P值争论对生物统计学课程教学的影响

1、L值争论对生物统计学课程教学的影响摘 要 p值在当前生物学数据的统计学分析所广为接受的规范中处于核心位置，大多数的数据分析结果最终用 P值来体现,并依此作出科学问题的推断。然而，随着对p值的误解以及p值局限性讨论的深入，特别是对于实验 结论可重复性的焦虑，引起了学术界对P值使用的激烈争论。P值的误用以及P值争论的出现也从侧面折射出在 大学和研究生教育中生物统计学课程教学存在的不足在简要介绍P值争论的基础上，探讨当前P值争论引起的 对生物统计学课程教学的一些反思和启示。关键词 P值;P值争论；生物统计学;教学(-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统计学知识在不同领域都有广泛应用，在终生学 习的社会氛围中，即使不是所有学生在以后的职业生 涯中都会频繁用到统计学知

5、识,但对于统计学知识的 掌握也有助于他们理解和学习其他知识。因此，统计 学相关课程作为很多专业的基础课程在高校中广泛开 设。生命科学相关专业一般开设生物统计学等课程。 特别是在生命科学步入大数据时代，此门经典课程的 重要性和实用性日益提升。统计学中P值概念的提出最早可以追溯到1900 年经过不断发展，一个多世纪以来已然成为统计 推断中普遍依据的一个指标，这也部分得益于其依赖 的统计学模型相对简单且学术界有普遍采用的“判断 阈值”（如P 0.05） $研究发现,P值的使用频率远高 于置信区间等其他统计学指标,且在研究结果中报告P 值的科学论文比例仍呈上升趋势3 %然而P值被大量 误用甚至不合理地

6、作为统计推断的唯一依据的情形亦 屡见不鲜，导致其在被广为采用的同时也饱受争议P值作为统计推断的核心依据，其概念也是生物 统计学课程教学的重点和难点然而P值的大量误用 也促使我们在大学教育中对于统计学的教学作出反 思美国统计学会（ASA）在关于统计意义和P值的声 明中描述了 George Cobb教授在ASA论坛上提出的两 个问题以及所得到的令人深思的答案H %问题1:为什么在众多高校中教授的P值判断阈 值是0. 05?答案：因为学术界以及期刊的编辑们都是这样使 用的%问题2:为什么大家仍在使用0. 05作为P值的判 断阈值？答案：因为大学课程是这样教的上述问题所描述的“怪圈”折射出我们在相关课

7、 程教学中仍有亟待改进的地方而关于P值的争论在 生命科学领域的研究中尤为激烈，因此不能忽视其对 生物统计学课程教学的影响。1 P值争论随着自然等权威期刊的持续关注及讨论用，学 术界争论了一个多世纪的P值在近几年讨论更加广泛 和深入。针对P值的争论,ASA在2016年发表了关于 统计意义和P值的声明旬，在学术界引起很大反响。 关于P值争论的学术论文很多，观点也不尽相同，这里 难以描述全面，只简单介绍作者的一些理解。引起P值争论的一个重要原因是过分强调P值甚 至错误地使用和解释P值，从而引发了学术界对相关 科学结论的可靠性和可重复性的担忧。过分强调和依 赖P值,甚至以P值作为统计推断的唯一依据而不

8、考 虑实验设计和数据收集过程以及其他统计学指标，这 显然是片面的。特别是随着“P 0.05”逐步成为学 术界默认的“标准”，研究人员容易陷入“P值操纵” （P#iackmg）的陷阱7 %除了过分强调P值外，对于P 值常见的错误使用和解释也是引起学术界担忧的重要 方面例如，当P值大于设定的显著水准时，可能会做 出零假设成立（即没有显著差异）的推断，这是很多学 术论文中常见的因对P值的误解而得出的不合理的科 学推论7 %弓I起P值争论的另一重要原因可能是P值 或其依赖的统计学模型本身并非完美例如P值并不 是原假设成立的概率，正如ASA关于统计意义和P值 的声明中的描述:P值本身并非一个对模型或假设

9、提 供证据度量的理想指标H%另一方面，当样本容量增 大时，理论上得到一个非常小的P值的可能性会大大 增加，进而导致拒绝原假设的概率也会增加，此时P 值并不能算是一个十分有效的指标，这也是导致“P值 操纵”容易实现的重要原因关于P值的争论仍在进行,但是目前学术界普遍 接受和认可的是，P值在当前应用于统计推断中的作 用被过分放大甚至误用是客观存在的虽然存在完全 摒弃P值的意见国，但是多数学者仍认可P值的作用 在沈c+,关于P值争论的专刊（59卷5期）中，参与讨论的学者几乎一致地认为P值作为基 本的统计推断工具不应该被摒弃9 %近期Nature发布 的一篇超过800位学者签名支持的评论文章呼吁放弃

10、使用统计显著性作为研究结果评估指标，但是也强调 并不是摒弃P值,并建议在报告P值时给出其精确值 而不是一个不等式（如P 0.8） ? ASA的 声明中建议研究者公开所提出的全部假设、收集到的 数据、数据分析结果,P值结果，以及这些分析是如何 被选中用于报告的4 %事实上已经有不少学术期刊正 在努力这样做当然报告确切的P值可以让读者或研 究者自己判断结果提示的意义不失为另一种选择回， 但是笔者认为这似乎有为了避免错误而将做出科学推 论的任务推给读者的嫌疑由此可见，持续了一个多 世纪的P值争论可能将继续争论下去2积极对待P值争论对课程教学的影响P值作为假设检验统计思想的核心，在生命科学 研究中应用

11、尤为广泛3 %使学生正确理解并合理使用 P值进行生物学数据的分析是生物统计学课程的重要 教学目标学术界关于P值的大讨论不仅使得对P值 的理解以及正确使用越来越清晰，而且将P值争论融 入教学对于帮助学生了解和掌握P值这一关键概念, 从而对提升生物统计学的课堂教学效果亦大有帮助 此外,学术界关于P值的争论虽然持续多年，但是P值 争论的最新动态也是该门课程教学中关于学科发展前 沿介绍无法回避的方面因此，应该积极对待P值争 论对此门课程教学的影响，并将P值争论的相关观点 和由此引发的教学方面的改革积极融入此门课程的教 学过程中%在前文提及的ASA的声明中关于“为什么学校这 样教是因为大家都是这么做的，

12、而为什么大家都这样 做是因为学校是这样教的”的“P值使用怪圈”4至少 给我们的教学提供两个方面的反思：一方面，我们关于 P值的教学可能存在欠缺或者不当，比如对于P值的 概念讲解不透彻，对其局限性以及常见使用误区未加 以深入剖析等，以致同学们对P值的理解可能片面化， 在P值使用时缺乏灵活性甚至误用；另一方面,当前关 于P值的学校教育可能使同学们走出学校后继续“机 械地”按课堂上所学知识使用P值，这可能也是导致 如今P值误用和争论的一个重要原因因此，正确、及 时地调整关于P值的学校教育可能是解锁“P值使用 怪圈”的一个根本环节，同时也会给关于P值的争论 注入更多积极、理性的因素3对课程教学的建议3

13、. 1课堂教学中应重点厘清P值的概念相对于专门的统计学教材，目前普遍采用的生物 统计学教材一般更偏重怎样运用统计学知识设计和解 决生物学问题，而对于统计学相关的原理和方法的描 述相对简单然而生命科学相关专业鲜有在开设生物 统计学的同时开设专门的统计学课程因此，在课堂 教学中对于像P值这种不易被学生理解的关键概念应 该避免按课本的简短描述来简单教学建议在介绍假 设检验以及假设检验的两类错误时应详细、客观地介 绍P值的概念作者在教学过程中经常发现学生们认为P值是原 假设（null hypothesis）发生的概率，因而依此根据较小 的P值推断原假设成立的可能性较小虽然按此逻辑 对最终的统计推断结果

14、没有影响，但这显然不是对P 值概念的正确理解。关于P值的具体含义，可以理解 成从一个假设所规定的特定总体中随机抽样,得到的 统计量值（如$值等）与实际观测数据的相同及更极端 （更大或更小）的概率4 %这个假设即无效假设或称 为原假设，顾名思义，它一般假设数据之间没有差异， 或相关的效应等不明显与之对立的假设称为备择假 设（alternative hypothesis） o P值越小，即在原假设的前 提下得到现有样本观察结果的概率越小，则可以反推 出原假设成立的可能性越小为促进学生深入理解P值,在介绍P值概念的同 时还应该重点介绍显著水准的概念，以引导学生正确 看待和灵活使用计算得到的P值，这对

15、于解锁当前的 “P值使用怪圈”非常重要显著水准一般是人为设定 的一个是否拒绝原假设的P值的阈值,若计算得出的 P值小于设定的显著性水准，则根据小概率反证法原 理，作出拒绝原假设的判断需要指出的是，确定的显 著性水准不同，可能得到完全相反的结论因此，影响 做出差异是否具有统计学意义的统计推断的因素除了 计算得到的P值外,还有事先确定的显著性水准的值 P值是一个概率值，依据P值不论作出是否拒绝原假 设的判断都可能得到错误的结论错误地拒绝了实际 正确的原假设，称为第一类错误,而确立的显著性水准 的大小决定了犯此类错误的可能性同样，当原假设 实际不成立时却未能正确的否定原假设，称为第二类 错误犯第二类

16、错误的概率不能确定,但是在样本容 量相同的情况下，它与犯第一类错误的概率呈“此消彼 长”的关系因此，学术界普遍采用的0. 05或0.01作 为显著性水准并不是“黄金准则”，需要我们根据良好 的实验设计以及实际情况合理地设置这一点无论是 在实际应用还是学校教育中都是容易被忽视的，值得 在课程教学过程中重点强调3. 2对P值的常见误用结合例题针对性剖析P值的误用是引起P值争论的主要原因，因此在 P值争论中被学术界普遍讨论的P值的常见误用不仅 反映了学校教育的薄弱环节，也给这门课程的课堂教 学指出了需要重视的地方这里结合作者对于此门课 程的教学经验，列举两点学生们对于P值常见的误用 加以讨论最常见的

17、误用即当计算得出的P值大于设定的显 著性水准时,认为原假设是成立的，即得出“无差别$ 或“无作用”等结论然而实际上，假设检验方法不能 提供原假设正确的概率保证如果试验样本少，也可 能得到P值大于设定的显著性水准的检验结果在教 学中可以结合检验统计量的计算公式从原理上讲解， 如$值的计算公式中，在均数一致的情况下，样本容量 直接影响公式中作为分母的标准误的大小，并最终对 P值和统计推断结果产生影响在介绍原理的基础 上，结合相应的生物学数据作为例题，例如以大田条件 下,单株产量实际存在差异的两水稻品种的单株产量 数据为例，当统计的样本容量逐渐增大或减小时,均值 变化不会很大，但是两样本$检验的P值

18、会有明显变 化,一般样本容量较小时对应的P值相对较大通过 此类例题直观的展现出较大的P值与实际能否作出 “无差别”的结论的关系，辅助学生加深对此的理解在教学过程中遇到的另一常被学生误用的情形 是,P值越小被错误地理解为差异越大然而P值的 大小只表征差别有无统计学意义，与效应量（effect size）没有必然的联系，即并不表示实际差异的大小 例如在样本容量足够大时，即使差异非常微小也可能 得到很小的P值对于效应量的表征目前有多种形 式，使用较为普遍的是Cohens d值10 %此点在教学 过程中也可以结合检验统计量的计算公式从原理上讲 解，并可以通过从反面列举相关例题加以辅助教学,如 列举两组

19、集中性很好的样本，容量较大但均数相近的 数据且计算的P值远小于显著水准，这样可以直观地 让学生理解P值与实际差异大小之间的关系3.3可将“P值争论”作为教学素材鼓励学生自主学 习与讨论P值争论本身也可以作为生物统计学课程很好的 教学素材可以通过介绍学术界对P值争论的原因、 过程以及各种学术观点，引导学生思考,加深学生对相 关概念的理解此外，P值争论是目前尚未形成统一 的学术观点的前沿热点话题，是组织学生讨论的很好 的素材可以向学生推荐P值争论的热点文献，并鼓 励学生课下自己搜集材料,组织学生分组，每组围绕一 个主题或围绕一个共同的主题，在条件允许的情况下， 通过翻转课堂的形式让学生讨论并阐述对P值及P值 争论的理解同时，教师应该在课堂上对学生在讨论 过程中关于概念可能的不当理解及时指出，对学生的 各种观点予以客观总结、点评这也是促进学生对P 值的理解以及正确使用的一个行之有效的教学方式在课堂中利用P值争论的热点组织讨论，不仅使 学术前沿自然地走进课堂，而且改变了传统的教学方