生物醫學工程專業《生物統計學》軟件平臺的選擇

周到+黃敏

摘要：《生物統計學》課程是生物醫學專業的核心課程之一，但其理論性強、內容抽象、公式繁多，需要引入計算機軟件平臺來輔助教學。本文建議針對生物醫學工程專業的特點，使用Matlab軟件平臺來開發生物統計學的輔助教學演示程序。本文介紹了Matlab語言的特點和統計學相關的基本函數，通過演示分析隨機抽樣的蒙特卡洛模擬可視化程序，明確了Matlab平臺在生物統計教學中的優勢。

關鍵詞：《生物統計學》；生物醫學工程；軟件平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0050-02

生物醫學工程是生物、醫學與多種工程學高度結合的綜合性邊緣交叉學科。《生物統計學》是生物醫學工程專業的一門基礎學科，無論學生以后從事生物醫學工程的哪個領域，如基礎生物醫學研究、醫學影像或生物信號處理等方向，《生物統計學》都是必須掌握的技能。

由于生物醫學工程專業交叉廣、實用性強，所開設的《生物統計學》課程非常強調學生的動手實踐能力。隨著時代的發展，計算機的普及，《生物統計學》涉及的各種統計檢驗方法，可以非常方便地在計算機上實現。讓學生掌握如何使用計算機軟件來實現各種統計學方法和統計圖表的制作，顯得十分重要。

一、《生物統計學》軟件平臺的選擇

目前統計學相關的計算軟件平臺較多，如最簡單的Excel，更為專業的有SPSS、SAS、R等。國內各個開設《生物統計學》的院校，根據自身的專業特點，對不同的統計軟件平臺進行了選擇和描述，如中國地質大學（武漢）生物系和華南農業大學動物學院使用的是R語言[1，2]，河北農業大學農學院使用的是Excel[3]，南開大學生命學院使用的是SAS[4]等。

然而，考慮到生物醫學工程的專業特性，在先前的必修課程中（如數字信號處理等），學生們接觸過Matlab計算軟件平臺（Matlab是工程相關領域用得最多的計算軟件平臺，能快速、方便地實現各種矩陣運算，在數字信號處理、圖像處理等領域有較為廣泛的應用）。Matlab平臺也提供了常用的統計計算函數，我們認為，在32學時的《生物統計學》教學中，讓學生直接在Matlab平臺上熟悉各種統計學函數的使用、統計圖表的制作，比讓學生另外去熟悉并使用新的統計軟件平臺效率更高。因此，建議將Matlab作為生物醫學工程專業《生物統計學》的軟件平臺。

二、Matlab的統計學基本功能

Matlab的統計工具箱在統計描述、統計分布和統計檢驗等方面提供了豐富的函數。例如，統計描述函數有算術平均數（mean）、標準差（std）、方差（var）、中位數（median）、求和（sum）、最大值（max）、最小值（min）等。統計圖輸出函數有箱圖（boxplot）、正態概率圖（qqplot）、直方圖（hist）、散點圖（plot）、莖葉圖（stem）等。統計分布函數有貝塔分布（betapdf）、伽瑪分布（gammapdf）、正態分布（normpdf）、t分布（tpdf）、F分布（fpdf）、卡方分布（chi2pdf）等，將這些分布函數后半部分的“pdf”改成“cdf”、“inv”和“rnd”，分別表示為分布的累積概率、分位數和服從該分布的隨機數。統計假設檢驗相關的函數有z檢驗（ztest）、單樣本t檢驗（ttest）、雙樣本t檢驗（ttest2）、卡方檢驗（vartest）等。多種方差分析相關的函數有單因素方差分析（anova1）、雙因素方差分析（anova2）和多因素的方差檢驗（anovan）等。此外，該工具箱還提供了一些多維統計分析方法，如主成分分析法、聚類分析法等。這些函數在使用時，需要根據幫助文檔中給出的信息和例程合理選擇參數。

三、Matlab應用于《生物統計學》的教學實例

《生物統計學》的教學包含很多較為抽象的內容。例如，“抽樣分布”這一章中，光從理論上講述較為抽象難懂，學生容易產生厭倦和畏難情緒，但這樣的一個過程可以使用蒙特卡洛模擬，通過計算機來直觀地呈現給學生。為此，編寫了一個基于Matlab的模擬抽樣分布程序，學生可以選擇不同的總體、不同的樣本來考察樣本均值的分布情況。軟件運行界面如圖1所示。

該程序模擬了樣本從標準正態總體或參數為1的指數整體中，隨機抽取含量分別為5、10、20和50的樣本，抽取次數為10000次。程序將這些樣本的標準化樣本平均數以直方圖的形式輸出，在圖形上與理論總體分布進行比較，同時還計算統計量的各個特征數，如均值、方差、偏斜度和峭度，將之與理論總體的特征數進行比較。

實踐表明，用可視化交互程序能夠更加調動學生的學習積極性，對于某些積極性特別高的學生，還可以讓他們自己來搭建類似的Matlab可視化界面實現《生物統計學》的相關計算，進一步提升學生對《生物統計學》的理解和動手能力。

總之，在生物醫學工程專業的《生物統計學》教學中，使用Matlab計算軟件平臺，能夠將抽象的統計學理論和統計學實踐聯系到一起，增加學生學習的趣味性。由于Matlab軟件在生物醫學工程專業中應用廣泛，學生能夠在深入學習《生物統計學》方法的同時，進一步提升該軟件的使用方法，為日后的學習和研究工作打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]馬相如.自由軟件R及其在生物統計學教學中的使用[J].科技傳播，2010，（2）：81-82.

[2]張哲，張豪.淺談R語言在生物統計學教學中的應用[J].教育教學論壇，2013，（27）：54-55.

[3]張丹，呂海燕，張幸果，武兆云.應用Excel軟件有效提高《生物統計學》課程的教學效果[J].河北農業科學，2012，16（8）：93-95.

[4]杜榮騫.生物統計學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2014.

The Choice of "Biostatistics" Software Platform for Biomedical Engineering

ZHOU Dao，HUANG Min

（School of Biomedical Engineering，South-Central University for Nationalities，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract："Biostatistics" is one of the core courses in biomedical engineering. However，as the course contains lots of formulas and hard to understand，the computer aided teaching is necessary. In this paper，we suggested in major of biomedical engineering，Matlab should be used in teaching. We introduced the characteristics of Matlab programming and the applying on biostatistics. We programmed a visualization Monte Carlo random sampling program to show the advantage of Matlab in biostatistics teaching.

Key words："Biostatistics"；biomedical engineering；statistical software