李國雷 劉 勇

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083)

林業(yè)試驗設(shè)計課程提供了林業(yè)科學(xué)研究的基本方法,對提升林學(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。試驗設(shè)計來源于科學(xué)試驗與統(tǒng)計學(xué)的交叉融合。SPSS (S tatistica lPackage for Social Science)、SAS(Statistical Analysis System)、BMDP(Biomedica l Programs)等統(tǒng)計軟件,雖然是針對統(tǒng)計學(xué)而設(shè)計的,但在試驗設(shè)計中也有所運用和發(fā)展。隨著科學(xué)研究的信息量不斷遞增以及計算機技術(shù)的普及,統(tǒng)計軟件已成為科學(xué)研究和試驗設(shè)計中的必要技術(shù)。SPSS作為常見的統(tǒng)計軟件之一,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、社會學(xué)、氣象學(xué)等試驗設(shè)計與統(tǒng)計中[2-4],對這些學(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)試驗設(shè)計教材是1995年中國林業(yè)出版社出版的《林業(yè)試驗設(shè)計》一書[5]。該教材的特色在于針對試驗設(shè)計介紹統(tǒng)計方法,將統(tǒng)計方法的應(yīng)用建立在試驗設(shè)計的基礎(chǔ)之上,使設(shè)計與統(tǒng)計渾然一體?？茖W(xué)研究是學(xué)科建設(shè)和教材發(fā)展的內(nèi)動力。隨著我國林業(yè)科學(xué)的不斷發(fā)展,林業(yè)試驗設(shè)計的理論與實踐必然發(fā)生相應(yīng)的變化。通過更新教材、改善教學(xué)條件、豐富教學(xué)手段、加強師資隊伍建設(shè)等措施,加強林業(yè)試驗設(shè)計課程的建設(shè)已成為共識[1]。因此,以現(xiàn)有的林業(yè)試驗設(shè)計課程為基礎(chǔ),增加有關(guān)統(tǒng)計軟件的教學(xué)內(nèi)容,使統(tǒng)計高效、簡便、易為學(xué)生接受,是非常必要的。

一、SPSS統(tǒng)計軟件的特點

SPSS的中文名稱是社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包,由S PSS公司出品,與SAS( 統(tǒng)計分析系統(tǒng))、BMDP(生物醫(yī)學(xué)程序)并稱為國際上最有影響的3大統(tǒng)計軟件。SPSS名為社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包,只是為了強調(diào)其在社會科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一面(因為社會科學(xué)的研究中有許多現(xiàn)象都是隨機的,要使用統(tǒng)計學(xué)和概率論的定理來進(jìn)行研究),而實際上其在社會科學(xué)、自然科學(xué)的各個領(lǐng)域都能發(fā)揮巨大的作用,目前已應(yīng)用于經(jīng)濟學(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)計軟件各有特色:SAS和BMDP統(tǒng)計軟件仍然堅持命令行操作,受到熟悉統(tǒng)計學(xué)并擅長編程的專業(yè)人士的青睞,但對已經(jīng)熟悉視窗操作系統(tǒng)的用戶來說很不方便;SPSS統(tǒng)計軟件的優(yōu)勢在于用戶界面友好、菜單式操作可以實現(xiàn)絕大部分統(tǒng)計分析功能、特別適合具有初級統(tǒng)計知識的用戶使用。因此,筆者嘗試將SPSS統(tǒng)計軟件引入林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué)。

二、SPSS統(tǒng)計軟件在林業(yè)試驗設(shè)計課程中的運用

(一)SPSS統(tǒng)計軟件教材的選用

教材是制約教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一本好的試驗設(shè)計教材,既要有對如何進(jìn)行試驗設(shè)計的闡述,也要包含對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的方法。而目前SPSS教程大都缺乏對試驗設(shè)計方法的介紹;同時,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)計軟件的具體應(yīng)用,從而造成試驗設(shè)計與統(tǒng)計方法的分離,使學(xué)生不能根據(jù)具體的試驗設(shè)計選擇正確的統(tǒng)計方法。例如,同為單因素組內(nèi)沒有重復(fù)測量的完全隨機試驗設(shè)計與完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計,由于完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計適用的前提是試驗條件存在單向變化,設(shè)計時需要進(jìn)行區(qū)組控制,所以在選用SPSS統(tǒng)計軟件時,完全隨機試驗設(shè)計選用的程序為One-Way ANOVA,而完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計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區(qū)組試驗設(shè)計,如果組內(nèi)有重復(fù)測量,那么重復(fù)測量會使誤差來源比組內(nèi)單個觀測值多,這就要求在統(tǒng)計時應(yīng)選用線性模型Gene ral Linear Model中的單因變量多因素有重復(fù)測量的方差分析Repeated Measures。

由此可見,選用的SPSS統(tǒng)計軟件教材應(yīng)能將試驗設(shè)計方法與SPSS統(tǒng)計軟件有機地結(jié)合起來,要能夠在試驗設(shè)計和統(tǒng)計分析基本原理的基礎(chǔ)上,利用SPSS統(tǒng)計軟件將傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法簡單化。優(yōu)秀的SPSS統(tǒng)計軟件教材在內(nèi)容編排上至少應(yīng)滿足以下2個方面的要求:第一,對統(tǒng)計方法的介紹始于具體的案例,以便于學(xué)生了解各種統(tǒng)計分析過程所適用的條件和情境,使學(xué)生在面對不同的情境時能夠選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計分析方法。第二,要強調(diào)統(tǒng)計方法的前提條件、分析步驟和對輸出結(jié)果的解讀,以便于學(xué)生在統(tǒng)計軟件的實際操作中能用、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設(shè)計、統(tǒng)計、SPSS軟件3者很好地結(jié)合起來,這對林業(yè)試驗設(shè)計課程的教材建設(shè)具有借鑒作用。

(二)SPSS統(tǒng)計軟件在林業(yè)試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析中的運用

雖然利用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析非常簡便和快捷,菜單式操作可以實現(xiàn)絕大部分的統(tǒng)計分析功能,但是要正確運用SPSS,用戶需要掌握一定的試驗設(shè)計與統(tǒng)計知識。林業(yè)試驗設(shè)計主要包括完全隨機試驗設(shè)計、完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計、拉丁方試驗設(shè)計、裂區(qū)設(shè)計、正交試驗設(shè)計、嵌套試驗設(shè)計等。每一種試驗設(shè)計原理與適用范圍都有自己的特點,每一種設(shè)計又有不同的類型。例如,兩因素的裂區(qū)設(shè)計包括主區(qū)為完全隨機設(shè)計和副區(qū)為完全隨機區(qū)組設(shè)計的裂區(qū)設(shè)計、主區(qū)為完全隨機區(qū)組設(shè)計和副區(qū)為完全隨機區(qū)組設(shè)計的裂區(qū)設(shè)計、主區(qū)為拉丁方設(shè)計和副區(qū)為完全隨機區(qū)組設(shè)計的裂區(qū)設(shè)計等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)測量和組內(nèi)無重復(fù)測量2種類型;而且每種試驗設(shè)計及其亞類均有不同的特點。因此,用戶只有具備試驗設(shè)計與統(tǒng)計的知識,才能實現(xiàn)SPSS統(tǒng)計軟件在林業(yè)試驗設(shè)計中的應(yīng)用。

實現(xiàn)SPSS統(tǒng)計軟件與林業(yè)試驗設(shè)計的對接,關(guān)鍵在于將試驗設(shè)計的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成SPSS數(shù)表和SPSS分析過程中自定義選取變量,而這2種關(guān)鍵技術(shù)建立在試驗設(shè)計的差異來源基礎(chǔ)之上。例如,組內(nèi)沒有重復(fù)測量的單因素拉丁方試驗設(shè)計的差異來源有4個,分別為行、列、處理和隨機。其中,隨機誤差來源為不可控差異來源,前3個差異來源對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,首先需要定義3個變量,即行、列、處理;然后將某試驗小區(qū)所對應(yīng)的行、列、處理分別輸入這3個變量。在自定義分析時,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個自變量依次導(dǎo)入Model。由于該試驗設(shè)計的行、列、處理3個變量間沒有交互效應(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,對一些試驗設(shè)計又有所不同。例如,對組內(nèi)沒有重復(fù)測量的主區(qū)和副區(qū)均為完全隨機區(qū)組的裂區(qū)設(shè)計,若運用公式進(jìn)行推導(dǎo),主區(qū)和區(qū)組F值的計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值的計算建立在整區(qū)、副區(qū)2個誤差的基礎(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,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,再從菜單中把Interaction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)計軟件在林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué)過程中的合理使用

在林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué)中,合理使用SPSS統(tǒng)計軟件至關(guān)重要。首先,要擺正SPSS統(tǒng)計軟件的應(yīng)用在林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué)中的地位。將SPSS統(tǒng)計軟件納入林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué),是為了讓學(xué)生跳過繁多、復(fù)雜的公式推導(dǎo)過程,將試驗結(jié)果與試驗設(shè)計目的直接對接,以解決學(xué)生將精力過分放在計算過程上而無暇顧及試驗設(shè)計目的的問題。在教學(xué)過程中,教師可以先按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生針對試驗設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)計分析的手算,使學(xué)生在公式推導(dǎo)中理解試驗設(shè)計的內(nèi)涵、變異來源;然后在學(xué)生掌握試驗設(shè)計與統(tǒng)計知識的前提下,利用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行輔助教學(xué),對統(tǒng)計過程進(jìn)行演示和講解。只有這樣,學(xué)生才能真正體會到統(tǒng)計思維和推理的樂趣,才能使試驗設(shè)計的藝術(shù)與統(tǒng)計的魅力合二為一。

其次,通過為學(xué)生提供在實驗室上機體驗的機會,加強SPSS統(tǒng)計軟件的實驗教學(xué)。SPSS統(tǒng)計軟件具有極強的廣泛應(yīng)用性,其教學(xué)既講究嚴(yán)密又強調(diào)靈活性,所以如果沒有相對應(yīng)的上機實驗課很難想象學(xué)生可以結(jié)合統(tǒng)計學(xué)理論學(xué)會SPSS統(tǒng)計軟件的操作,并理解統(tǒng)計分析結(jié)果[7]。因此,在林業(yè)試驗設(shè)計課程教學(xué)過程中,教師對每個試驗設(shè)計的原理、方法、統(tǒng)計分析(公式推導(dǎo))、SPSS統(tǒng)計軟件運用等進(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),使知識點以作業(yè)的形式進(jìn)行固化、理解;然后再讓學(xué)生在實驗室上機使用SPSS統(tǒng)計軟件,以掌握SPSS統(tǒng)計軟件的操作技能。

最后,教師要鼓勵學(xué)生運用SPSS分析身邊的實際問題,將林業(yè)試驗設(shè)計與統(tǒng)計知識遷移到具體問題的解決上,以提高學(xué)生的知識應(yīng)用水平。為了鼓勵本科生參與科研、培養(yǎng)學(xué)生的合作意識,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)新團隊的形式進(jìn)行申報。例如,北京林業(yè)大學(xué)在大學(xué)三年級開設(shè)了林業(yè)試驗設(shè)計課程,同時開設(shè)了一些專業(yè)課,學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好申請學(xué)校確立的專項課題。在課題研究過程中,學(xué)生面對的是一個完整的試驗,需要完成文獻(xiàn)閱讀、命題確定、試驗設(shè)計、試驗布設(shè)與觀測、統(tǒng)計分析、論文寫作等環(huán)節(jié)。學(xué)生帶著在課題研究中遇到的問題進(jìn)行試驗設(shè)計課程的學(xué)習(xí),將SPSS統(tǒng)計軟件置入一個特定的環(huán)境中運用,既能強化SPSS統(tǒng)計軟件的學(xué)習(xí),又能提高科研工作的效率,使試驗結(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、個人的綜合素質(zhì)得到提高。

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

林業(yè)試驗設(shè)計課程教材《林業(yè)試驗設(shè)計》出版于1995年,印刷量僅為1500冊,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)試驗設(shè)計》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)科的試驗設(shè)計和統(tǒng)計的結(jié)合,是當(dāng)前相關(guān)教材的研究熱點之一,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)試驗設(shè)計》教材的修訂提供了參考?，F(xiàn)有教材已將試驗設(shè)計與統(tǒng)計緊密聯(lián)系起來,在教材修訂時,如果能夠在每個試驗設(shè)計與統(tǒng)計后面加入SPSS實現(xiàn)過程及結(jié)果解讀,并增加一些最新的案例供學(xué)生練習(xí),那么就能形成試驗設(shè)計和統(tǒng)計過程(公式運算過程)、SPSS實現(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)增刪某些試驗設(shè)計外,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的實現(xiàn)過程等章節(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)試驗設(shè)計課程教學(xué)過程中引入SPSS統(tǒng)計軟件進(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)試驗設(shè)計課程及其教學(xué)注入了新的活力,加深了學(xué)生對林業(yè)試驗設(shè)計與統(tǒng)計的理性認(rèn)識;同時,還改善了學(xué)生的知識結(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)試驗設(shè)計的種類繁多,要使SPSS與林業(yè)試驗設(shè)計有機結(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)試驗設(shè)計課程教學(xué)水平的不斷提升和完善。

[1]李穎岳,續(xù)九如.淺議林業(yè)試驗設(shè)計課程對林學(xué)學(xué)科建設(shè)的作用[J].中國林業(yè)教育,2007,25(6):16-18.

[2]盧紋岱.SPSS for Window s從入門到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,1997.

[3]GREEN S B,S ALKIND N J,AKEY T M.Using SPSS for Window s:Analyzing and Understanding Data:2th ed.[M].Upper S addle River,New Jersey:Prin tice Hall,2000.

[4]丁國盛,李濤.SPSS統(tǒng)計教程:從研究設(shè)計到數(shù)據(jù)分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[5]續(xù)九如,黃智慧.林業(yè)試驗設(shè)計[M].北京:中國林業(yè)出版社,1995.

[6]王頡.試驗設(shè)計與 SPSS應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[7]李付坤.SPSS教學(xué)方法探討[J].統(tǒng)計與咨詢,2008(2):70-71.

[8]葉紅衛(wèi),朱藍(lán)輝.應(yīng)用S PS S進(jìn)行雙因子方差分析[J].河北北方學(xué)院學(xué)報,2008,24(12):63-65.

[9]劉加妹,周志堅.利用S PS S處理生物實驗數(shù)據(jù)[J].生殖醫(yī)學(xué)雜志,2008,17(2):130-134.

[10]李玉紅,彭曉峰,陳慧青.統(tǒng)計軟件 SPSS在應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].金融教學(xué)與研究,2009(3):71-72.