方检验方法，解题方法具有灵活性。学生通过思考、分析、讨论、计算和课堂交流，不但掌握了单个百分数的差异显著性测验方法、卡方检验等统计分析方法和公式的正确使用，而且还增强了对生物统计学在遗传学相关研究中的应用的理解。通过以典型案例为引导进行翻转课堂教学，既带动了学生分析和讨论问题的积极性，又发挥了学生的主体作用，提高了学生运用生物统计学知识分析科研问题的能力，培养了学生对科学研究的兴趣。

2.4 虚拟仿真模拟实践教学：甘蔗梢腐病的病害调查及统计分析

生物统计学教学通常以已经获得的数据和结果为例进行教学，未能让学生通过自主实践获得进行数据搜集、整理、分析和推断的机会，造成教学与科研应用脱节的问题。［16］因此，设计了针对农科专业的虚拟仿真实践教学环节，该内容主要以重要经济作物甘蔗上的真菌性病害甘蔗梢腐病为例，该病害具有从甘蔗苗期至成熟期均可发生的特点，病原菌较复杂，超过4种镰刀菌可引起该病害，病害严重程度和症状表现多样，在常规的实验教学过程中受到时空的限制和实验教学时间成本的限制，无法安排田间病害调查和统计分析实验，药效防治效果调查等内容。为了解决上述问题，提高教学效果，采用“线下线上结合”和“能实不虚，虚实结合”的原则，根据课程内容制作甘蔗梢腐病发生和防治虚拟仿真场景，使学生可通过人机互动浸入式模拟病害调查和防治，熟悉甘蔗梢腐病的病害调查及统计分析方法，掌握化学药剂防治甘蔗梢腐病的田间试验方法和防治效果统计分析，提高学生的课堂学习兴趣，同时可记录学生的参与情况和评价学生的学习效果，有利于进行针对性的教学辅导。

实验场景为甘蔗地，设定甘蔗的品种及梢腐病发病植株数量。甘蔗梢腐病发病时期实验者可以自行选择，不同甘蔗生育期梢腐病的发病率和甘蔗被害程度不同。不同生育期发病率设置为：苗期（感病品种发病率40%左右，抗病品种发病率2%左右）、分蘖期（感病品种发病率60%左右，抗病品种发病率5%左右）、拔节期（感病品种发病率80%左右，抗病品种发病率10%左右）、成熟期（感病品种发病率80%左右，抗病品种发病率10%左右）。

甘蔗梢腐病的病害调查及统计分析虚拟仿真实验的操作流程为：进入甘蔗梢腐病的病害调查及统计分析界面→进入甘蔗地→选择甘蔗生育期→设定调查标准地3块，每块面积为2000 m2→在每块标准地内按照对角线抽样法抽查30株甘蔗→统计每株甘蔗的发病情况及被害程度，调查结果填写到表中 →计算为害程度→撰写实验报告→提交实验报告。

2.5 强化基于统计分析的实践过程

生物统计学在实际应用中离不开统计软件的使用，而常用于教学的软件主要有Excel、SPSS、SAS和DPS［17］。在“互联网+翻转课堂”教学实践中，将专业课案例、科研案例与生物统计学教学有机的结合起来，给学生提供专业相关的案例和数据，抛出科学问题，让学生分成若干小组，自主选择不同的统计分析软件，利用互联网搜集资料进行自主学习，用统计软件对数据进行整理和分析，解决科学问题，然后在课堂上讲解并演示统计软件的使用，讲解解决问题的过程和收获，最后由教师进行点评。同时，各学习小组将统计软件的讲解课件、数据资料在课程学习交流的QQ群上共享，供小组之间互相学习和使用，不但可以丰富教学内容，使学生能够掌握使用统计软件的基本技能，而且也可以激发学生的学习兴趣。

3 生物统计学课程教学改革的成效

3.1 增强了学生学习生物统计学课程的兴趣和学习的能力

从本校农科类专业2017级开始，使用“翻转课堂+虚拟仿真”教学方案进行教学改革与实践，并对学生进行教学效果调查。在调查通过统计软件的辅助教学后提升了哪些能力时，63.64%的学生认为提升了分析问题的能力，54.55%的学生认为提升了学习能力，45.45%的学生认为提升了思考问题的能力，41.82%的学生认为提升了解决问题的能力，学习效果较好。

3.2 提高了学生利用统计软件整理和分析数据的实践能力

在“互联网+翻转课堂”教学实践中，借助虚拟仿真的形式给学生提供专业相关的案例和数据，以解决科学问题为导向，让学生学以致用，用统计软件整理和分析数据，最终解决科学问题，改变了传统的填鸭式的教学方法和模式。94.55%的学生表示喜欢翻转课堂辅助教学，50.91%的学生认为通过该课程的学习，激发了学习和探究的兴趣，延伸了该课程的学习时间，提升了统计软件的实际操作能力和独立解决科学问题的能力，巩固了学习效果。学生在开展本科毕业论文课题研究期间，能熟练运用所学的生物统计学相关的知识和原理进行试验设计和统计分析，解读实验结果的能力也得到明显提升，显著提高了学生的实践能力。近几年广西大学农学院植物科学国家级实验教学示范中心本科生发表的学术论文30多篇。此外，学生根据课堂内容，自主设计了统计分析、概率分析校正和假设检验计算器等软件3个，并申请了相应的软件著作权。