李國(guó)雷 劉 勇

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083)

林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程提供了林業(yè)科學(xué)研究的基本方法,對(duì)提升林學(xué)學(xué)科的科學(xué)研究水平、提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)具有重要作用[1],因此成為林學(xué)專業(yè)課程建設(shè)的重要部分。試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)源于科學(xué)試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的交叉融合。SPSS (S tatistica lPackage for Social Science)、SAS(Statistical Analysis System)、BMDP(Biomedica l Programs)等統(tǒng)計(jì)軟件,雖然是針對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)而設(shè)計(jì)的,但在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中也有所運(yùn)用和發(fā)展。隨著科學(xué)研究的信息量不斷遞增以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,統(tǒng)計(jì)軟件已成為科學(xué)研究和試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的必要技術(shù)。SPSS作為常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)軟件之一,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、社會(huì)學(xué)、氣象學(xué)等試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)中[2-4],對(duì)這些學(xué)科的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

目前廣泛使用的林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)教材是1995年中國(guó)林業(yè)出版社出版的《林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)》一書[5]。該教材的特色在于針對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹統(tǒng)計(jì)方法,將統(tǒng)計(jì)方法的應(yīng)用建立在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上,使設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)渾然一體?？茖W(xué)研究是學(xué)科建設(shè)和教材發(fā)展的內(nèi)動(dòng)力。隨著我國(guó)林業(yè)科學(xué)的不斷發(fā)展,林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐必然發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)更新教材、改善教學(xué)條件、豐富教學(xué)手段、加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)等措施,加強(qiáng)林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的建設(shè)已成為共識(shí)[1]。因此,以現(xiàn)有的林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程為基礎(chǔ),增加有關(guān)統(tǒng)計(jì)軟件的教學(xué)內(nèi)容,使統(tǒng)計(jì)高效、簡(jiǎn)便、易為學(xué)生接受,是非常必要的。

一、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的特點(diǎn)

SPSS的中文名稱是社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包,由S PSS公司出品,與SAS( 統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng))、BMDP(生物醫(yī)學(xué)程序)并稱為國(guó)際上最有影響的3大統(tǒng)計(jì)軟件。SPSS名為社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包,只是為了強(qiáng)調(diào)其在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一面(因?yàn)樯鐣?huì)科學(xué)的研究中有許多現(xiàn)象都是隨機(jī)的,要使用統(tǒng)計(jì)學(xué)和概率論的定理來(lái)進(jìn)行研究),而實(shí)際上其在社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都能發(fā)揮巨大的作用,目前已應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

SPSS、SAS、BMDP這3大統(tǒng)計(jì)軟件各有特色:SAS和BMDP統(tǒng)計(jì)軟件仍然堅(jiān)持命令行操作,受到熟悉統(tǒng)計(jì)學(xué)并擅長(zhǎng)編程的專業(yè)人士的青睞,但對(duì)已經(jīng)熟悉視窗操作系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)很不方便;SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)在于用戶界面友好、菜單式操作可以實(shí)現(xiàn)絕大部分統(tǒng)計(jì)分析功能、特別適合具有初級(jí)統(tǒng)計(jì)知識(shí)的用戶使用。因此,筆者嘗試將SPSS統(tǒng)計(jì)軟件引入林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)。

二、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程中的運(yùn)用

(一)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件教材的選用

教材是制約教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一本好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)教材,既要有對(duì)如何進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的闡述,也要包含對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法。而目前SPSS教程大都缺乏對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的介紹;同時(shí),大多數(shù)SPSS教程僅是利用一些數(shù)據(jù)孤立地講解SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的具體應(yīng)用,從而造成試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)方法的分離,使學(xué)生不能根據(jù)具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇正確的統(tǒng)計(jì)方法。例如,同為單因素組內(nèi)沒(méi)有重復(fù)測(cè)量的完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),由于完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)適用的前提是試驗(yàn)條件存在單向變化,設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行區(qū)組控制,所以在選用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件時(shí),完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用的程序?yàn)镺ne-Way ANOVA,而完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)則選用的是線性模型General Linear Model中的單因變量多因素方差分析 Univariate。再如,同為單因素完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),如果組內(nèi)有重復(fù)測(cè)量,那么重復(fù)測(cè)量會(huì)使誤差來(lái)源比組內(nèi)單個(gè)觀測(cè)值多,這就要求在統(tǒng)計(jì)時(shí)應(yīng)選用線性模型Gene ral Linear Model中的單因變量多因素有重復(fù)測(cè)量的方差分析Repeated Measures。

由此可見(jiàn),選用的SPSS統(tǒng)計(jì)軟件教材應(yīng)能將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與SPSS統(tǒng)計(jì)軟件有機(jī)地結(jié)合起來(lái),要能夠在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析基本原理的基礎(chǔ)上,利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件將傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法簡(jiǎn)單化。優(yōu)秀的SPSS統(tǒng)計(jì)軟件教材在內(nèi)容編排上至少應(yīng)滿足以下2個(gè)方面的要求:第一,對(duì)統(tǒng)計(jì)方法的介紹始于具體的案例,以便于學(xué)生了解各種統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程所適用的條件和情境,使學(xué)生在面對(duì)不同的情境時(shí)能夠選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法。第二,要強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)方法的前提條件、分析步驟和對(duì)輸出結(jié)果的解讀,以便于學(xué)生在統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)際操作中能用、易用。目前,教育學(xué)[4]、食品學(xué)[6]等領(lǐng)域的教材已成功地將試驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)、SPSS軟件3者很好地結(jié)合起來(lái),這對(duì)林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的教材建設(shè)具有借鑒作用。

(二)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析中的運(yùn)用

雖然利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析非常簡(jiǎn)便和快捷,菜單式操作可以實(shí)現(xiàn)絕大部分的統(tǒng)計(jì)分析功能,但是要正確運(yùn)用SPSS,用戶需要掌握一定的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)知識(shí)。林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)、拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)、裂區(qū)設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、嵌套試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。每一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與適用范圍都有自己的特點(diǎn),每一種設(shè)計(jì)又有不同的類型。例如,兩因素的裂區(qū)設(shè)計(jì)包括主區(qū)為完全隨機(jī)設(shè)計(jì)和副區(qū)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的裂區(qū)設(shè)計(jì)、主區(qū)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)和副區(qū)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的裂區(qū)設(shè)計(jì)、主區(qū)為拉丁方設(shè)計(jì)和副區(qū)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的裂區(qū)設(shè)計(jì)等3種類型,每種類型根據(jù)觀察值的不同又可分為組內(nèi)有重復(fù)測(cè)量和組內(nèi)無(wú)重復(fù)測(cè)量2種類型;而且每種試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其亞類均有不同的特點(diǎn)。因此,用戶只有具備試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)的知識(shí),才能實(shí)現(xiàn)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件與林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的對(duì)接,關(guān)鍵在于將試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成SPSS數(shù)表和SPSS分析過(guò)程中自定義選取變量,而這2種關(guān)鍵技術(shù)建立在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的差異來(lái)源基礎(chǔ)之上。例如,組內(nèi)沒(méi)有重復(fù)測(cè)量的單因素拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)的差異來(lái)源有4個(gè),分別為行、列、處理和隨機(jī)。其中,隨機(jī)誤差來(lái)源為不可控差異來(lái)源,前3個(gè)差異來(lái)源對(duì)SPSS數(shù)據(jù)表的建立、自定義分析具有決定性作用。因此,在建立SPSS數(shù)據(jù)表時(shí),首先需要定義3個(gè)變量,即行、列、處理;然后將某試驗(yàn)小區(qū)所對(duì)應(yīng)的行、列、處理分別輸入這3個(gè)變量。在自定義分析時(shí),選用線性模型General Linear Model中的單因變量多因素方差分析Univariate,并選用Model-Custom-Main effects將行、列、處理3個(gè)自變量依次導(dǎo)入Model。由于該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的行、列、處理3個(gè)變量間沒(méi)有交互效應(yīng),所以勿需選用Interaction。

需要注意的是,根據(jù)上述原則利用SPSS法和公式推導(dǎo)法進(jìn)行方差分析,對(duì)一些試驗(yàn)設(shè)計(jì)又有所不同。例如,對(duì)組內(nèi)沒(méi)有重復(fù)測(cè)量的主區(qū)和副區(qū)均為完全隨機(jī)區(qū)組的裂區(qū)設(shè)計(jì),若運(yùn)用公式進(jìn)行推導(dǎo),主區(qū)和區(qū)組F值的計(jì)算方法為以各自的均方除以整區(qū)的均方,副區(qū)、主區(qū)和副區(qū)的交互效應(yīng)F值的計(jì)算方法則以各自的均方除以副區(qū)的均方,主區(qū)和副區(qū)F值的計(jì)算建立在整區(qū)、副區(qū)2個(gè)誤差的基礎(chǔ)之上。若利用SPSS法進(jìn)行方差分析,在建立數(shù)據(jù)表時(shí)將主區(qū)和副區(qū)導(dǎo)入 fixed factors,把區(qū)組導(dǎo)入Random factors;在自定義分析時(shí),選擇Model-Custom-Main effects,首先將主區(qū)導(dǎo)入Model,然后從Build term( s)菜單中將Main effects更換為Interaction,把主區(qū)*區(qū)組導(dǎo)入Model,再?gòu)牟藛沃邪袸nteraction變回Main effects,將副區(qū)導(dǎo)入Model,最后將Main effects更換為Interaction,把主區(qū)*副區(qū)導(dǎo)入Model。與公式推導(dǎo)法不同的是,利用SPSS法進(jìn)行方差分析,主區(qū)F值是主區(qū)的均方除以主區(qū)*區(qū)組的均方,而副區(qū)、主區(qū)*副區(qū)的F值是分別以副區(qū)、主區(qū)*副區(qū)的均方除以主區(qū)*副區(qū)的誤差均方。

(三)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中的合理使用

在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中,合理使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件至關(guān)重要。首先,要擺正SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的應(yīng)用在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的地位。將SPSS統(tǒng)計(jì)軟件納入林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué),是為了讓學(xué)生跳過(guò)繁多、復(fù)雜的公式推導(dǎo)過(guò)程,將試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)設(shè)計(jì)目的直接對(duì)接,以解決學(xué)生將精力過(guò)分放在計(jì)算過(guò)程上而無(wú)暇顧及試驗(yàn)設(shè)計(jì)目的的問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中,教師可以先按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的手算,使學(xué)生在公式推導(dǎo)中理解試驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、變異來(lái)源;然后在學(xué)生掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)知識(shí)的前提下,利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行輔助教學(xué),對(duì)統(tǒng)計(jì)過(guò)程進(jìn)行演示和講解。只有這樣,學(xué)生才能真正體會(huì)到統(tǒng)計(jì)思維和推理的樂(lè)趣,才能使試驗(yàn)設(shè)計(jì)的藝術(shù)與統(tǒng)計(jì)的魅力合二為一。

其次,通過(guò)為學(xué)生提供在實(shí)驗(yàn)室上機(jī)體驗(yàn)的機(jī)會(huì),加強(qiáng)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。SPSS統(tǒng)計(jì)軟件具有極強(qiáng)的廣泛應(yīng)用性,其教學(xué)既講究嚴(yán)密又強(qiáng)調(diào)靈活性,所以如果沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課很難想象學(xué)生可以結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)理論學(xué)會(huì)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的操作,并理解統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果[7]。因此,在林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中,教師對(duì)每個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理、方法、統(tǒng)計(jì)分析(公式推導(dǎo))、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件運(yùn)用等進(jìn)行演示后,要為學(xué)生提供另外一些素材,讓學(xué)生先手算推導(dǎo),使知識(shí)點(diǎn)以作業(yè)的形式進(jìn)行固化、理解;然后再讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室上機(jī)使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件,以掌握SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的操作技能。

最后,教師要鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用SPSS分析身邊的實(shí)際問(wèn)題,將林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)知識(shí)遷移到具體問(wèn)題的解決上,以提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用水平。為了鼓勵(lì)本科生參與科研、培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí),很多高校都確立了與各專業(yè)相符的科研命題,由大學(xué)生以創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行申報(bào)。例如,北京林業(yè)大學(xué)在大學(xué)三年級(jí)開(kāi)設(shè)了林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程,同時(shí)開(kāi)設(shè)了一些專業(yè)課,學(xué)生可以根據(jù)自己的愛(ài)好申請(qǐng)學(xué)校確立的專項(xiàng)課題。在課題研究過(guò)程中,學(xué)生面對(duì)的是一個(gè)完整的試驗(yàn),需要完成文獻(xiàn)閱讀、命題確定、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)布設(shè)與觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、論文寫作等環(huán)節(jié)。學(xué)生帶著在課題研究中遇到的問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí),將SPSS統(tǒng)計(jì)軟件置入一個(gè)特定的環(huán)境中運(yùn)用,既能強(qiáng)化SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的學(xué)習(xí),又能提高科研工作的效率,使試驗(yàn)結(jié)果更為可靠;尤其是可以使論文水平和科研質(zhì)量得到相應(yīng)的提升、個(gè)人的綜合素質(zhì)得到提高。

三、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件在《林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)》教材修訂中的應(yīng)用

林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教材《林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)》出版于1995年,印刷量?jī)H為1500冊(cè),目前已經(jīng)很難買到,所以學(xué)生上課基本依靠從圖書館借閱和復(fù)印教材。此外,《林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)》出版至今已有15年,隨著林業(yè)研究的不斷深入和教學(xué)技術(shù)的持續(xù)更新,對(duì)教材進(jìn)行修訂已迫在眉睫,這也是很多學(xué)者的呼吁[1]。

SPSS與特定學(xué)科的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)的結(jié)合,是當(dāng)前相關(guān)教材的研究熱點(diǎn)之一,并在已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文[8-10]和出版的教材[4,6]上得以充分體現(xiàn)。這些成果都為《林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)》教材的修訂提供了參考?，F(xiàn)有教材已將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)緊密聯(lián)系起來(lái),在教材修訂時(shí),如果能夠在每個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)后面加入SPSS實(shí)現(xiàn)過(guò)程及結(jié)果解讀,并增加一些最新的案例供學(xué)生練習(xí),那么就能形成試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)過(guò)程(公式運(yùn)算過(guò)程)、SPSS實(shí)現(xiàn)、案例分析等內(nèi)容相互結(jié)合與銜接的教材體系。在教材章節(jié)的調(diào)整方面,除了根據(jù)科研的發(fā)展適當(dāng)增刪某些試驗(yàn)設(shè)計(jì)外,還需要增加聚類分析、相關(guān)分析、主成分分析、回歸分析以及SPSS的實(shí)現(xiàn)過(guò)程等章節(jié),使教材內(nèi)容滿足當(dāng)代本科生科學(xué)研究的要求。

在大學(xué)林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中引入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行輔助教學(xué),不僅豐富了教學(xué)手段,也給傳統(tǒng)的林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程及其教學(xué)注入了新的活力,加深了學(xué)生對(duì)林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)的理性認(rèn)識(shí);同時(shí),還改善了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu),提高了其科學(xué)研究的能力,提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。但是,林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的種類繁多,要使SPSS與林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合并發(fā)揮更大的作用,尚需在今后的教學(xué)和科研中深入探索,從而促進(jìn)林業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)水平的不斷提升和完善。

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