SAS軟件在“生物統計學”教學中的應用探索

王 英，朱 穩，陶 均

（海南大學 熱帶農林學院，海南 ?？?570228）

“生物統計學”是我國高校農學、植物保護、園藝等植物生產類本科生專業的學科基礎課，也是生物科學、生物技術、食品、海洋等相關專業本科生的專業必修課，設置該課程目的培養植物生產類、生物科學類本/?？茖W生具備合理的試驗設計能力與科學的統計思維方法，并能綜合運用所學的生物統計學原理和方法，指導學生較好地解決其在畢設試驗、科研與生產實踐中可能面臨的眾多問題。隨著大數據時代的來臨，數據挖掘對各學科發展的推動作用尤為重要［1］。系統掌握生物統計學知識已成為當代農學類、生物類科研工作者必備的專業素養與能力，該學科在人們科研工作中占據著重要的地位。數據處理的技術與藝術在生物學發展中的需求越來越高，生物統計學在學科人才培養中的地位也愈加重要［2］。由于該課程是將數理統計的原理與方法應用在生物學研究領域，屬于應用數學的范疇，具有較強的應用性，故對于植物生產類、生物學類等專業多數師生而言，教與學的難度均較大。

一、在傳統的“生物統計學”課程教學中出現的主要問題

傳統“生物統計學”的教學普遍存在重理論講解、輕實踐操作等問題。首先表現為學生對課程理論知識較難掌握：由于“生物統計學”的相關理論和分析方法大部分都是建立在較為抽象的科學假設基礎上，如在學習“統計推斷”時，學生要能較好掌握統計推斷，不但要清楚統計推斷概念與過程，還須知道對試驗資料進行統計推斷的2個前提條件。另外，與植物生產類、生物學類其他學科基礎課或專業必修課相比，由于生物統計課程內容涉及的概念、統計符號及計算公式多，分析過程復雜，多數學生普遍反映生物統計是一門比較難學的課程。其次為手工分析相應試驗數據時具有計算量大、過程煩瑣并且容易犯錯、效率低的劣勢：無論是針對樣本資料進行描述性統計部分的數據整理，資料集中性與離散趨勢的特征值計算，還是進行推斷統計部分的方差分析及協方差分析，均涉及大量煩瑣的公式及其相應的計算推導步驟。在以往傳統教學時，教師大多通過舉例詳細解析，以期讓學生更好地理解并掌握各種統計計算的涵義，及其所能解決的問題的教學目標。而現實卻是教師針對每種統計分析方法講解一個例題，不僅耗時較長，而且部分學生對相應知識的掌握情況也不全面，很難實現預期的教學目標。再者是課程設置上缺乏試驗、實習等實踐教學環節，形式單調：傳統“生物統計學”的教學比較注重于對理論知識講解，教師在教學過程中更側重于將各種統計分析方法涉及的概率論、相關數理統計的原理與方法講解透徹，普遍采用多媒體和板書結合的教學方式，以PPT展示教學內容、課堂理論知識講解和公式板書推導計算為主，輕視了實踐操作。絕大部分學生通常對本課程的學習模式為課堂做筆記、課后做點練習題，不能較靈活地掌握和應用各種統計分析方法，以致他們掌握的各種計算方法在進行實際的數據分析處理時并不實用，尤其表現在面對大量的畢業論文數據要進行分析時出現了無從下手的現象。

基于本人在多年本科生物統計教學過程中收集到學生對自己在該課程學習中存在問題、困難的反饋，多數學生都認為常用的各種試驗設計方法容易理解掌握，但自己在數據處理分析方面就表現出能力不足或者說數據分析成為個人的短板，具體表現為：在課堂上聽教師講解各種常用的試驗設計資料的數據統計方法時，個人覺得比較簡單，但自己在面對不同試驗數據需要選擇適當的檢驗方法并進行相應統計分析時卻出現了一定的困惑。經常有畢業班本科生甚至在讀研究生反映：自己以前在對該課程學習時重視度不夠，感覺該課程教學設計過于偏重于基礎理論，比其他專業課程學習難度大又枯燥，學習收效欠佳，特別是個人并未系統學習過一些較好的統計分析軟件，或者在本科階段接觸到統計軟件實用性欠缺，從而造成了學而無用的感覺。

二、調整優化課程設置與教學內容，增設軟件操作實踐環節

針對以上問題，我校已對2020級農學本科生的“生物統計學”課程進行了改革。首先，根據海南大學作物學一流學科建設要求及農學一流本科專業發展的需要，對標國內一流農業大學專業課程設置，我們將課程改名為“生物統計與試驗設計”，在原來專業必修課的理論教學48學時的基礎上，增加16學時的獨立試驗課及1周的課程實習周，由原來“理論教學”一個環節3學分調整到“理論+試驗+實習”三個環節共4.5學分。其次，我們已經嘗試在理論課“生物統計與試驗設計Ⅰ”的基礎上，開展“生物統計與試驗設計Ⅱ、Ⅲ”實踐教學，增加了統計軟件上機應用的實踐環節，并且選擇了在國際上最為權威的統計分析軟件SAS（Statistical Analysis System）作為教學軟件。我們選用SAS軟件主要有以下三個方面考慮：一是SAS軟件在工業界、學術界和科研領域應用非常廣泛，統計功能齊全，操作界面直觀，程序模式化，生物學類、植物生產類的本科生畢業后在農業科研領域，或讀研究生深造時應用的概率相對比較高。二是我校本科“生物統計與試驗設計”課程選用的教材是蓋鈞鎰主編的《試驗統計方法》（第4版），該教材中所有的例題均在附錄部分附相應的SAS程序［3］。另外，我們選用唐燕瓊主編的《SAS統計分析教程》作為學生課外自主拓展學習的教材，可滿足部分學生的深入學習的要求［4］。三是SAS是模塊式結構軟件，用SAS軟件進行數據統計分析時，可直接調用，它把數據管理與數據分析融為一體，相比其他統計軟件是最能體現各種試驗設計的統計分析學原理，更有助于學生加深對相應理論知識的理解與掌握。

三、調整優化后的課程對學生平時學習方式與課程考核的要求

在課程教學內容設計上，我們將部分SAS實踐內容和相應的理論教學內容整合在一起講授，并設立了獨立試驗課來上機實踐，主要采取在機房教師集中講授示范、學生個人上機操作方式進行實訓練習，同時提供軟件和教學相關例題的SAS程序、SAS教材等作為參考，讓學生直接在自己的電腦上安裝運行程序，鼓勵學生在機房直接完成本次試驗教學的SAS上機練習，課后在個人電腦上使用SAS軟件完成部分理論課程的作業。

課程加入SAS軟件的教學內容后，考查形式也是需要探討的問題。由于本課程教學開設的對象是本科生，因此我們在課程設計時，針對SAS軟件分析部分的知識考查僅限于基礎知識方面。由于SAS程序是由數據步和過程步兩部分構成。對于學生而言，數據步易于掌握與理解，而對于過程步則要記憶較多的過程名及選項，故我們在考核時強調學生要著重掌握與各章節理論教學重點有關的常用過程名及選項的正確調用及英文寫法。另外，由于“生物統計與試驗設計Ⅱ”是門獨立試驗課，16學時，故目前我們將試驗課考查內容暫時與48學時理論課進行整合，以試卷形式一起進行期末統考，僅在試驗課結束時以“選擇、改錯”等客觀題型為主進行一次隨堂測試。我們對SAS軟件實踐教學重點考查的內容有：（1）SAS程序的編寫規則；（2）常用的統計分析方法的SAS實現，如調用MEANS過程或TTEST過程進行t檢驗，FREQ過程進行頻數統計及卡方測驗等，用ANOVA 過程或GLM過程進行方差分析，用REG、GLM、CORR等過程進行線性回歸與相關分析等，用GLM過程進行協方差分析等；（3）對常用的試驗設計數據資料的SAS 運行結果的正確解析，例如，根據線性回歸模型GLM的SAS運行結果，學生們要能判定回歸關系是否顯著，正確讀出回歸系數，寫出回歸方程，明確決定系數及其統計意義或計算相關系數等。

在課程實習時，課程教學團隊根據教學內容結合實際情況，先制定出實習內容，針對“作物研究論文調查、不同豆類施肥方案的設計與實施”采用分散實施，“科研項目實施報告與參觀學習”采用集中實施。通過“作物研究論文調查”實習，我們要求學生通過檢索、閱讀相應文獻，要了解科研論文查詢的方法，論文中所采用的試驗設計方法與統計分析方法，記錄主要研究成果。并能利用SAS軟件對論文中所采用的試驗設計方法與統計分析方法進行匯總并繪制圖表。通過“不同豆類施肥方案的設計與實施”實習，我們要求學生掌握試驗方案設計的原理和要求、試驗方案設計的過程，設計合理的試驗方案并實施，定期對試驗指標進行觀測，并在試驗結束后對資料進行正確SAS統計分析得出科學結論。通過在校內相對集中進行“科研項目實施報告與參觀學習”，要求學生通過學習專家報告內容、參觀項目田間試驗，了解科研項目完整的實施過程與科研工作的原則和要求。通過參觀，了解科研項目中使用的試驗設計方法和統計分析方法。

四、調整優化后的課程教學效果

經過本次在我校2020級農學專業進行課程實踐以后，我們發現絕大多數學生認可“理論+試驗+實習”這種課程設置，并對“理論學習+上機軟件試驗”授課模式的接受度較高，主要體現在以下三方面。

1.學生對學習該門課程的畏懼情緒得以減輕。自主學習本課程的積極性在一定程度上得以明顯提高。針對課程SAS上機實踐教學內容，我們編寫了試驗教案并對相關SAS程序進行了詳細解釋，在班群里上傳SAS安裝軟件，試驗教學PPT，要求學生在上機實踐前先預習試驗內容，并且在個人電腦上安裝SAS軟件。因此，部分學習積極性高的學生是帶著問題進入實踐課堂的。在課堂上，教師除了介紹各種常用的試驗資料基本的SAS運行程序外，還進行現場上機練習，輔助以個別指導、答疑，有效地減輕了學生對該課程學習的畏懼情緒。另外，在課程實習課上，學生們通過自主設計并實施試驗后觀察試驗指標，分析試驗數據等系列實踐操作，增加了課程的參與度，提高了學習興趣。

2.“生物統計學”與專業課程相互融合。我們在教學過程中注重引導學生學以致用，讓其將本課程學到的試驗設計方法及其統計分析方法應用到專業相關的試驗課程中，如作物栽培學、育種學、種子學等課程試驗。例如在進行種子耐鹽篩選試驗時，由學生討論該試驗的研究因素與處理，試驗觀察指標與觀察要求，可能導致產生試驗誤差的原因，并確定可以通過貫徹局部控制原則進行控制的系統誤差等，由每個小組負責學生匯總并作決定，各小組自設計出試驗實施方案并執行，進而利用SAS軟件對試驗數據進行相應分析得出科學結論。經過類似的實踐，相關課程教師反映，這種做法有效地提升了大多學生對其他相關專業課程的學習興趣與科學思維能力。

3.學與研相互融合。因為該課程的應用性強，要求生物學類、植物生產類的學生不僅能夠“會讀書”，正確地理解并掌握基礎知識，還要求其“能動手”靈活應用所掌握的知識來解決在科研與生產實際中碰到的科學問題。因此，教師通過課程教學過程發現一些分析問題與解決問題綜合能力較強、學有余力的學生，可以推薦這部分學生盡早加入學院的科研團隊里，讓其參與到學科科研團隊的科研項目中，也可鼓勵組織學生通過申報、參加院、校、國家級大創項目?？傊?，通過課程教師的理論與試驗教學引導結合學生試驗與科研實踐探索等多種形式，提升學生的綜合能力，幫助其建立科學的思維方式，而且可以引導其選擇進一步深造尤其是報考本校研究生，從而為促進學科建設與發展吸收新鮮血液。

五、在調整課程結構后教學實施過程中存在的問題及對策

盡管SAS軟件作為強有力的統計分析工具，早在眾多領域被國內外科研工作者廣泛地接受并使用，但對于本科生而言，特別是包括農學、植物保護、園藝等植物生產類的本科生，在學習SAS軟件進行數據處理過程中存在一定障礙。這就需要教師在教學過程中，特別注意：雖然SAS程序模式化，但對于農學、植保等植物生產類的本科生來說，程序編寫顯得不易掌握；SAS軟件是全英文界面，在編寫程序及查看運行結果時，大多學生英文的詞匯量有限是又一個障礙。針對這一現狀，我們在平時講授理論課時，也注意加強對相關生物統計專業術語、統計分析方法等英文詞匯的學習與使用，并向學生提供詳細的SAS程序中文參考教材、講義，幫助他們克服這類學習障礙。同時我們在試驗教學過程中充分與其理論教學相結合，讓學生在識記常用的一些統計分析過程名及選項后，了解各種統計分析方法的SAS過程步的通用格式，通過對過程步中的class語句、var語句、model語句解釋、變換練習，并讓學生自行嘗試使用excel等其他工具完成同樣任務進行比較等多種方式加強理解與掌握。同時強調SAS軟件進行方差分析多重比較的輸出結果時，輸出顯著水平為0.05和0.01的差異性均以大寫字母表示，要求學生在查看運行結果時要注意顯著水平，在實際抄寫結果時要將顯著水平為0.05標記字母結果改為小寫字母等。通過在機房教師親自指導，學生上機實踐，便可以舉一反三，提高學習效率。

總之，隨著生物學研究的不斷精細化，人們已深深意識到加強對學生進行“生物統計學”相關理論知識和試驗及數據處理分析技能的培養重要性。目前國際上已有SAS、SPSS、DPS等多種統計軟件及R語言在生物統計學上的得以廣泛應用［5］。其實，不同軟件各有其獨到之處，但也難免存在不足之處。在生物統計教學中，我們可以根據所處理問題的性質、試驗目的及現有的教學條件來選擇合適的統計軟件來進行，以期為進一步提高學生對試驗數據處理與分析的能力，為促進雙一流高校培養本科人才質量，培養出更多符合社會發展需要的復合應用型人才。