新工科背景下本科畢業設計中統計學應用能力的培養

李今心 陳 波

江蘇第二師范學院數學科學學院 江蘇南京 211200

新工科(Emerging Engineering Education)是國家基于現代科學技術和社會發展的戰略需求而提出的我國工程教育改革方向[1]。較之傳統工科,新工科內涵更豐富,強調學生工程實踐和創新能力培養是新工科的核心內容之一[2]。“大膽假設”和“小心求證”是創新活動相輔相成的兩個方面,在對學生創新能力培養中科學規范和科學方法教育是非常必要的。作為方法論的統計學是科學研究中不可或缺的工具,如果科研工作者僅簡單地把統計學當作學術論文修飾工具,對統計學在科學研究中的作用重視不夠,將會嚴重影響科學研究的嚴謹性[3]。有調查顯示僅在全球發表的生物學研究論文中有高達約50%存在著統計學方法運用錯誤[4]。因此,在新工科背景下,大學生統計學應用能力的培養對學生未來工程實踐中從事創新性和研究性工作具有重要意義。Bromage等研究表明,統計學知識的教學對高校學生創新教育至關重要[5]。Chiel等報道,統計學知識的學習有利于學生對專業知識的理解[6]。本科畢業設計是工科院校本科教學的重要實踐教學環節之一,也是“新工科”人才培養的關鍵環節,是教學活動中培養學生科學規范和科學方法的重要契機[7-8]。在學生畢業設計中統計學方法的應用直接關系到實驗結果的可靠性和研究結論的科學性,對畢業論文質量有重要影響。潘聲旺等的調查研究結果顯示,本科畢業設計中近九成存在統計缺陷[9]。魏敏等報道,相當數量的藥學專業本科畢業論文中統計學方法運用不當[10]。本文僅就新工科背景下本科畢業設計教學過程中統計學應用能力的培養做初步探討。

1 新工科背景下的大學生統計學的知識基礎

新工科建設是我國高等教育對科技革命與產業變革的主動戰略行動,因應新技術與新經濟的需要,改革課程體系、強化數理基礎和信息技術教學是高校在新工科背景下針對創新人才培養所實行的改革措施之一[11]。統計學作為一門收集、分析數據并從數據分析中得出并展示研究結果的科學越來越受到重視,在我國大多數高校工學專業課程中一門必修數學課開設了“概率論與數理統計”課程,該課程主要教授數理統計理論知識,因此,工學專業的學生在開始本科畢業設計前已經具備了一定的統計學理論基礎知識。但作為工科專業的公共課程,學生所學的“概率論與數理統計”教學內容偏重于抽樣分布、參數估計、假設檢驗和方差分析等統計學理論,關于統計學方法的教學內容相對較少,尤其是缺少與專業知識結合的應用統計學教學內容[11],課程教學內容中雖然有案例教學,但所選教學案例通常沒有專業的針對性。這種缺少與實踐相結合的統計學理論教學,經常致使學生對統計思想理解不足,缺乏綜合運用統計學方法解決實際問題的能力和經驗。目前,這種統計學知識應用能力的缺乏已經直接反映到學生所完成的本科畢業論文中。張菁華等調查發現,統計錯誤在本科畢業論文錯誤中占很大比例,在河南農業大學生命科學學院2020年186篇本科畢業論文中出現統計錯誤的占66.7%[12]。因此,本科畢業設計階段培養學生正確運用統計學知識,對改善本科畢業論文質量具有重要意義。本科畢業設計階段也為學生將其所學統計學理論基礎知識應用于專業實踐活動提供了契機。陳莉等認為本科畢業設計階段在教師指導下的統計學知識應用有利于培養學生的科研能力和創新能力[13]。符裕紅等認為本科畢業設計中的學以致用對學生深入理解統計學知識具有較好效果[14]。

統計學是一門既傳統又現代的應用型學科,作為統計學基礎理論的“概率論與數理統計”教學內容經典而傳統,但基礎理論的實際應用需要現代信息技術的支撐[15]。在新工科背景下,高校更加重視信息技術教育,普遍開設了計算機技術和計算機語言類課程,這為學生使用統計軟件對數據進行收集和分析提供了基礎[16]。但筆者的教學觀察發現,學生在實踐中面對統計軟件經常不知從何下手,茫然不知所措,雖然能在教師的指導下利用如Excel等較為傳統的工具軟件完成基本的數據分析與結果展示,但對統計分析過程則處于懵懂狀態,知其然不知其所以然。隨著現代信息技術的迅猛發展,各種新型統計軟件,如SPSS、SAS、Minitab、R等,層出不窮,學生這種理論與應用不能很好結合的情況會越來越嚴重。但從另一方面看,對于任何一款統計軟件,只有使用者具備扎實的概率論與數理統計基礎,才能準確理解統計數據,正確使用相關公式和進行相關演算。總而言之,在新工科背景下,高校學生普遍受到了較好的統計學相關的基礎理論和信息技術教育,但亟須提高其對所學相關知識的應用能力。只有如此,才能達成新工科建設中對學生工程實踐能力培養的要求。

2 本科畢業設計中統計學應用能力的培養方法

本科畢業設計作為學生專業綜合實踐能力培養的實踐課程,是提升學生綜合能力和創新思維的重要契機。本科畢業設計是學生對基礎理論、專業知識、動手實踐能力綜合運用的體現,也是學生本科階段四年學習成果的集中體現,對培養學生分析和解決實際問題能力有著重要作用,也為學生從事未來相關實踐工作奠定扎實基礎。統計學是一門從試驗設計到數據收集與試驗結果統計融為一體的課程,而試驗設計、數據收集、試驗結果統計與展示一般會貫穿在本科畢業設計的整個過程,因此,本科畢業設計教學環節也是培養學生統計學知識應用能力的重要契機。

科學實驗通常是昂貴的實踐活動。人們希望以較少的人力、物力和財力,用最短的時間內來獲取最多的實驗結果和數據,因此,實驗設計直接影響著科學研究的效率和成敗,而實驗設計的科學性和統計學方法的正確運用密切相關。由于實驗設計上的某些缺陷致使喪失部分珍貴實驗數據和信息的情況并不鮮見,嚴重時還直接或間接導致研究結論出現錯誤或偏差,究其原因,很多是由于實驗設計者缺乏統計學知識。本科畢業設計教學工作中,在指導學生設計實驗時,教師需要提醒和引導學生使用正確的統計學方法,在這個過程中,指導教師要注意學生的學習心理,因為部分同學有“統計學焦慮”。這是一種在知道將要運用統計學知識時出現的緊張、憂慮、擔心和恐懼等焦慮情緒,這種心理源自學生在學習統計學理論知識過程中的不愉快經歷,認為統計學知識抽象性強、難學,通常這部分同學所取得的考試成績也不是很理想[17]。這種“統計學焦慮”心理會使學生對應用統計學知識產生畏難情緒,在設計實驗時會刻意回避使用統計學方法。針對這部分同學的焦慮心理和畏難情緒,本科畢業設計指導教師應采取先易后難的方法提高學生自信心,喚起學生對統計學知識的興趣。例如,可以先教會學生用正交試驗方法來應對實驗中出現的多樣本、多因素的組合實驗,在處理實驗數據時計算標準差,在數據圖中添加誤差線等相對較簡單的應用技巧,當學生體驗到統計學的實用性和對統計學知識的成功應用,“統計學焦慮”心理會慢慢減弱直至消失,進而從畏難回避到主動應用統計學知識。

統計學知識滲透到具體的科學實驗中有利于培育學生的統計思想,而統計思想對提高大學生的實踐能力和創造能力具有重要意義。根據筆者觀察,剛進入本科畢業設計階段的大學生并非沒有掌握相關的統計學基本理論知識,而是面臨實際問題時想不到用統計學方法來解決,這就需要畢業論文指導教師在教學中解釋應用統計學知識的原因,強調正確運用統計學方法是科研工作中“小心求證”的重要保證,強調統計學方法對科研工作嚴謹性的重要意義。指導教師要在具體統計學方法應用上細心指點和傳授,指導學生正確選擇樣本、合理設置對照、注意實驗誤差、正確處理實驗數據,向學生說明研究中要用什么統計法、為何要用該統計法、何種情況下需要使用檢驗法等。

統計學方法的正確使用與統計結果的描述規范與否直接影響畢業設計質量。本科畢業設計最常出現的問題包括統計分析方法描述欠缺、統計方法誤用、統計推斷結果表述不規范、圖表不規范或不恰當等[9,12]。針對畢業論文中的具體統計學問題,指導教師需要結合專業知識認真把關和給予學生耐心、仔細的指導。例如,在固定化酶研究領域的本科畢業論文中經常會出現用曲線圖來描述固定化酶重復使用次數的問題,指導教師應指出固定化酶重復使用次數為不連續數據,向學生說明統計學知識中連續數據與不連續數據的區別和統計結果描述的不同。

本科畢業設計教學中必須將統計學知識應用能力培養和計算機運用相結合,指導學生利用專業軟件來進行數據分析統計、研究結果展示和闡釋。目前,工科學生在學習和研究中廣泛使用的統計學軟件主要包括Excel、Origin、SPSS、SAS等,其中Excel應用得最為廣泛,但在本科畢業設計教學中筆者發現,部分學生對利用Excel制作圖表很陌生,表現為不知道標準的圖表要求,做出來的圖表不符合要求,更談不上美觀,還有為數不少的學生不知道Excel具有統計分析功能,在實驗研究中耗時耗力地采用人工演算的方法進行統計分析,效率低下且容易出錯。鄭海波建議,在學生完成本科畢業設計時教師應著重在Excel表格的制作、Excel圖表的制作、Excel函數與公式及統計分析工具方面對學生進行指導[18]。據筆者了解,在用軟件解決專業研究中的具體統計問題后,多數學生會對統計學應用產生濃厚的興趣,有利于提高學生應用統計學知識的能力。

通過注重畢業設計教學中統計學知識應用能力的培養,反映在畢業論文中可以發現:學生更喜歡用圖表進行數據分析和說明自己的實驗結果,并且對不同圖表用途理解得更加深刻,可針對不同類型變量使用相應的圖表,如用餅圖、氣泡圖、條形圖等對類別型變量進行分析,用折線圖、直方圖、散點圖、時間序列圖等對數值型變量進行分析。論文中的圖表也更為規范美觀,如表格標題、線條粗細等。

結語

新工科背景下,高校中的工科學生在本科畢業設計教學環節開始前已經具備較好的統計學知識和信息技術基礎。一方面,在本科畢業設計中培養學生統計學方法的應用能力,能夠潛移默化地建立起學生的統計思想。另一方面,通過統計學知識在具體實驗工作中的應用,能夠使學生對所學專業知識的理解更加深入。