新工科背景下《生物统计与实验设计》教学思考与改革实践

李善家 伍国强 魏明

摘要：在新工科背景下，重新审视工科专业课程框架体系十分必要。在大数据时代下，探索生命科学奥秘需要加强生物统计与实验设计课程改革。生物统计与实验设计是生命科学相关专业必修课及一门工具学科。本文结合课程改革的背景与意义，提出课程教学中存在的主要问题，对教学内容进行了优化调整，明确了教学过程中的基本原则，探索了多元化教学手段，制定了合理的考核方式，注重学生实际应用能力的培养。无论对本科生和研究生统计理念和思维的建立，还是对生命科学及复杂工程问题的解决，以及对教师改进教学、提高业务水平均具有实际指导意义。

关键词：新工科；生物统计；实验设计；教学思考；改革实践

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-7164（2021）07-0142-02

基金项目院2018年甘肃省教育科学规划“十三五”2018年度高校与职业院校课题“基于‘双创’型人才培养的生物工程专业实践教学体系探索与实践”（GS[2018]GHBBK012）。

新工科是我国高等工程教育对国际竞争新形势、国内工程教育发展新模式以及服务国家战略发展新需求而做出的符合中国特色的高等工程教育改革方案[1]。新工科主要“新”在三个方面：即对传统工科专业的升级改造，面向新经济产生的新工科专业以及学科交叉融合产生的新工科专业[2]。在这一背景下，加强工科院校专业及课程的升级改造，培养符合新工科要求的高级专门人才是当前高等工程教育改革、发展的热点与趋势。

生物统计（Biostatistics）与实验设计（Experimental Design）是对高等院校生物、食品、制药等生命科学相关专业学生具有重要作用和意义的必修课程，该课程是数理统计在生物学领域应用的一门工具学科，在面对推导公式、理解概念、分析图表、复杂计算等诸多方面，课程的教与学均存在较大难度。因此，基于新工科视角，结合课程特点，围绕创新教育理念，本文根据多年教学的经验，提出课程教学的思考，探索课程改革的前景，促进知识传授、能力培养与素质增强的有效融合，为培养满足社会需要的高级工科专门人才提供指导和思路[3]。

一、课程改革的背景意义

近年来，国外著名大学竞相成立了生物统计学系，生物统计科学研究已成为生命科学的新热点，尤其在统计遗传、生物信息、复杂性状、基因表达等领域中存在着巨大的挑战和机遇。自然（Nature）刊文指出生物統计学在揭示遗传进化的数据统计领域具有前所未有的重要意义和挑战，同时还特别提出生物统计学专业博士在面临就业方面所具有的优势与强劲竞争力[4]。生物统计与实验设计主要是研究生命科学领域生命特征、实验变异的科学，但统计学归根不是数学，它关注的是样本的变异所反映总体的特征。在生命科学体系中，学生若没学好生物统计与实验设计，对生命特征的描述和反映就会存在较大缺陷，因此生物统计在生命科学中具有无可替代的重要作用。

生物统计与实验设计的结合，主要向人们讲授科学研究的实验方法和对实验结果资料的整理分析方法，其通过对实验所获得的资料进行统计分析，最后借助数理统计理论来作出科学的推断，帮助人们认识要研究的对象，实现由样本推断实物全体的重要功能。因此，生物统计在科学研究中被誉为“科技工作者从事科学研究的工具和手段”，也是培养和提高大学生科技素质的一个非常重要的方面。目前，生物统计与实验设计的教学仍沿用传统教师讲授法，存在学生课中被动接受知识，课后习题消化课堂所学，缺乏教学互动与主动参与，学生对先修课程与本门课程的联系不够紧密，对课程的重要作用不胜了解，实践应用能力较弱等问题，因此生物统计与实验设计课程改革探索势在必行。

二、新工科背景下课程教学调整及优化

（一）调整课程教学内容框架

兰州理工大学目前采用由杜荣骞主编、高等教育出版社出现发行的《生物统计学》（第4版）作为教材，根据工具学科特点，该门课程在内容安排上注重基础理论和实践应用的结合，现阶段各类院校都在优化专业培养方案，课程学时均有一定程度的缩减，但对教学内容、知识面的要求更多更广，应根据专业特色和学生实际精选、调整并形成课程体系。在学生先修课程概率论与数理统计、线性代数的基础上对教学体系调整优化为：资料整理与特征数计算、概率和概率分布、统计推断与参数估计、方差分析、回归与相关、实验设计、统计软件等共七个部分，重点讲授生命科学统计分析中两个最重要的分支：方差分析和回归分析的理念和思想。生物统计方法重点掌握：统计推断、参数估计、单因素和多因素的方差分析、回归与相关分析；假设检验方法重点学习对平均数滋检验的u-test和t-test，对方差滓2检验的字2-test和F-test；实验设计方法熟练使用：随机区组实验设计、拉丁方设计、裂区设计、正交试验设计及其方差分析和显著性分析的多重比较方法等。课程将多元回归及复相关分析、非参数统计两章作为自学内容[5]。

（二）把握教学过程基本原则

在教学过程中，教师遵循了以下原则：概率和概率分布知识点是结合先修课程的复习与回顾，使学生建立起对基础知识的理解和巩固；统计推断和参数估计主要讲授在生命科学领域中的适用范围、案例应用及结果分析；通过方差分析与回归分析的讲授逐步过渡到现代生物学统计的核心理念和思想的建立；结合实验设计章节的内容加大对生物工程领域复杂科学问题的实验设计和统计分析，使教学内容更加适应工科院校生物专业特点；引入统计软件辅助课程教学的模式，实现理论与实践应用的融合；教学过程不再注重概念的记忆、公式的推导、计算的过程，重点在于对生物统计理念和思想的认识，对案例的分析和结果的推断；在布置课后练习作业的同时，分组安排完成对课程教学体系、章节联系、统计理念整体认识的思维导图大作业，再次巩固课程全部学习内容。通过以上教学思考与改革内容的实践应用，有助于学生加深对生物统计理论知识的认识，有助于学生对软件分析的统计结果深入理解，有助于在新工科背景下促使对这门理论性很强的课程向更加实用的工具应用学科转换。

（三）探索多元化教学手段

教师可采用Excel、SPSS、SAS、DPS、Origin等专业统计软件作为教学辅助工具，这些软件统计和作图功能强大，经过多年开发研制，便于学生使用和掌握。教师在使用统计软件时，应根据面对的科学问题或工程案例及统计理论知识，选择正确的软件统计命令，依据生物学专业角度正确分析、解释结果的实际统计意义；激发学生的学习主动性和积极性，提高学生将理论知识应用于解决实践问题的能力，教学效果明显提高，值得研究推广。计算通信技术与生物信息学的进步，极大地推动着生物统计与实验设计学科的发展。功能强大的统计学软件的不断出现，将更有利于科研人员在海量数据中发掘生命科学领域的复杂性状，进而发现生命的奥秘。在该课程中，增加统计软件的教学内容已经是新工科背景下必不可少的环节，同时适应学科和社会发展[6-7]。

（四）合理制定评价考核方式

兰州理工大学确定的课程评价方式为综合测评，要求学生从多方面完善学习内容，多角度充实目标要求以达到工程教育认证需求的课程目标，避免了学生出现期末考试突击复习、机械记忆、考后就忘的被动尴尬的学习效果，应重视过程考核，平时成绩占比为40%，包括课堂互动表现（提问和思考）、作业撰写成绩（计算和思维）、课堂笔记等；期末考试占比60%，主要考查学生对基本理念的认识与案例分析计算，不再考察概念记忆和客观题型的硬背，学生根据题型要求使用生物统计学思维和表达来完成试题，案例计算与分析注重学生对实际问题的解决能力，可以从教材和参考书中找公式或方法，但需要自己理解计算和科学推断，进一步侧重为对生命科学实际问题解决能力的考查。每学期课程团队老师都会详细总结教学工作，全面分析学生对知识的理解、掌握情況，并且提出问卷调查，学生可以对学习课程中存在的问题和建议通过问卷反馈给教师，不断优化教学效果，提高教学质量[8]。

三、教学改革的效果及意义

课程教学团队从课程基本特点和专业特色出发，基于新工科背景下人才培养的目标，遵循理论与实践相结合的原则，在生物统计与实验设计课程的教学体系、教学内容、教学方法、教学手段、考核方式等方面进行了深入思考和持续改进，改革实践效果良好，具体表现为：在经典与现代生物统计学基础上，整合教学内容，修订课程大纲，突出统计理念，分析重点难点；不断探索符合课程特色的多元教学手段，多方位教学资源，多角度阐释重点，强化应用能力的培养；将理论教学与实践应用相结合，将统计基础与实验设计相结合，提高解决专业复杂工程问题的能力；改革课程评价考核形式，让学生在相对宽松的环境下，最大限度地激发学习主动性、积极性、创造性，最终树立现代生物统计理念和思想。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（02）：26-35.

[3]王继莲，卡迪尔·阿不都热西提，李明源，等.应用型人才培养视角下的生物统计学教学改革探索与实践[J].生命的化学，2020，40（06）：969-972.

[4]Erika Check Hayden. Revealing Analysis，as the Challenges of Analysing Genomic Data Evolve，Statistical Expertise has Become More Valuable than Ever[J]. Nature，2012，482（09）：263-265.

[5]杜荣骞.生物统计学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

[6]高丽. Excel和SPSS软件辅助生物统计学教学模式的探索[J].大学教育，2014，15（09）：144-146.

[7]严明，郭淼，刘珂舟，等.对提升《生物统计学》教学效果的思考[J].教育教学论坛，2016（01）：110-111.

[8]钱森和，薛正莲，魏明，等.工科院校《生物统计学》理论与实验课程教学的几点思考[J].广州化工，2015，43（21）：208-209.

（责任编辑：胡甜甜）