现代信息技术与生物统计学课程深度融合的研究与实践

唐映红 李 辉 刘良国 杨友伟 万海清

（湖南文理学院生命与环境科学学院，湖南常德 415000）

1 生物统计学的课程教学现状及研究意义

1.1 生物统计学课程的基本特点

生物统计学是具有较强理论性和实践性的前沿交叉学科，是许多高校农学类、生物类、医学类等专业基础课程，是生命科学领域研究人员、高校教师进行研究以及学生进行毕业论文设计所必须要掌握的一门工具课程。该课程要求相关专业的学生要具备较为扎实的应用数学基础和较强的逻辑思维能力，同时对教师的教学组织能力、教学水平、授课平台和方法也有较高的要求。当前生物统计学课程教学中存在以下不足：课堂教学极易使学生在学习过程中产生视觉、听觉和思维疲劳，学习积极性不高，学习效果较差；学生缺乏在实践中反复运用和检验相关知识的锻炼机会，不利于培养学生解决生物学实际问题的综合应用能力；传统考核方式难以检测学生对生物统计学知识的实际应用能力。如何突破生物统计学课程的抽样分布理论教学，并培养学生解决生物学实际问题的综合应用能力，已成为提高该课程教学质量的一个关键问题。

1.2 生物统计学课程教学存在的问题

1.2.1共性问题①生物统计分析软件多样，但在教学中缺少统计软件相关能力要求和内容介绍。由于教学、科学研究、毕业论文等过分依赖SPSS、R语言等分析软件来分析数据，与其他比较形象直观的课程不同，学生对生物统计学课程相关的抽样分布理论和抽样模型的理解和掌握不够，无法判断数据分析结果是否准确[1]。比如，方差分析的数据采用哪一类（Ⅰ型或Ⅱ型或Ⅲ型）分析模式进行分析是恰当的。方差分析应用SPSS 等软件分析的前提是必须弄清楚所有数据分析模式，了解清楚后所有的数据都可以用Excel 平台完成，甚至用WPS 平台都可以完成。②生物统计学课程的原理和公式内容较多，授课中容易出现重理论轻实践的现象，学生普遍感觉课程内容难度较大，不易掌握，从而产生畏惧心理[2]。③课程考核采用以闭卷考试为主的传统考核方式，使得学生只注重应付期末考试，而忽视了知识的掌握与实际应用，已经无法适应目前素质教育的培养要求[3]。

1.2.2个性问题除了上述普遍存在的问题，生物统计学课程还受到专业本科培养方案学时偏少限制。有限的学时解决了基础部分的理论课和实训课的教学，尤其大案例教学降低了抽样分布的教学门槛，但是应用部分的理论教学和动手能力训练还较欠缺，因此，亟待借助其他教学方式进行该课程的教学改革，为本科毕业论文或科学研究中数据分析打下全面的基础。

1.3 生物统计学课程教学改革取得的成效

目前，有较多的生物统计学领域教师尝试从课程体系、教学内容、教学方法和考核方式等方面提升课程的教学质量。国内高校课程教学广泛采用智慧课堂[4]、翻转课堂[5]、混合式教学[6]等方式，将现代网络信息技术、大数据、云平台等与课堂教学有机结合，在一定程度上弥补了传统灌输式、以教师为中心的课堂授课存在的不足，提高了课程教学质量。有研究表明，生物统计学课程宜采用无纸化考试和教考分离的方式[5]。“互联网+教育”将云计算、5G、AR/VR等信息通信新技术和雨课堂、微课、慕课、翻转课堂、SPOC 等新型教学平台和方法应用于教学各环节，从根本上改变了传统课堂中的师生地位及教与学的时空限制，使学生能在课堂之外随时复习课堂内容并与教师在线交流与讨论，优化了教育资源的合理分配[7]。雨课堂有利于课前、课中、课后教师与学生间的交流与沟通，提高了学生学习的主动性、参与度和积极性，也影响着教师的教学理念和授课模式，能够弥补传统课堂教学中的不足，在改善课程教学效率和教学效果上具有一定的推动作用[8]。研究表明，Excel 作为辅助教学软件，取得了良好的教学效果，与之前使用R 或Matlab 等统计软件的教学效果相比，学生的接受程度更高，学习积极性也更高[9-10]；使用Excel 电子表格逐步实现各种统计检验过程取得的教学效果，且其他任何专业统计软件都无法替代，为非统计专业本科阶段借助Excel 电子表格率先实现概率统计课程实训教学的宽口径模式提供了借鉴[11-12]。教学案例的选取对提高教学效果的作用非常明显，有利于学生更好地参与到教师的科研工作中，并为后续的毕业论文（设计）等提供了一定的理论基础和支持[13]。湖南文理学院该课程采用的大案例教学不同于案例教学，以一个含509 个观测值的育种材料数据资料，作为生物统计学大案例教学的母总体，解决抽样分布理论教学与实践教学脱节的问题，与现有教材中的正态分布和三大统计分布的教学内容融会贯通，重新打造了使用大案例教学的理论课基础部分教案和上机实训操作项目，将案例式教学提升到一个更高的高度，进而提升了生物统计学原理部分的教学效果[14]。基于智慧课堂的过程性评价方式能够有效提高学生对生物统计学课程的学习积极性、认知水平和应用水平[4]。

1.4 教学改革出发点

本研究根据专业认证，对生物统计学课程的教学内容、教学方式和考核方式进行改革，以大案例教学为开端，深度融合雨课堂、翻转课堂和Excel（或WPS）电子表格平台等现代信息技术，提高学生的学习自主性和学习效果，培养学生正确理解应用研究类科技文献的能力，为学生依次进行文献检索、科学研究训练、毕业论文或设计等专业学习奠定基础。

2 生物统计学课程改革总体实施方案及成效

生物统计学课程分理论课和实训课两部分内容，理论课共7 章教学内容，依次为概率及概率分布、模型与抽样分布、抽样分布及应用、试验设计、方差分析（一）、方差分析（二）及回归与相关分析，共32学时，分成三大块进行教学，即前3章采用大案例教学，第4～6章采用翻转课堂教学，第7章采用普通案例教学；实践课包括9个实训项目，利用Excel（或WPS）电子表格平台、翻转课堂教学，共16 学时，其中包含8 个课时的大案例集训项目（为纸质版试验报告），8 个课时的常规案例演练项目（为雨课堂线上试验报告）。

2.1 教学内容的改革与成效

2.1.1构建大案例教学模式大案例教学模式融合了生物统计学课程中的抽样分布理论和实践教学。该教学模式使用一个含509个观测值的育种材料数据资料，作为生物统计学大案例教学的已知总体。在课程开头基础部分的抽样分布教学过程中，将四大抽样分布理论教学与基于Excel 或WPS 电子表格的操作方法过程融会贯通。先借助Excel 数据分析软件中的“随机数发生器”进行微型化的Monte-Carlo抽样研究，将正态分布的教学重点由描述性分布拓展到了抽样分布，并跨越抽样分布的大样本模拟阶段，完成一系列抽样试验的容许范围占比分析；再进行依据三大统计分布的抽样试验与抽样误差分析，与现有教材中的正态分布和三大统计分布的教学内容融会贯通，重新打造使用大案例教学的理论课基础部分教案和上机实训操作项目，全程循序渐进安排5 个大案例集训项目，有平台、有模型、有图、有真相，实现全方位的教学互动，逐渐夯实抽样分布理论的教学梯度，进而提升生物统计学原理部分的教学效果。

2.1.2制作翻转课堂教学案例通过翻转课堂教学案例，提高学生学习自主性和解决生物学实际问题的应用能力。在基本统计方法应用的教学环节，以科研文献为基础，教师科研和生产实践为辅，制作翻转课堂教学案例，学生分组讨论，全程参与经典试验和正交试验的设计、数据资料的搜集整理，以及经典试验和正交试验数据的方差分析、回归与相关分析等，培养学生设计野外试验或调查方案、采集整理数据、分析试验或调查数据的动手能力。

2.1.3构建统一的实训教材用Excel（或WPS）电子表格数据分析软件解决抽样分布理论教学与实践脱节的问题。课程教学内容增加实训内容，按理论讲授和上机操作2∶1的学时比例进行。以大案例数据为基础，借助Excel（或WPS）电子表格数据分析软件中的“随机数发生器”进行微型化的Monte-Carlo 抽样研究实训，将正态分布的教学重点由描述性分布扩充到抽样分布，并跨越抽样分布的大样本模拟阶段，完成一系列抽样试验的容许范围占比分析，并可以让枯燥难懂的抽样分布理论课教学变得生动活泼，弥补了以往只能使用教材后的附表作为互动媒介的缺陷；再安排依据三大统计分布进行的抽样试验与抽样误差分析实训，与现有教材中的正态分布和三大统计分布的教学内容融会贯通，重新打造使用大案例教学的理论课基础部分教案和上机实训操作项目，逐级夯实抽样分布理论的教学梯度，降低推断统计的教学门槛。

2.1.4建设课程思政通过科学研究方法论的导学，择要回顾中国科学技术发展史，梳理历史上经典的试验研究过程和方法，提升探索未知、追求真理的责任感和使命感，培养科研意识和奉献精神，引导学生勤思考、多动手、走正道，解决基本统计方法的学习与训练问题。

2.2 教学方式的改革与成效

2.2.1Excel（或WPS）电子表格平台的应用Excel软件兼具计算功能，其优点是直观、受众广、操作简便，学生的接受度很高。本项目构建了统一的实训教材，不仅使用Excel（或WPS）进行统计模型的求解过程，而且使用Excel（或WPS）的分析工具库对统计模型快速获得分析结果，帮助学生延伸到其他统计分析软件的应用。

2.2.2雨课堂的运用充分运用雨课堂课前、课上和课后的功能。①课前导学：课前导学环节的主要任务是引发问题，通过雨课堂发送该次课程的案例、课件和学习任务单，敦促、辅助学生进行自主预习，以及案例讨论准备工作。②课中实践：课堂教学中，首先教师对教学知识重难点进行详细讲解，并插入课堂测验，学生通过答题进一步加强对知识的了解和巩固；然后学生根据案例进行分组讨论、分析和总结。③课后报告：一是课后雨课堂会形成课堂报告，同课后反思一起通过雨课堂推送至教师端，了解学生的学习、签到、答题情况及答题分数，综合给出平时成绩；二是课后发布线上试验报告供学生答题，实现无纸化教学。

2.2.3翻转课堂的应用学生分成小组，根据教师提供的案例，在课外进行试验设计、数据资料搜集整理、试验数据分析等。在课堂上，首先每组学生进行5 min 的PPT 汇报，然后学生互相点评，给出每组得分，最后学生以案例中的实际问题为中心展开自由讨论，提出解决问题的基本思路和方法。在教师的引导下，由学生进行总结，建构生物统计学基础知识和理论，深入理解其在生物科学研究领域中的应用价值。实训上机课堂中学生可随时交流讨论，协作完成教学内容。

2.3 考核方式的改革与成效

本课程的考核方式包括直接评价方式和间接评价方式，具体评价项目和权重如表1所示。

表1 课程考核方式及权重

2.3.1结果性评价标准期末考试采取参考答案和评分细则方式进行评价。涉及正态分布和t 分布的抽样分析题3 个，计20 分；覆盖常见概率分布及Excel（或WPS）操作部分的单选题10个，计20分；覆盖三大统计分布基础部分的显著性检验题3 个，计24分；覆盖方差分析及双变量回归与相关部分的分析题填空2个，计24分；覆盖前5章基本知识的判断题6个，计12分。

2.3.2表现性评价标准大案例集训项目的试验报告4 次，常规实例演练项目的试验报告4 次，每次均按百分制记分，试验报告作答工整、态度认真、逻辑清晰、条理分明及无明显雷同。大案例集训项目的试验报告（纸质）能够基于大数据案例，展现出对四大抽样分布理论的掌握，由于每个学生随机抽样的波动性，每个人上机操作都有各自不同的正确答案。常规实例演练项目的试验报告采用雨课堂线上形式（无纸化），能够展现出对平均数、百分数、统计次数的显著性检验原理的理解和操作技巧的掌握程度。

2.3.3过程性评价标准雨课堂答题评价方式：本课程案例教学部分的每一章按百分制设置相应的测验题，共4 次，学生在课上答题，帮助学生及时巩固所学知识点。翻转课堂评价方式：首先每组学生根据该组的案例，分别进行试验设计、单因素试验数据、双因素试验数据、正交试验数据的方差分析及相关和回归分析；然后每组学生进行5 min 的PPT 汇报，学生利用雨课堂在线互相点评并按百分制打分，所得平均分即为该组学生的成绩，另需提交以案例中的实际问题为中心提出解决问题的基本思路和方法的总结材料。

2.3.4调查问卷评价标准在课程结束之后，采用线上方式进行问卷调查，总分100分，见表2。

表2 调查问卷内容及权重

2.3.5学生综合成绩在一系列教学改革实施过程中，学生的知识应用能力和期末成绩及格率得到大幅提高。相比传统的教学和考核方式，课程教学改革后，学生的知识应用能力和期末平均成绩和及格率方面得到了显著提高（P=0.03＜0.05），学生的学习积极性和实践应用能力得到了明显加强（表3）。从期末考试成绩来看，无论是平均成绩还是区分度，教学效果都得到明显的提升，解决了以往不及格人数与90分以上人数不对等的问题。

表3 生物科学专业不同教学和考核方式下期末综合成绩统计

3 结语

在开展统计试验教学过程中，要转变师生角色，让学生成为学习的主体，教师成为教学活动的引导者与设计者。教学中教师需要充分利用现代信息技术，充分调动学生的学习积极性，转变以往被动接受知识的状态，激发学生的自主探索欲望，引导学生深入理解知识，并主动掌握知识。统计实验教学的最终目标是引导学生将课堂中所学的基础理论知识应用到实践项目当中，使学生能够熟练掌握课程内容，灵活运用，自主解决试验过程中存在的相关问题，从而更好地掌握知识点。