P值爭論對生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)的影響

1、L值爭論對生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)的影響摘 要 p值在當(dāng)前生物學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析所廣為接受的規(guī)范中處于核心位置，大多數(shù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果最終用 P值來體現(xiàn),并依此作出科學(xué)問題的推斷。然而，隨著對p值的誤解以及p值局限性討論的深入，特別是對于實驗 結(jié)論可重復(fù)性的焦慮，引起了學(xué)術(shù)界對P值使用的激烈爭論。P值的誤用以及P值爭論的出現(xiàn)也從側(cè)面折射出在 大學(xué)和研究生教育中生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)存在的不足在簡要介紹P值爭論的基礎(chǔ)上，探討當(dāng)前P值爭論引起的 對生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)的一些反思和啟示。關(guān)鍵詞 P值;P值爭論；生物統(tǒng)計學(xué);教學(xué)(-value controversy and its impact on biosta

2、tistics teachingAbstract Currently，P-value is at the core position for statistical analysis of biological data，as scientific inferences are made usually based on P-values. However，with the deepening of discussion of misunderstanding and the limitations of P-values，especially the anxiety about the re

3、producibility and replicability of scientific conclusions in the scientific community，an intense debate about the use of P- values has been raised especially. The misuse of P-values and the emergence of controversy over P-values can partly demonstrate the inadequacies in teaching of biostatistics in

4、 colleges and graduate schools. After introducing P-value controversy，reflections and enlightenments on biostatistics teaching are focused on from the current P-value controversy.Key words P-value; P-value controversy; biostatistics; teaching統(tǒng)計學(xué)知識在不同領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在終生學(xué) 習(xí)的社會氛圍中，即使不是所有學(xué)生在以后的職業(yè)生 涯中都會頻繁用到統(tǒng)計學(xué)知

5、識,但對于統(tǒng)計學(xué)知識的 掌握也有助于他們理解和學(xué)習(xí)其他知識。因此，統(tǒng)計 學(xué)相關(guān)課程作為很多專業(yè)的基礎(chǔ)課程在高校中廣泛開 設(shè)。生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)一般開設(shè)生物統(tǒng)計學(xué)等課程。 特別是在生命科學(xué)步入大數(shù)據(jù)時代，此門經(jīng)典課程的 重要性和實用性日益提升。統(tǒng)計學(xué)中P值概念的提出最早可以追溯到1900 年經(jīng)過不斷發(fā)展，一個多世紀(jì)以來已然成為統(tǒng)計 推斷中普遍依據(jù)的一個指標(biāo)，這也部分得益于其依賴 的統(tǒng)計學(xué)模型相對簡單且學(xué)術(shù)界有普遍采用的“判斷 閾值”（如P 0.05） $研究發(fā)現(xiàn),P值的使用頻率遠(yuǎn)高 于置信區(qū)間等其他統(tǒng)計學(xué)指標(biāo),且在研究結(jié)果中報告P 值的科學(xué)論文比例仍呈上升趨勢3 %然而P值被大量 誤用甚至不合理地

6、作為統(tǒng)計推斷的唯一依據(jù)的情形亦 屢見不鮮，導(dǎo)致其在被廣為采用的同時也飽受爭議P值作為統(tǒng)計推斷的核心依據(jù)，其概念也是生物 統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)的重點和難點然而P值的大量誤用 也促使我們在大學(xué)教育中對于統(tǒng)計學(xué)的教學(xué)作出反 思美國統(tǒng)計學(xué)會（ASA）在關(guān)于統(tǒng)計意義和P值的聲 明中描述了 George Cobb教授在ASA論壇上提出的兩 個問題以及所得到的令人深思的答案H %問題1:為什么在眾多高校中教授的P值判斷閾 值是0. 05?答案：因為學(xué)術(shù)界以及期刊的編輯們都是這樣使 用的%問題2:為什么大家仍在使用0. 05作為P值的判 斷閾值？答案：因為大學(xué)課程是這樣教的上述問題所描述的“怪圈”折射出我們在相關(guān)課

7、 程教學(xué)中仍有亟待改進(jìn)的地方而關(guān)于P值的爭論在 生命科學(xué)領(lǐng)域的研究中尤為激烈，因此不能忽視其對 生物統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)的影響。1 P值爭論隨著自然等權(quán)威期刊的持續(xù)關(guān)注及討論用，學(xué) 術(shù)界爭論了一個多世紀(jì)的P值在近幾年討論更加廣泛 和深入。針對P值的爭論,ASA在2016年發(fā)表了關(guān)于 統(tǒng)計意義和P值的聲明旬，在學(xué)術(shù)界引起很大反響。 關(guān)于P值爭論的學(xué)術(shù)論文很多，觀點也不盡相同，這里 難以描述全面，只簡單介紹作者的一些理解。引起P值爭論的一個重要原因是過分強調(diào)P值甚 至錯誤地使用和解釋P值，從而引發(fā)了學(xué)術(shù)界對相關(guān) 科學(xué)結(jié)論的可靠性和可重復(fù)性的擔(dān)憂。過分強調(diào)和依 賴P值,甚至以P值作為統(tǒng)計推斷的唯一依據(jù)而不

8、考 慮實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)收集過程以及其他統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)，這 顯然是片面的。特別是隨著“P 0.05”逐步成為學(xué) 術(shù)界默認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)”，研究人員容易陷入“P值操縱” （P#iackmg）的陷阱7 %除了過分強調(diào)P值外，對于P 值常見的錯誤使用和解釋也是引起學(xué)術(shù)界擔(dān)憂的重要 方面例如，當(dāng)P值大于設(shè)定的顯著水準(zhǔn)時，可能會做 出零假設(shè)成立（即沒有顯著差異）的推斷，這是很多學(xué) 術(shù)論文中常見的因?qū)值的誤解而得出的不合理的科 學(xué)推論7 %弓I起P值爭論的另一重要原因可能是P值 或其依賴的統(tǒng)計學(xué)模型本身并非完美例如P值并不 是原假設(shè)成立的概率，正如ASA關(guān)于統(tǒng)計意義和P值 的聲明中的描述:P值本身并非一個對模型或假設(shè)

9、提 供證據(jù)度量的理想指標(biāo)H%另一方面，當(dāng)樣本容量增 大時，理論上得到一個非常小的P值的可能性會大大 增加，進(jìn)而導(dǎo)致拒絕原假設(shè)的概率也會增加，此時P 值并不能算是一個十分有效的指標(biāo)，這也是導(dǎo)致“P值 操縱”容易實現(xiàn)的重要原因關(guān)于P值的爭論仍在進(jìn)行,但是目前學(xué)術(shù)界普遍 接受和認(rèn)可的是，P值在當(dāng)前應(yīng)用于統(tǒng)計推斷中的作 用被過分放大甚至誤用是客觀存在的雖然存在完全 摒棄P值的意見國，但是多數(shù)學(xué)者仍認(rèn)可P值的作用 在沈c+,關(guān)于P值爭論的?？?9卷5期）中，參與討論的學(xué)者幾乎一致地認(rèn)為P值作為基 本的統(tǒng)計推斷工具不應(yīng)該被摒棄9 %近期Nature發(fā)布 的一篇超過800位學(xué)者簽名支持的評論文章呼吁放棄

10、使用統(tǒng)計顯著性作為研究結(jié)果評估指標(biāo)，但是也強調(diào) 并不是摒棄P值,并建議在報告P值時給出其精確值 而不是一個不等式（如P 0.8） ? ASA的 聲明中建議研究者公開所提出的全部假設(shè)、收集到的 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果,P值結(jié)果，以及這些分析是如何 被選中用于報告的4 %事實上已經(jīng)有不少學(xué)術(shù)期刊正 在努力這樣做當(dāng)然報告確切的P值可以讓讀者或研 究者自己判斷結(jié)果提示的意義不失為另一種選擇回， 但是筆者認(rèn)為這似乎有為了避免錯誤而將做出科學(xué)推 論的任務(wù)推給讀者的嫌疑由此可見，持續(xù)了一個多 世紀(jì)的P值爭論可能將繼續(xù)爭論下去2積極對待P值爭論對課程教學(xué)的影響P值作為假設(shè)檢驗統(tǒng)計思想的核心，在生命科學(xué) 研究中應(yīng)用

11、尤為廣泛3 %使學(xué)生正確理解并合理使用 P值進(jìn)行生物學(xué)數(shù)據(jù)的分析是生物統(tǒng)計學(xué)課程的重要 教學(xué)目標(biāo)學(xué)術(shù)界關(guān)于P值的大討論不僅使得對P值 的理解以及正確使用越來越清晰，而且將P值爭論融 入教學(xué)對于幫助學(xué)生了解和掌握P值這一關(guān)鍵概念, 從而對提升生物統(tǒng)計學(xué)的課堂教學(xué)效果亦大有幫助 此外,學(xué)術(shù)界關(guān)于P值的爭論雖然持續(xù)多年，但是P值 爭論的最新動態(tài)也是該門課程教學(xué)中關(guān)于學(xué)科發(fā)展前 沿介紹無法回避的方面因此，應(yīng)該積極對待P值爭 論對此門課程教學(xué)的影響，并將P值爭論的相關(guān)觀點 和由此引發(fā)的教學(xué)方面的改革積極融入此門課程的教 學(xué)過程中%在前文提及的ASA的聲明中關(guān)于“為什么學(xué)校這 樣教是因為大家都是這么做的，

12、而為什么大家都這樣 做是因為學(xué)校是這樣教的”的“P值使用怪圈”4至少 給我們的教學(xué)提供兩個方面的反思：一方面，我們關(guān)于 P值的教學(xué)可能存在欠缺或者不當(dāng)，比如對于P值的 概念講解不透徹，對其局限性以及常見使用誤區(qū)未加 以深入剖析等，以致同學(xué)們對P值的理解可能片面化， 在P值使用時缺乏靈活性甚至誤用；另一方面,當(dāng)前關(guān) 于P值的學(xué)校教育可能使同學(xué)們走出學(xué)校后繼續(xù)“機 械地”按課堂上所學(xué)知識使用P值，這可能也是導(dǎo)致 如今P值誤用和爭論的一個重要原因因此，正確、及 時地調(diào)整關(guān)于P值的學(xué)校教育可能是解鎖“P值使用 怪圈”的一個根本環(huán)節(jié)，同時也會給關(guān)于P值的爭論 注入更多積極、理性的因素3對課程教學(xué)的建議3

13、. 1課堂教學(xué)中應(yīng)重點厘清P值的概念相對于專門的統(tǒng)計學(xué)教材，目前普遍采用的生物 統(tǒng)計學(xué)教材一般更偏重怎樣運用統(tǒng)計學(xué)知識設(shè)計和解 決生物學(xué)問題，而對于統(tǒng)計學(xué)相關(guān)的原理和方法的描 述相對簡單然而生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)鮮有在開設(shè)生物 統(tǒng)計學(xué)的同時開設(shè)專門的統(tǒng)計學(xué)課程因此，在課堂 教學(xué)中對于像P值這種不易被學(xué)生理解的關(guān)鍵概念應(yīng) 該避免按課本的簡短描述來簡單教學(xué)建議在介紹假 設(shè)檢驗以及假設(shè)檢驗的兩類錯誤時應(yīng)詳細(xì)、客觀地介 紹P值的概念作者在教學(xué)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生們認(rèn)為P值是原 假設(shè)（null hypothesis）發(fā)生的概率，因而依此根據(jù)較小 的P值推斷原假設(shè)成立的可能性較小雖然按此邏輯 對最終的統(tǒng)計推斷結(jié)果

14、沒有影響，但這顯然不是對P 值概念的正確理解。關(guān)于P值的具體含義，可以理解 成從一個假設(shè)所規(guī)定的特定總體中隨機抽樣,得到的 統(tǒng)計量值（如$值等）與實際觀測數(shù)據(jù)的相同及更極端 （更大或更小）的概率4 %這個假設(shè)即無效假設(shè)或稱 為原假設(shè)，顧名思義，它一般假設(shè)數(shù)據(jù)之間沒有差異， 或相關(guān)的效應(yīng)等不明顯與之對立的假設(shè)稱為備擇假 設(shè)（alternative hypothesis） o P值越小，即在原假設(shè)的前 提下得到現(xiàn)有樣本觀察結(jié)果的概率越小，則可以反推 出原假設(shè)成立的可能性越小為促進(jìn)學(xué)生深入理解P值,在介紹P值概念的同 時還應(yīng)該重點介紹顯著水準(zhǔn)的概念，以引導(dǎo)學(xué)生正確 看待和靈活使用計算得到的P值，這對

15、于解鎖當(dāng)前的 “P值使用怪圈”非常重要顯著水準(zhǔn)一般是人為設(shè)定 的一個是否拒絕原假設(shè)的P值的閾值,若計算得出的 P值小于設(shè)定的顯著性水準(zhǔn)，則根據(jù)小概率反證法原 理，作出拒絕原假設(shè)的判斷需要指出的是，確定的顯 著性水準(zhǔn)不同，可能得到完全相反的結(jié)論因此，影響 做出差異是否具有統(tǒng)計學(xué)意義的統(tǒng)計推斷的因素除了 計算得到的P值外,還有事先確定的顯著性水準(zhǔn)的值 P值是一個概率值，依據(jù)P值不論作出是否拒絕原假 設(shè)的判斷都可能得到錯誤的結(jié)論錯誤地拒絕了實際 正確的原假設(shè)，稱為第一類錯誤,而確立的顯著性水準(zhǔn) 的大小決定了犯此類錯誤的可能性同樣，當(dāng)原假設(shè) 實際不成立時卻未能正確的否定原假設(shè)，稱為第二類 錯誤犯第二類

16、錯誤的概率不能確定,但是在樣本容 量相同的情況下，它與犯第一類錯誤的概率呈“此消彼 長”的關(guān)系因此，學(xué)術(shù)界普遍采用的0. 05或0.01作 為顯著性水準(zhǔn)并不是“黃金準(zhǔn)則”，需要我們根據(jù)良好 的實驗設(shè)計以及實際情況合理地設(shè)置這一點無論是 在實際應(yīng)用還是學(xué)校教育中都是容易被忽視的，值得 在課程教學(xué)過程中重點強調(diào)3. 2對P值的常見誤用結(jié)合例題針對性剖析P值的誤用是引起P值爭論的主要原因，因此在 P值爭論中被學(xué)術(shù)界普遍討論的P值的常見誤用不僅 反映了學(xué)校教育的薄弱環(huán)節(jié)，也給這門課程的課堂教 學(xué)指出了需要重視的地方這里結(jié)合作者對于此門課 程的教學(xué)經(jīng)驗，列舉兩點學(xué)生們對于P值常見的誤用 加以討論最常見的

17、誤用即當(dāng)計算得出的P值大于設(shè)定的顯 著性水準(zhǔn)時,認(rèn)為原假設(shè)是成立的，即得出“無差別$ 或“無作用”等結(jié)論然而實際上，假設(shè)檢驗方法不能 提供原假設(shè)正確的概率保證如果試驗樣本少，也可 能得到P值大于設(shè)定的顯著性水準(zhǔn)的檢驗結(jié)果在教 學(xué)中可以結(jié)合檢驗統(tǒng)計量的計算公式從原理上講解， 如$值的計算公式中，在均數(shù)一致的情況下，樣本容量 直接影響公式中作為分母的標(biāo)準(zhǔn)誤的大小，并最終對 P值和統(tǒng)計推斷結(jié)果產(chǎn)生影響在介紹原理的基礎(chǔ) 上，結(jié)合相應(yīng)的生物學(xué)數(shù)據(jù)作為例題，例如以大田條件 下,單株產(chǎn)量實際存在差異的兩水稻品種的單株產(chǎn)量 數(shù)據(jù)為例，當(dāng)統(tǒng)計的樣本容量逐漸增大或減小時,均值 變化不會很大，但是兩樣本$檢驗的P值

18、會有明顯變 化,一般樣本容量較小時對應(yīng)的P值相對較大通過 此類例題直觀的展現(xiàn)出較大的P值與實際能否作出 “無差別”的結(jié)論的關(guān)系，輔助學(xué)生加深對此的理解在教學(xué)過程中遇到的另一常被學(xué)生誤用的情形 是,P值越小被錯誤地理解為差異越大然而P值的 大小只表征差別有無統(tǒng)計學(xué)意義，與效應(yīng)量（effect size）沒有必然的聯(lián)系，即并不表示實際差異的大小 例如在樣本容量足夠大時，即使差異非常微小也可能 得到很小的P值對于效應(yīng)量的表征目前有多種形 式，使用較為普遍的是Cohens d值10 %此點在教學(xué) 過程中也可以結(jié)合檢驗統(tǒng)計量的計算公式從原理上講 解，并可以通過從反面列舉相關(guān)例題加以輔助教學(xué),如 列舉兩組

19、集中性很好的樣本，容量較大但均數(shù)相近的 數(shù)據(jù)且計算的P值遠(yuǎn)小于顯著水準(zhǔn)，這樣可以直觀地 讓學(xué)生理解P值與實際差異大小之間的關(guān)系3.3可將“P值爭論”作為教學(xué)素材鼓勵學(xué)生自主學(xué) 習(xí)與討論P值爭論本身也可以作為生物統(tǒng)計學(xué)課程很好的 教學(xué)素材可以通過介紹學(xué)術(shù)界對P值爭論的原因、 過程以及各種學(xué)術(shù)觀點，引導(dǎo)學(xué)生思考,加深學(xué)生對相 關(guān)概念的理解此外，P值爭論是目前尚未形成統(tǒng)一 的學(xué)術(shù)觀點的前沿?zé)狳c話題，是組織學(xué)生討論的很好 的素材可以向?qū)W生推薦P值爭論的熱點文獻(xiàn)，并鼓 勵學(xué)生課下自己搜集材料,組織學(xué)生分組，每組圍繞一 個主題或圍繞一個共同的主題，在條件允許的情況下， 通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式讓學(xué)生討論并闡述對P值及P值 爭論的理解同時，教師應(yīng)該在課堂上對學(xué)生在討論 過程中關(guān)于概念可能的不當(dāng)理解及時指出，對學(xué)生的 各種觀點予以客觀總結(jié)、點評這也是促進(jìn)學(xué)生對P 值的理解以及正確使用的一個行之有效的教學(xué)方式在課堂中利用P值爭論的熱點組織討論，不僅使 學(xué)術(shù)前沿自然地走進(jìn)課堂，而且改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方