新工科背景下本科毕业设计中统计学应用能力的培养

2023-12-11李今心

科技风 2023年32期

李今心陈波

江苏第二师范学院数学科学学院江苏南京 211200

新工科(Emerging Engineering Education)是国家基于现代科学技术和社会发展的战略需求而提出的我国工程教育改革方向[1]。较之传统工科,新工科内涵更丰富,强调学生工程实践和创新能力培养是新工科的核心内容之一[2]。“大胆假设”和“小心求证”是创新活动相辅相成的两个方面,在对学生创新能力培养中科学规范和科学方法教育是非常必要的。作为方法论的统计学是科学研究中不可或缺的工具,如果科研工作者仅简单地把统计学当作学术论文修饰工具,对统计学在科学研究中的作用重视不够,将会严重影响科学研究的严谨性[3]。有调查显示仅在全球发表的生物学研究论文中有高达约50%存在着统计学方法运用错误[4]。因此,在新工科背景下,大学生统计学应用能力的培养对学生未来工程实践中从事创新性和研究性工作具有重要意义。Bromage等研究表明,统计学知识的教学对高校学生创新教育至关重要[5]。Chiel等报道,统计学知识的学习有利于学生对专业知识的理解[6]。本科毕业设计是工科院校本科教学的重要实践教学环节之一,也是“新工科”人才培养的关键环节,是教学活动中培养学生科学规范和科学方法的重要契机[7-8]。在学生毕业设计中统计学方法的应用直接关系到实验结果的可靠性和研究结论的科学性,对毕业论文质量有重要影响。潘声旺等的调查研究结果显示,本科毕业设计中近九成存在统计缺陷[9]。魏敏等报道,相当数量的药学专业本科毕业论文中统计学方法运用不当[10]。本文仅就新工科背景下本科毕业设计教学过程中统计学应用能力的培养做初步探讨。

1 新工科背景下的大学生统计学的知识基础

新工科建设是我国高等教育对科技革命与产业变革的主动战略行动,因应新技术与新经济的需要,改革课程体系、强化数理基础和信息技术教学是高校在新工科背景下针对创新人才培养所实行的改革措施之一[11]。统计学作为一门收集、分析数据并从数据分析中得出并展示研究结果的科学越来越受到重视,在我国大多数高校工学专业课程中一门必修数学课开设了“概率论与数理统计”课程,该课程主要教授数理统计理论知识,因此,工学专业的学生在开始本科毕业设计前已经具备了一定的统计学理论基础知识。但作为工科专业的公共课程,学生所学的“概率论与数理统计”教学内容偏重于抽样分布、参数估计、假设检验和方差分析等统计学理论,关于统计学方法的教学内容相对较少,尤其是缺少与专业知识结合的应用统计学教学内容[11],课程教学内容中虽然有案例教学,但所选教学案例通常没有专业的针对性。这种缺少与实践相结合的统计学理论教学,经常致使学生对统计思想理解不足,缺乏综合运用统计学方法解决实际问题的能力和经验。目前,这种统计学知识应用能力的缺乏已经直接反映到学生所完成的本科毕业论文中。张菁华等调查发现,统计错误在本科毕业论文错误中占很大比例,在河南农业大学生命科学学院2020年186篇本科毕业论文中出现统计错误的占66.7%[12]。因此,本科毕业设计阶段培养学生正确运用统计学知识,对改善本科毕业论文质量具有重要意义。本科毕业设计阶段也为学生将其所学统计学理论基础知识应用于专业实践活动提供了契机。陈莉等认为本科毕业设计阶段在教师指导下的统计学知识应用有利于培养学生的科研能力和创新能力[13]。符裕红等认为本科毕业设计中的学以致用对学生深入理解统计学知识具有较好效果[14]。

统计学是一门既传统又现代的应用型学科,作为统计学基础理论的“概率论与数理统计”教学内容经典而传统,但基础理论的实际应用需要现代信息技术的支撑[15]。在新工科背景下,高校更加重视信息技术教育,普遍开设了计算机技术和计算机语言类课程,这为学生使用统计软件对数据进行收集和分析提供了基础[16]。但笔者的教学观察发现,学生在实践中面对统计软件经常不知从何下手,茫然不知所措,虽然能在教师的指导下利用如Excel等较为传统的工具软件完成基本的数据分析与结果展示,但对统计分析过程则处于懵懂状态,知其然不知其所以然。随着现代信息技术的迅猛发展,各种新型统计软件,如SPSS、SAS、Minitab、R等,层出不穷,学生这种理论与应用不能很好结合的情况会越来越严重。但从另一方面看,对于任何一款统计软件,只有使用者具备扎实的概率论与数理统计基础,才能准确理解统计数据,正确使用相关公式和进行相关演算。总而言之,在新工科背景下,高校学生普遍受到了较好的统计学相关的基础理论和信息技术教育,但亟须提高其对所学相关知识的应用能力。只有如此,才能达成新工科建设中对学生工程实践能力培养的要求。

2 本科毕业设计中统计学应用能力的培养方法

本科毕业设计作为学生专业综合实践能力培养的实践课程,是提升学生综合能力和创新思维的重要契机。本科毕业设计是学生对基础理论、专业知识、动手实践能力综合运用的体现,也是学生本科阶段四年学习成果的集中体现,对培养学生分析和解决实际问题能力有着重要作用,也为学生从事未来相关实践工作奠定扎实基础。统计学是一门从试验设计到数据收集与试验结果统计融为一体的课程,而试验设计、数据收集、试验结果统计与展示一般会贯穿在本科毕业设计的整个过程,因此,本科毕业设计教学环节也是培养学生统计学知识应用能力的重要契机。

科学实验通常是昂贵的实践活动。人们希望以较少的人力、物力和财力,用最短的时间内来获取最多的实验结果和数据,因此,实验设计直接影响着科学研究的效率和成败,而实验设计的科学性和统计学方法的正确运用密切相关。由于实验设计上的某些缺陷致使丧失部分珍贵实验数据和信息的情况并不鲜见,严重时还直接或间接导致研究结论出现错误或偏差,究其原因,很多是由于实验设计者缺乏统计学知识。本科毕业设计教学工作中,在指导学生设计实验时,教师需要提醒和引导学生使用正确的统计学方法,在这个过程中,指导教师要注意学生的学习心理,因为部分同学有“统计学焦虑”。这是一种在知道将要运用统计学知识时出现的紧张、忧虑、担心和恐惧等焦虑情绪,这种心理源自学生在学习统计学理论知识过程中的不愉快经历,认为统计学知识抽象性强、难学,通常这部分同学所取得的考试成绩也不是很理想[17]。这种“统计学焦虑”心理会使学生对应用统计学知识产生畏难情绪,在设计实验时会刻意回避使用统计学方法。针对这部分同学的焦虑心理和畏难情绪,本科毕业设计指导教师应采取先易后难的方法提高学生自信心,唤起学生对统计学知识的兴趣。例如,可以先教会学生用正交试验方法来应对实验中出现的多样本、多因素的组合实验,在处理实验数据时计算标准差,在数据图中添加误差线等相对较简单的应用技巧,当学生体验到统计学的实用性和对统计学知识的成功应用,“统计学焦虑”心理会慢慢减弱直至消失,进而从畏难回避到主动应用统计学知识。

统计学知识渗透到具体的科学实验中有利于培育学生的统计思想,而统计思想对提高大学生的实践能力和创造能力具有重要意义。根据笔者观察,刚进入本科毕业设计阶段的大学生并非没有掌握相关的统计学基本理论知识,而是面临实际问题时想不到用统计学方法来解决,这就需要毕业论文指导教师在教学中解释应用统计学知识的原因,强调正确运用统计学方法是科研工作中“小心求证”的重要保证,强调统计学方法对科研工作严谨性的重要意义。指导教师要在具体统计学方法应用上细心指点和传授,指导学生正确选择样本、合理设置对照、注意实验误差、正确处理实验数据,向学生说明研究中要用什么统计法、为何要用该统计法、何种情况下需要使用检验法等。

统计学方法的正确使用与统计结果的描述规范与否直接影响毕业设计质量。本科毕业设计最常出现的问题包括统计分析方法描述欠缺、统计方法误用、统计推断结果表述不规范、图表不规范或不恰当等[9,12]。针对毕业论文中的具体统计学问题,指导教师需要结合专业知识认真把关和给予学生耐心、仔细的指导。例如,在固定化酶研究领域的本科毕业论文中经常会出现用曲线图来描述固定化酶重复使用次数的问题,指导教师应指出固定化酶重复使用次数为不连续数据,向学生说明统计学知识中连续数据与不连续数据的区别和统计结果描述的不同。

本科毕业设计教学中必须将统计学知识应用能力培养和计算机运用相结合,指导学生利用专业软件来进行数据分析统计、研究结果展示和阐释。目前,工科学生在学习和研究中广泛使用的统计学软件主要包括Excel、Origin、SPSS、SAS等,其中Excel应用得最为广泛,但在本科毕业设计教学中笔者发现,部分学生对利用Excel制作图表很陌生,表现为不知道标准的图表要求,做出来的图表不符合要求,更谈不上美观,还有为数不少的学生不知道Excel具有统计分析功能,在实验研究中耗时耗力地采用人工演算的方法进行统计分析,效率低下且容易出错。郑海波建议,在学生完成本科毕业设计时教师应着重在Excel表格的制作、Excel图表的制作、Excel函数与公式及统计分析工具方面对学生进行指导[18]。据笔者了解,在用软件解决专业研究中的具体统计问题后,多数学生会对统计学应用产生浓厚的兴趣,有利于提高学生应用统计学知识的能力。

通过注重毕业设计教学中统计学知识应用能力的培养,反映在毕业论文中可以发现:学生更喜欢用图表进行数据分析和说明自己的实验结果,并且对不同图表用途理解得更加深刻,可针对不同类型变量使用相应的图表,如用饼图、气泡图、条形图等对类别型变量进行分析,用折线图、直方图、散点图、时间序列图等对数值型变量进行分析。论文中的图表也更为规范美观,如表格标题、线条粗细等。