新農科背景下植物保護專業生物統計學課程實踐教學改革

楊娟 張靜柔 彭莉莉 馬仲輝 鄭霞林 梁微 鄧文 徐炯志 鄒承武*

（1.廣西大學農學院植物科學國家級實驗教學示范中心，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學教務處，廣西 南寧 530004）

2019年6月，《安吉共識——中國新農科建設宣言》中提出了“四個面向”的理念［1］。各農林高校為了培養適應社會經濟發展要求的新型農林人才，將新農科建設付諸于具體行動，從八個新措施深化高等農林教育改革，內容涉及新型人才培養［2，3］、專業優化［4］、課程改革創新［5］、實踐基地建設［6］、協同育人［7］、創新創業師資培育［8］、專業認證［9］和開放合作［10］等。為響應教育部對于新農科建設的號召，培養符合時代發展要求的農科專業人才，廣西大學農學院植物科學國家級實驗教學示范中心積極推動本科課程教學改革，理論、實踐兩手抓，鼓勵教師運用現代化的慕課、微課、翻轉課堂和虛擬仿真等教學模式，創新教學理念［11］。其中，作為改革的重要課程之一的生物統計學是植物保護專業、農學專業和園藝專業的學類核心課，設置48學時，占3個學分。該課程主要培養學生正確選擇和應用統計方法解決科學研究中遇到的問題［12］。通過該課程的學習，學生熟知試驗研究的方法，為后續畢業設計及科研工作打好基礎，培養學生獨立解決問題的能力以及科學素養。這是每一位農業技術人才必須具備的技能。［13］但是，目前的生物統計學課程無論教學資源還是教學手段都很難滿足“新農科”建設對于人才培養的需求。本文通過調研分析當前生物統計學課程教學中存在的一些突出問題，引入“翻轉課堂+虛擬仿真實踐”的方式，結合學校的課程中心在線應用，以短小精悍的視頻資源闡釋生物統計學課程的重點、難點，讓枯燥乏味的理論和概念可視化，引導學生帶著問題利用互聯網進行主動學習，進行“翻轉課堂”；并設計虛擬仿真實驗，讓學生在線進行試驗設計、收集試驗數據，進行統計分析，提高學生學習效率。

1 課程教學存在的主要問題

生物統計學是應用性很強的一門課程，通過問卷調查的方式對剛完成生物統計學課程的本科生進行調研，主要包括了解學生對于課程的學習目標、教學模式、教學手段、教學安排、學習能力、考核方式、課程學習效果等的需求和評價，探討生物統計學課程教學過程存在的主要問題。

1.1 教學手段單一，課程內容枯燥，學生缺乏學習興趣

在調查生物統計學課程目前存在的主要問題時，70.91%的學生認為最主要的問題是課程的教學手段單一，缺乏案例教學，部分課程內容比較難于理解和熟練掌握；58.18%的學生認為最主要的問題是課程的互動環節較少，學生參與課堂的積極性不高；49.09%的學生認為問題在于課程內容枯燥，專業術語和概念多且難理解，數據分析和計算過程復雜，不能激發學生的學習興趣，自主學習的積極性和自覺性不夠；30.91%的學生認為問題在于傳統的“填鴨式”教學缺乏吸引力。信息化時代獲取知識的渠道多種多樣，“填鴨式”教學已經不能滿足當前的教育教學需求，應該廣泛利用“互聯網”思維，將多媒體教學、翻轉課堂、PBL教學和慕課教學等方法和手段融入課堂，提高學生的學習興趣、學習效率和學習效果。

1.2 偏重理論學習和計算過程，缺乏解決問題為導向的實踐訓練

在調查學生通過學習該課程希望獲得的能力時，90.91%的學生希望掌握常用的試驗設計方法；85.45%的學生希望掌握生物統計學的基本方法和原理；92.1%的學生認為生物統計學課程學習難度大，其中統計方法的應用是比較難掌握；81.82%的學生希望能熟練使用統計學軟件收集、整理和分析數據，解決實際問題。生物統計學具有非常強的理論性和實踐性，但是在教學過程中往往注重理論知識的學習，強調數據分析和計算過程，而容易忽視對學生利用統計學知識解決實際問題能力的培養，缺乏解決問題為導向的實踐訓練。

1.3 統計軟件使用能力弱，教學與實際應用脫節

生物統計學的應用性非常強，強調理論、實踐和統計軟件三者之間的結合。學生的畢業論文（設計）的數據處理過程大多需要生物統計學知識的支撐。但是傳統的生物統計學課程由于學時有限，教學以理論學習為主，缺乏統計軟件的學習和上機訓練。同時，學生掌握的純手工的數據分析和計算過程，效率太低，在實際工作中無用武之地，最終導致理論教學與實踐應用脫節。［14］

2 構建“翻轉課堂+虛擬仿真實踐”的教學改革模式

針對生物統計學課程教學過程中面臨的急須解決的問題，嘗試從改革教學模式和教學方式、調整和優化教學內容等方面進行探索。

2.1 設計“翻轉課堂”的教學方案

抽樣實驗、假設檢驗、方差分析、參數估計和多元統計分析等作為生物統計學的基本原理和方法，在國內外發表的學術論文中普遍使用。［15］根據其難易程度和實用性，合理分配學時，做到重點突出，強調應用性、實踐性，設計教學方案，精心編排“翻轉課堂”的課前、課中和課后三個環節的內容和表現形式，優化教學流程和師生互動形式，采用啟發式、討論式和參與式等多種教學方法，并將課程電子教案、教學課件及教學錄像上傳至廣西大學慕課學習中心，供學生課前和課后預習和復習。利用慕課學習中心將這三個環節有機地融合在一起，讓師生能夠輕松參與、輕松學習和輕松互動。“翻轉課堂”的教學模式圖如圖1所示。

圖1 “翻轉課堂”的教學模式圖

2.2 教學視頻制作和搜集

在設計“翻轉課堂”的教學方案時，根據生物統計學課程各知識模塊，將每個模塊分為“知識點介紹+案例講解+解題思路+思考題”四個部分，有針對性地制作時長約為10 分鐘的課程視頻，在視頻中拋出學習問題，用于引導學生自主學習。同時，搜集其他高校的優秀教學視頻資源，與團隊制作的教學視頻一并上傳至本校的課程中心網站，供學生利用網絡教學平臺進行學習。

2.3 典型案例教學

將教師已經公開發表的科研成果作為典型案例教學，將其引入“翻轉課堂”中，可以在教學過程中使課程內容表現形式更加生動，加深學生對知識點的理解。而將這些典型案例放在廣西大學慕課學習中心，可以幫助學生在課前預習加深理解。同時鏈接其它同行網站，這些網站上也有很多典型案例，將理論與實際相聯系，易化教學中的難點與重點，以提高其分析數據的能力。例如以下案例：“以抗黑穗病和感黑穗病的某甘蔗品種作為親本進行雜交，在F1代共得1298 株，其中抗黑穗病418 株，感黑穗病880株。問實驗結果是否符合一對等位基因的遺傳規律？針對這一問題，教師要求學生先思考和討論，可以參考教材，也可以利用網絡查找資料，通過自主學習和小組討論，從不同的角度選擇適當的方法解題，然后在課堂上通過PPT講解的形式展示解題思路，教師根據學生解題的情況做總結和知識點拓展。這個案例的巧妙之處在于，甘蔗遺傳背景復雜，很多性狀的遺傳并不服從孟德爾的基因分離定律，要解決這個案例提出的問題，首先要熟悉一對等位基因的遺傳規律，在統計分析過程中既可以使用單個百分數資料的差異顯著性測驗方法，也可以使用卡方檢驗方法，解題方法具有靈活性。學生通過思考、分析、討論、計算和課堂交流，不但掌握了單個百分數的差異顯著性測驗方法、卡方檢驗等統計分析方法和公式的正確使用，而且還增強了對生物統計學在遺傳學相關研究中的應用的理解。通過以典型案例為引導進行翻轉課堂教學，既帶動了學生分析和討論問題的積極性，又發揮了學生的主體作用，提高了學生運用生物統計學知識分析科研問題的能力，培養了學生對科學研究的興趣。

2.4 虛擬仿真模擬實踐教學：甘蔗梢腐病的病害調查及統計分析

生物統計學教學通常以已經獲得的數據和結果為例進行教學，未能讓學生通過自主實踐獲得進行數據搜集、整理、分析和推斷的機會，造成教學與科研應用脫節的問題。［16］因此，設計了針對農科專業的虛擬仿真實踐教學環節，該內容主要以重要經濟作物甘蔗上的真菌性病害甘蔗梢腐病為例，該病害具有從甘蔗苗期至成熟期均可發生的特點，病原菌較復雜，超過4種鐮刀菌可引起該病害，病害嚴重程度和癥狀表現多樣，在常規的實驗教學過程中受到時空的限制和實驗教學時間成本的限制，無法安排田間病害調查和統計分析實驗，藥效防治效果調查等內容。為了解決上述問題，提高教學效果，采用“線下線上結合”和“能實不虛，虛實結合”的原則，根據課程內容制作甘蔗梢腐病發生和防治虛擬仿真場景，使學生可通過人機互動浸入式模擬病害調查和防治，熟悉甘蔗梢腐病的病害調查及統計分析方法，掌握化學藥劑防治甘蔗梢腐病的田間試驗方法和防治效果統計分析，提高學生的課堂學習興趣，同時可記錄學生的參與情況和評價學生的學習效果，有利于進行針對性的教學輔導。

實驗場景為甘蔗地，設定甘蔗的品種及梢腐病發病植株數量。甘蔗梢腐病發病時期實驗者可以自行選擇，不同甘蔗生育期梢腐病的發病率和甘蔗被害程度不同。不同生育期發病率設置為：苗期（感病品種發病率40%左右，抗病品種發病率2%左右）、分蘗期（感病品種發病率60%左右，抗病品種發病率5%左右）、拔節期（感病品種發病率80%左右，抗病品種發病率10%左右）、成熟期（感病品種發病率80%左右，抗病品種發病率10%左右）。

甘蔗梢腐病的病害調查及統計分析虛擬仿真實驗的操作流程為：進入甘蔗梢腐病的病害調查及統計分析界面→進入甘蔗地→選擇甘蔗生育期→設定調查標準地3塊，每塊面積為2000 m2→在每塊標準地內按照對角線抽樣法抽查30株甘蔗→統計每株甘蔗的發病情況及被害程度，調查結果填寫到表中 →計算為害程度→撰寫實驗報告→提交實驗報告。

2.5 強化基于統計分析的實踐過程

生物統計學在實際應用中離不開統計軟件的使用，而常用于教學的軟件主要有Excel、SPSS、SAS和DPS［17］。在“互聯網+翻轉課堂”教學實踐中，將專業課案例、科研案例與生物統計學教學有機的結合起來，給學生提供專業相關的案例和數據，拋出科學問題，讓學生分成若干小組，自主選擇不同的統計分析軟件，利用互聯網搜集資料進行自主學習，用統計軟件對數據進行整理和分析，解決科學問題，然后在課堂上講解并演示統計軟件的使用，講解解決問題的過程和收獲，最后由教師進行點評。同時，各學習小組將統計軟件的講解課件、數據資料在課程學習交流的QQ群上共享，供小組之間互相學習和使用，不但可以豐富教學內容，使學生能夠掌握使用統計軟件的基本技能，而且也可以激發學生的學習興趣。

3 生物統計學課程教學改革的成效

3.1 增強了學生學習生物統計學課程的興趣和學習的能力

從本校農科類專業2017級開始，使用“翻轉課堂+虛擬仿真”教學方案進行教學改革與實踐，并對學生進行教學效果調查。在調查通過統計軟件的輔助教學后提升了哪些能力時，63.64%的學生認為提升了分析問題的能力，54.55%的學生認為提升了學習能力，45.45%的學生認為提升了思考問題的能力，41.82%的學生認為提升了解決問題的能力，學習效果較好。

3.2 提高了學生利用統計軟件整理和分析數據的實踐能力

在“互聯網+翻轉課堂”教學實踐中，借助虛擬仿真的形式給學生提供專業相關的案例和數據，以解決科學問題為導向，讓學生學以致用，用統計軟件整理和分析數據，最終解決科學問題，改變了傳統的填鴨式的教學方法和模式。94.55%的學生表示喜歡翻轉課堂輔助教學，50.91%的學生認為通過該課程的學習，激發了學習和探究的興趣，延伸了該課程的學習時間，提升了統計軟件的實際操作能力和獨立解決科學問題的能力，鞏固了學習效果。學生在開展本科畢業論文課題研究期間，能熟練運用所學的生物統計學相關的知識和原理進行試驗設計和統計分析，解讀實驗結果的能力也得到明顯提升，顯著提高了學生的實踐能力。近幾年廣西大學農學院植物科學國家級實驗教學示范中心本科生發表的學術論文30多篇。此外，學生根據課堂內容，自主設計了統計分析、概率分析校正和假設檢驗計算器等軟件3個，并申請了相應的軟件著作權。

4 展望

未來，生物統計學課程的教學重點除了以理論授課加實踐操作相結合的方式為主外，更重要的是輔以思政教育或其他新型方式來引導學生培養自主學習的興趣，提高學生的課堂主人翁意識，讓農林專業的人才真正具備統計的思維與科學處理問題的能力，為國家培養新型創新型農林人才。