以计算思维为核心的医学院校计算机基础课程教学模式研究.doc

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1、以计算思维为核心的医学院校计算机基础课程教学模式研究 摘 要：通过计算机基础课程培养学生计算思维能力有利于学生创新能力的提高。为此，需要对教学内容、教学方法和考核方式等进行改革。在参考已有研究成果的基础上，结合实际教学经验，对医学院校计算机基础课程教学模式进行探究。 DOI：10.11907/rjdk.143865 基金项目：南京中医药大学教育教学改革2013立项课题（NZYJG2013-16） 作者简介：印志鸿（1980-），女，江苏泰州人，南京中医药大学信息技术学院讲师，研究方向为计算机应用、医药信息工程研究;周金海（1958-），男，江苏南京人，南京中医药大学信息技术学院教授，研究方向为

2、计算机应用、医药信息工程研究。 0 引言 计算机基础课程是高校各专业开设的必修课程之一，但是由于学生个体差异较大，传统教学方法和教学内容使学生对该门课程的学习兴趣逐渐下降。在医学院校，学生对计算机基础课程普遍不够重视，虽然部分学生能够通过等级考试，但实践中发现思考问题、解决问题的能力有待提高，需要对计算机基础的教学模式进行反思。计算思维的提出使得计算机基础课程教学改革有了新的思路和目标。以计算思维能力培养为目标，改革教学模式，从而提高学生的学习能力。 1 计算思维 1.1 计算思维的提出 美国早在2005年就提出了计算思维的重要性，当年6月，美国总统信息技术咨询委员会提交了计算科学：确保美国竞

3、争力的报告，建议将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位¹。2007年NSF提出了CPATH计划，认为计算普遍存在于日常生活之中，培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念的企业家和员工非常重要。2008年美国NSF提出的CDI计划，旨在通过“计算思维”领域的创新和进步，促进自然学和工程技术领域产生革命性的成果²。 2006年，美国卡内基?梅隆大学周以真（Jeannette M. Wing）教授³ 提出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求

4、解、系统设计以及人类行为理解，是涵盖计算机科学的一系列思维活动。该思想一提出即成为国际及国内教育界关注的热点。 2010年，我国九校联盟在计算机基础教学发展战略联合声明中指出，加强以计算思维为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究⁴。2011年，在北京开展了“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”的研讨会，部分高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了广泛探讨。 1.2 计算思维特点 根据周以真教授的观点，计算思维有以下特点⁵：计算机科学化、概念

5、化，而不是程序化。这就要求除了能为计算机编程，还要能从思维上进行抽象;计算思维是根本的而非刻板的技能，是指导解决问题的方法，而不是具体的操作技能;计算思维是人类求解问题的一条途径而不是计算机的思维方式。这说明计算思维是人类的思维，计算机只是为了更好地服务于人类;计算思维本质是数学思维与工程思维的互补与融合;计算思维是一种思想而不是人造物，它面向所有人、所有地方。 2 计算机基础课程教学现状 2.1 计算机基础课程地位 计算机基础是大学普遍开设的一门公共基础课，但在教学实践中，往往被狭隘地认为计算机只是一个工具，计算机基础课程的教学目的就是让学生学会工具的使用。在医学院校，从管理层到学生都比较重

6、视医药类专业课程，而对计算机基础课的认识还是停留在学习计算机软件使用的层面，甚至认为该类课程可有可无。 2.2 教学内容单一 随着计算机教育的逐渐普及，学生计算机技能不断提高，很多地区已经在中学甚至小学开设了计算机基础课程。高校招生面向全国学生入学时的计算机技能差异非常大。部分学生在中小学阶段已经掌握了计算机基础知识，但也有部分学生对计算机较陌生。这就要求计算机基础课程体系要照顾到不同层次学生的需求，传统的计算机技能教学受到了挑战。目前计算机基础教学内容主要是一些计算机基本原理和软件使用，一些基础比较好的学生往往由于对教学内容比较熟悉而失去学习兴趣。 以计算思维为核心的教学应让学生学习如何通过

7、应用计算对各学科进行研究和创新，而不是单纯讲解某些软件的使用，这是计算思维教学理念的特征。按照周以真的观点，一个人可以主修计算机科学而从事任何行业。在医学院校，培养学生的计算思维能力，将计算思维融入到医学的学习中对学生的帮助会更大。 2.3 教学方法落后 目前大部分高校教学方法并没有很大的突破，只是利用了现代化的教学方式。几乎都是理论课进行讲授，实验课大多采用示范性教学，以老师讲，学生听为主的灌输式教学，忽略了学生思维能力的培养。实验教学环节，大部分老师只是讲解一种或者几种软件的使用，而不是培养学生应用计算机进行业务工作的能力。对于软件使用也是机械地重复练习，而不是从解决问题的角度来引导学生设

8、计解题方案。 3 以计算思维为核心的教学改革 3.1 教学内容 在教学内容上应该围绕学生计算思维的培养来开展。根据陈国良院士给出的建议¹，教学内容改革可从如下方面着手： （1）信息技术基础与计算思维基础知识。此部分主要包括信息技术概念、数制转换与计算以及计算思维的基本概念。 （2）计算机组成原理。包括计算机组成、CPU工作原理、存储器工作原理、常见I/O设备以及常见医疗仪器的介绍。 （3）计算机软件。包括算法的概念、程序设计语言、系统软件和常用的应用软件以及软件工程等概念的介绍，增加医院信息系统介绍。 （4）计算机网络。包括网络分类、常见组网方式、

9、因特网以及网络应用等。 （5）计算机多媒体。包括图形图像、声音、动画和视频等，介绍一些在医学中常见的应用。 （6）数据库知识。包括数据库的分类、常见数据库介绍等。 上述内容讲解并不是孤立的，而是贯穿于整个教学过程中，如冯?诺依曼计算机模型在硬件基础、操作系统、程序设计中都得到体现和应用。通过讲解重点培养学生的思维能力⁶，任何一个计算手段的研究都离不开以下核心计算思维：“0和1”的思维、“程序”思维、“递归”思维;计算环境、并行与分布计算环境、云计算环境; “算法”、“系统”; “社会/自然的计算化”、“计算/求解的自然化” 计算思维使得各学科均可以

10、应用计算手段进行科学问题的研究和创新。如可结合重点生命科学中的案例，利用各种仪器获取大量实验数据，通过计算、模拟和比较分析等方法研究细胞、组织、器官等的生理、病例与药理机制，研究疾病治疗的新手段、新药物等。 3.2 教学方法 在教学过程中应该以计算思维基本解题步骤为导向，可以通过实例、练习来强化学生对基础概念的理解，提高学生的计算思维能力。例如在讲解程序设计中的具体问题时，不是将程序直接告诉学生去验证，而应该通过讲解算法建立数学模型，再进行算法的设计和分析，最后通过程序设计语言编写出相应的程序。 课堂教学可采取“提出问题分析问题解决问题评价解决方案”的方式，充分发挥学生学习的主动性，变以老师讲

11、为主为学生思考为主，引导学生以科学的思维方式对知识进行分析，从而理解和接受知识。对于相同的问题允许学生从不同的角度探讨，养成思维习惯。 如对于一般算法类问题可采取如图1所示的过程进行求解： 图1 问题求解过程 3.3 考核方式 教学内容和教学方法的改变必然要求改变相应的考核方式，否则会回到传统教学模式中。 采取恰当的考核办法来考核学生完成任务的情况及计算思维运用的能力，教学中重视学习过程，强调能力培养。改革形式单一的考试制度，运用科学、合理、全面的考核方式（见图2）。 图2 教学考核方式 加强平时教学环节的考核，客观评价学生的学习情况，使教学评价多角度关注学生不同阶段的学习情况。 实践教学中，

12、重点对过程和能力进行考核和评价（见图3）。 图3 实践教学考核与评价 3.4 教学内容改革实例 教学内容安排注重拓展学生的思维。如笔者在讲解Excel应用时，通过参与的2011年度教指委试点项目“医学信息分析与决策”核心课程教学模式与实验平台研究，用Excel进行计算机仿真，产生随机数并利用样本数据仿真药品库存情况。仿真实验主要利用Excel中提供的各类函数和内嵌数据分析工具，进行仿真模型构建，用仿真模型来预测各种决策的结果。实验内容：某医院丙种球蛋白药品进药量调整的问题分析。假设条件如下：为保证不因药房缺药而影响开药治疗，要求丙种球蛋白药进药临界值为100盒，即该药存货小于100盒，必须进药

13、，进药送货费为100元;药品进库后，在药房存储的存储费用为0.1元/盒/天，但如果缺货，造成的损失是0.3元/盒/天;每盒药品的进价是一个均值为4元、标准差为0.5元呈正态分布的随机变量，售出价格为5元;根据以往经验知道该药品的使用量x的概率分布如表1所示。 现在医院管理人员希望了解如下问题的答案： （1）药房为该药品的管理支付的期望费用是多少？ （2）如果药房缺药，医院的期望损失是多少？ （3）医院从该药获得的期望收入是多少？ （4）药房为了不使药品积压造成损失，希望寻求一个 最合适的进药量，使支出的费用最少，最合适量为多少？ 表1 药品每天使用量分布 概率密度需求 0.2200 0.252

14、20 0.35300 0.15350 0.05400 由于每天药品使用量是一个离散概率分布的随机变量，而药价是一个均值为4，标准差为0.5的正态分布的随机变量，因此采用Excel随机数生成函数对药品库存进行仿真模拟。然后建立药品仿真模型，最后完成仿真模型构造。该仿真模型的构造完全采用Excel中提供的各种函数完成。 类似实验内容对于医学类院校学生来说既贴近专业知识，又能针对性地锻炼思维方式，可以取得事半功倍的教学效果。 4 结语 计算思维的培养有利于提高学生的信息素养，提高处理问题的能力。计算思维并不仅限于计算机教育，而应该贯穿于大学四年的整个教学体系当中，融入到各学科各专业的教学过程中。以计算思维为核心将改变大学计算机教育传统的教学模式，需要长期努力实践，不断完善，从而培养出具有计算思维能力的、训练有素的现代化人才。