李玉峰，汪潔明，賀玲，孫遠(yuǎn)東

(湖南科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析教學(xué)的緊要性

李玉峰，汪潔明，賀玲，孫遠(yuǎn)東

(湖南科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

摘要：無論從培養(yǎng)大學(xué)生辯證唯物主義系統(tǒng)科學(xué)的邏輯理論思維方式和能力、科研創(chuàng)新素養(yǎng)和實踐操作能力，還是從當(dāng)代社會發(fā)展和科技進步的時代要求方面考慮，實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)對于生物相關(guān)專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)都非常重要，并具有時代緊迫性。

關(guān)鍵詞：生物實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析；生物相關(guān)專業(yè)；綜合素質(zhì)

《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》是《生物統(tǒng)計學(xué)》類似，都是應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的一個分支，它是利用數(shù)學(xué)的原理和方法來解決生物學(xué)問題、設(shè)計生物學(xué)實驗方案、分析理解實驗調(diào)查數(shù)據(jù)資料的學(xué)科[1]。 但它們又有些差別，《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》更傾向于應(yīng)用，《生物統(tǒng)計學(xué)》也屬于應(yīng)用學(xué)科，但與前者相比，可能傾向于理論多些。生物對象與無機物質(zhì)相比，具有更隨機、更復(fù)雜、變異更普遍等特點。并且生物體的生理、生化活動受環(huán)境因素及各種隨機因素的影響較大，因此生物實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果具有更大的隨機性和復(fù)雜性，更不容易在紛繁復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的規(guī)律性。《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》正是這樣一門學(xué)問，能幫助人們對數(shù)據(jù)進行分析處理，從而得到對內(nèi)在規(guī)律性的科學(xué)判定。基于此，它也能幫助人們設(shè)計和改進實驗方案，從而促進研究問題的解決。因此《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》無論是對于生物學(xué)知識學(xué)習(xí)還是生物科學(xué)研究來說都是非常重要的。它是方法論，是基本工具，而且對于生物相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)也具有極重要的作用。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的到來，社會的方方面面都產(chǎn)生了巨量的數(shù)據(jù)信息，這就迫切要求大學(xué)生具有分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力，只有這樣才能勝任新時代的工作要求，從這個角度來看，《統(tǒng)計學(xué)》或《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》的教學(xué)對于新時代大學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)更加具有緊迫性。

1對于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀和思辨能力有重要促進作用

毋庸置疑，辯證唯物主義系統(tǒng)科學(xué)理論體系是大學(xué)生綜合素質(zhì)的重要體現(xiàn)之一，樹立辯證唯物主義的世界觀和歷史觀對于社會主義中國的大學(xué)生是基本的和重要的思想認(rèn)識和邏輯思維方式[2]。無數(shù)事實和歷史也已證明辯證唯物主義是符合社會歷史發(fā)展規(guī)律的科學(xué)體系，當(dāng)然也符合物質(zhì)世界的發(fā)展運動規(guī)律。因此，樹立這樣的人生觀和邏輯思維方式，對于大學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力和正確認(rèn)識社會、認(rèn)識自然等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要的意義[2]?！秾嶒炘O(shè)計與數(shù)據(jù)分析》是理解和研究生物現(xiàn)象的重要工具，和其他生物課程相比，它更能體現(xiàn)出辯證唯物主義科學(xué)體系，在這門課的學(xué)習(xí)過程中，也更需要學(xué)生具有辯證唯物主義邏輯思維能力。辯證唯物主義認(rèn)為物質(zhì)決定意識，規(guī)律是客觀存在的?！秾嶒炘O(shè)計與數(shù)據(jù)分析》也正是基于此前提的方法論，無論面對多么紛繁復(fù)雜的生物實驗數(shù)據(jù)，只要堅持規(guī)律的客觀性，我們就能找出其中規(guī)律。遺傳學(xué)家孟德爾是這方面的典范，在他生活的那個年代，主流的思想還認(rèn)為遺傳是神秘現(xiàn)象，不大可能通過具體的實驗來進行研究。孟德爾堅持規(guī)律的客觀性原則，設(shè)計一系列精巧的實驗來研究遺傳，經(jīng)過8年的不懈努力，在對實驗數(shù)據(jù)進行充分的統(tǒng)計分析后，得出了著名的孟德爾遺傳定律[3]。辯證唯物主義認(rèn)為物質(zhì)世界是普遍聯(lián)系的，物質(zhì)與物質(zhì)之間既普遍聯(lián)系又相互制約，我們在學(xué)習(xí)“相關(guān)關(guān)系”概念時，能夠充分體現(xiàn)這一觀點。世界上生物種類繁多，物種和物種之間存在普遍聯(lián)系，比如，我們在上課時曾講授轉(zhuǎn)基因水稻和吃草甲蟲生理生化指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系分析。更普遍的如人的身高和手掌長度、樹木的莖粗和株高、水稻的穗長和穗重等都存在普遍的相關(guān)關(guān)系，這正印證了辯證法中普遍聯(lián)系的觀點。辯證唯物主義認(rèn)為，世界是變化發(fā)展的，沒有絕對的真理和規(guī)律，任何規(guī)律都是相對的、有條件的?！秾嶒炘O(shè)計與數(shù)據(jù)分析》中得到的結(jié)果和運用的分析方法都很好的體現(xiàn)了這一點，統(tǒng)計分析得到的結(jié)論由于具有相對正確性，并且得到的結(jié)論都是有一定概率性的，因此我們一般都這樣描述結(jié)論：在一定置信度下還不能認(rèn)為配方1優(yōu)于配方2，或者在0.05置信度下我們認(rèn)為配方1優(yōu)于配方2。在講授總體和樣本、參數(shù)和統(tǒng)計量、頻數(shù)分布等概念時，結(jié)合辯證唯物主義的質(zhì)變量變原理，可以使學(xué)生對概念有更深入的理解，在學(xué)習(xí)的過程中，唯物辯證法的思維方式和世界觀也會潛移默化地深入到學(xué)生的心里[4]。因此，在《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》教學(xué)中，結(jié)合辯證唯物主義的原理和思維方式，不僅能收到很好的教學(xué)效果，而且對于培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和綜合素質(zhì)有重要作用。

2對于培養(yǎng)學(xué)生的科研實踐創(chuàng)新能力有重要促進作用

2.1科研素質(zhì)的培養(yǎng)

《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》是在生物研究過程中，不斷結(jié)合數(shù)學(xué)的原理與方法而發(fā)展起來的一門應(yīng)用學(xué)科，一般不過多討論數(shù)學(xué)原理，主要重視統(tǒng)計原理的介紹和具體統(tǒng)計分析方法的應(yīng)用。因此，它直接服務(wù)于生物學(xué)研究，為生物學(xué)研究提供工具和方法。因此這門課的學(xué)習(xí)有助于提高學(xué)生的科研素質(zhì)也就不言而喻了。甚至毫不夸張地講，不學(xué)好《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》或《生物統(tǒng)計學(xué)》就不能很好地從事生物學(xué)研究工作?？蒲心芰Υ篌w可以分為兩個方面，一個方面是發(fā)現(xiàn)問題的能力，另一個方面是設(shè)計合理的實驗和運用恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析方法解決問題的能力。對于本科階段初踏入研究領(lǐng)域的大學(xué)生來說，后者是著重要培養(yǎng)的能力，也是科技工作者必備的基本素質(zhì)。《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》包括實驗設(shè)計和統(tǒng)計分析兩方面內(nèi)容。通過實驗設(shè)計方面的學(xué)習(xí)，使學(xué)生知曉實驗設(shè)計的基本原理；掌握常用實驗設(shè)計的方法；針對實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗因素和水平、掌握選取實驗對象等實驗方案制定的原則和規(guī)范；在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)改進創(chuàng)新實驗設(shè)計方案的能力。學(xué)生在掌握實驗數(shù)據(jù)的搜集、整理、特征數(shù)的計算等知識的基礎(chǔ)上，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計推斷、方差分析、回歸和相關(guān)分析等統(tǒng)計分析。使學(xué)生從看似偶然的紛繁復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)中積累歸納必然規(guī)律的數(shù)據(jù)分析能力，從而提高大學(xué)生的科研素質(zhì)。在不斷學(xué)習(xí)和科研實踐過程中，使學(xué)生培養(yǎng)細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的科學(xué)精神，這也正是這門課程教學(xué)的基本要求。進行實驗設(shè)計和統(tǒng)計推斷時，實驗誤差是分析結(jié)果好壞的決定因素。試驗誤差主要來源于試驗對象的個體差異、試驗條件的一致性控制和操作的一致性及各種偶然因素等。減少這些因素的影響，盡量控制誤差都需要實驗者仔細(xì)操作和一絲不茍的科學(xué)精神。因此，從以上幾個方面來看，《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》的教學(xué)能極大提高大學(xué)生科學(xué)研究的綜合素質(zhì)。

2.2科研實踐能力的培養(yǎng)

《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》是一門實踐性、應(yīng)用性很強的學(xué)科。因此在教授的過程中也比較注重實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，包括SPSS、SAS、EXCEL等幾種常見統(tǒng)計軟件的運用；統(tǒng)計語言R和MATLAB統(tǒng)計工具箱的使用；大學(xué)生畢業(yè)論文的實驗設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)分析；文獻中所用統(tǒng)計分析方法的研判和學(xué)習(xí)等內(nèi)容。這些實踐方面學(xué)習(xí)無疑會大大擴展學(xué)生的視野，提高學(xué)生運用各種科研工具的綜合能力。另外，直接參加科研工作，把所學(xué)實驗設(shè)計與統(tǒng)計分析的方法應(yīng)用于實踐，到實踐中去學(xué)習(xí)，不僅可以深入理解書本知識，而且能提高學(xué)生解決實際問題的能力。鼓勵和支持學(xué)生參加老師的科研實踐，利用空閑時間參與老師的科研工作，將所學(xué)的統(tǒng)計學(xué)原理與分析方法融入到科研實踐中去。不斷縮短理論和應(yīng)用的距離，融會貫通，提高科研實踐能力。

3信息大數(shù)據(jù)時代的迫切需要

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析是科技信息和經(jīng)濟信息的主要分析解讀工具，是國家制定方針政策和社會經(jīng)濟活動決策的依據(jù)，尤其是在計算機和網(wǎng)絡(luò)普及的今天，這一點表現(xiàn)的更為突出。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能夠從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中挖掘和歸納總結(jié)出數(shù)據(jù)背后蘊含的規(guī)律，可以應(yīng)用于許多關(guān)乎國計民生的重要學(xué)科領(lǐng)域。如經(jīng)濟統(tǒng)計、金融統(tǒng)計、人口統(tǒng)計、醫(yī)學(xué)統(tǒng)計和社會統(tǒng)計等等。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的到來，自然科學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨量的信息，并且信息量隨著時間的推移還在成倍的增加。如何從這些信息中挖掘出人們所需要的、總結(jié)分析出數(shù)據(jù)背后蘊藏的真理，是現(xiàn)階段迫切需要解決的問題。如前我們所述，《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》為人們提供解決上述問題的方法和思路。因此，對于生活在大數(shù)據(jù)時代的人們，無論從事什么專業(yè)、什么類型的工作，都或多或少要具備些數(shù)據(jù)分析的基本知識和分析方法，這樣才能適應(yīng)新時代社會發(fā)展的要求，對于個體，也有利于謀得更好的職業(yè)，從而實現(xiàn)自身的抱負(fù)和社會價值。

隨著人類基因組計劃的順利實施，DNA序列的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到1 200多億堿基對，還有與其對應(yīng)的氨基酸序列數(shù)據(jù)，再包括基因表達(dá)數(shù)據(jù)，海量的生物數(shù)據(jù)如潮水般涌來。如何處理這些數(shù)據(jù)，挖掘出數(shù)據(jù)背后所蘊含的信息和知識，已成為當(dāng)今生物學(xué)家所面臨的緊迫任務(wù)。因此，旨在儲存、挖掘、整理、分析生物數(shù)據(jù)的新型學(xué)科-生物信息學(xué)應(yīng)運而生，而生物信息學(xué)的很多技術(shù)和原理又都基于統(tǒng)計學(xué)[5]。從這個角度來說，對于生物相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生來說，《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》的教學(xué)尤其具有時代的緊迫性。

現(xiàn)今，具有統(tǒng)計專長的人員為社會各個部門所需要。統(tǒng)計學(xué)已成為美國五大熱門專業(yè)之一，我國也在不斷重視和提高統(tǒng)計學(xué)方面人才的培養(yǎng)和教育。來源于傳感、監(jiān)控、社交網(wǎng)絡(luò)和公共服務(wù)的數(shù)據(jù)量也在以驚人的速度在增長，有專家預(yù)測，社會上的數(shù)據(jù)量也許幾年就翻一番。數(shù)據(jù)僅是信息或知識的源泉，還需要人們具有挖掘、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力。麻省理工學(xué)院電子商務(wù)中心主任、經(jīng)濟學(xué)家Erik Brynjolfsson說：“我們正飛速邁入一切都將被監(jiān)測和測算的時代，但最大的問題在于人們利用、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力?！盵6]

綜上所述，無論是從學(xué)生辯證唯物主義世界觀和人生觀的樹立，或是從培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)以及科研素質(zhì)，還是從時代發(fā)展的迫切需求來看，加強生物專業(yè)大學(xué)生的《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》課程教學(xué)和進行這方面的教改研究都是非常有必要的，對于國家發(fā)展進步和學(xué)生自身價值實現(xiàn)都有其重要意義和時代迫切性。

參考文獻：

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(責(zé)任校對謝宜辰)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.019

收稿日期：20140519

基金項目：湖南科技大學(xué)教育研究項目(G31220)

作者簡介：李玉峰(1974-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，副教授，主要從事《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析》的教學(xué)與生物信息學(xué)相關(guān)科研工作。

中圖分類號：G42

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)05-0063-03