以學(xué)科內(nèi)容為依托的計(jì)算思維能力培養(yǎng)

彭柳芬+周怡+劉艷松

[摘 要] 針對目前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中計(jì)算思維教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，以醫(yī)藥專業(yè)的學(xué)科內(nèi)容為依托，在教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面對計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)變革進(jìn)行探討，提出結(jié)合醫(yī)藥學(xué)科內(nèi)容特點(diǎn)，滲入計(jì)算思維能力培養(yǎng)，提高醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，并展示出在“計(jì)算思維能力試點(diǎn)班”中的實(shí)施過程和效果。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算思維;教學(xué)方法;教學(xué)內(nèi)容

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2014）03-0058-03

0 引言

利用計(jì)算手段進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究將成為未來各學(xué)科人才進(jìn)行創(chuàng)新的主要手段之一。創(chuàng)新需要學(xué)科交叉，面向不同學(xué)科創(chuàng)新的計(jì)算思維能力培養(yǎng)尤其需要復(fù)合型的知識(shí)交叉，既要理解學(xué)科專業(yè)的研究對象與思維模式，又要理解計(jì)算思維。本文的研究以醫(yī)藥專業(yè)為試點(diǎn)，闡述“計(jì)算思維”的核心內(nèi)容，在教學(xué)過程中充分結(jié)合計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程與醫(yī)藥專業(yè)的特點(diǎn)，探索并分析非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對計(jì)算思維能力的需求，從而得出大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的解決方案，對學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

1 研究背景

當(dāng)今之信息時(shí)代，各專業(yè)學(xué)生必須學(xué)習(xí)利用計(jì)算進(jìn)行問題求解的能力。而從20 世紀(jì) 90 年代末期教育部倡議在大學(xué)開展“計(jì)算機(jī)文化”教育開始，經(jīng)歷了以常用軟件學(xué)習(xí)與掌握為主的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”教育階段和以素養(yǎng)與應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)共性知識(shí)講授為主的“計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)”教育階段。但隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，問題和矛盾也越來越多，如面對快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)如何對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍、理論內(nèi)容與應(yīng)用技能的教學(xué)與訓(xùn)練如何平衡等。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和高等教育出版社等組織了多次大學(xué)計(jì)算機(jī)論壇，探討“計(jì)算思維”的形式和內(nèi)涵等。以計(jì)算思維為導(dǎo)向進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革和面向“計(jì)算思維”的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的基本思路已經(jīng)取得共識(shí)[1]。

長期以來，國內(nèi)醫(yī)藥院校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育內(nèi)容主要是Windows+Office的基本使用和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，課時(shí)較多的學(xué)校還輔以數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁制作、flash和photoshop等，但其主要內(nèi)容與國內(nèi)理工科院校基本相同。醫(yī)藥院校，多年來全面針對一、二年級的學(xué)生開設(shè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，主要授課內(nèi)容及理念與國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)藥院?；疽恢?。但是，隨著“計(jì)算思維”的提出，要重新審視課程設(shè)置及教學(xué)方法，探討更加適合醫(yī)藥院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的知識(shí)內(nèi)容體系和教學(xué)安排。

如何培養(yǎng)醫(yī)藥專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)使用技能和計(jì)算機(jī)問題求解能力，給醫(yī)藥院校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育帶來了新的挑戰(zhàn)。筆者提出，先由教師授課開始，將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的主要內(nèi)容與醫(yī)藥學(xué)科的應(yīng)用實(shí)例結(jié)合，通過逐步引導(dǎo)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)藥科學(xué)融合起來，刺激學(xué)生用計(jì)算思維的方式求解醫(yī)學(xué)問題的欲望和沖動(dòng)。將“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)引入“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程”教學(xué)課堂，并選取一些班級作為試點(diǎn)班進(jìn)行改革。從醫(yī)藥院校特點(diǎn)和專業(yè)性考慮，筆者選取了“預(yù)防醫(yī)學(xué)”專業(yè)作為試點(diǎn)進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程試點(diǎn)改革，在小范圍內(nèi)先行先試，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)吸取教訓(xùn)，并在將來進(jìn)行推廣實(shí)施。

2 以學(xué)科內(nèi)容為依托的教學(xué)方法改革研究

非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)教學(xué)不僅要關(guān)注計(jì)算機(jī)及其通用計(jì)算手段應(yīng)用知識(shí)與應(yīng)用技能的教學(xué)，還要關(guān)注學(xué)生未來計(jì)算能力的需求[2]。教學(xué)過程中將計(jì)算思維與其他學(xué)科的思維相互融合，促進(jìn)各學(xué)科學(xué)生創(chuàng)造性思維的形成。廣東藥學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程主要內(nèi)容包括大基+程序設(shè)計(jì)，筆者將舉例展示“計(jì)算思維”在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中的闡釋。

2.1 以電子健康檔案引入“0和1”編碼和存儲(chǔ)概念

國家十二五期間要建設(shè)居民電子健康檔案、電子病歷和專用網(wǎng)絡(luò)，通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息高度共享，使降低藥品庫存成本、醫(yī)保異地支付和藥品安全使用等醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)更加惠及民眾，也使得醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的可計(jì)算性得以明顯地顯現(xiàn)。以此為切入點(diǎn)，教師在課堂逐步展開對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，馮諾依曼模型、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息處理過程、信息數(shù)字化、計(jì)算自動(dòng)化和多核系統(tǒng)（并行）的相關(guān)概念，再輔以衛(wèi)生信息化建設(shè)的成功案例，將學(xué)生的專業(yè)興趣、計(jì)算機(jī)問題探究和大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育知識(shí)點(diǎn)密切地結(jié)合在一起。

例如，醫(yī)學(xué)中的“齲齒”和“傷寒”這兩個(gè)病名的漢字以及英文字母“K”，用目前普遍采用的Unicode（UCS-2用兩個(gè)字節(jié)來表示一個(gè)字符），其編碼參見表1。

以學(xué)生熟悉的疾病名稱引出其機(jī)內(nèi)碼表現(xiàn)形式，并介紹不同進(jìn)制的差異及其存在的原因，進(jìn)一步介紹計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)原理，使醫(yī)學(xué)生對二進(jìn)制有了較好的理性和感性的認(rèn)識(shí)。知道現(xiàn)實(shí)世界的各種信息（數(shù)值性和非數(shù)值性）都可被轉(zhuǎn)換成0和1，進(jìn)行各種處理和變換，然后再將0和1轉(zhuǎn)換成滿足人類的各種信息，“0和1”的思維體現(xiàn)了語義符號(hào)化，是計(jì)算自動(dòng)化最重要的基礎(chǔ)，是計(jì)算思維[3]。筆者課堂上也提到國際疾病分類碼（international classification of disease10，ICD10）并舉例說明，為后續(xù)的醫(yī)學(xué)信息學(xué)教育埋下伏筆，誘使學(xué)生深入思考編碼的廣泛意義。

因?yàn)榇鎯?chǔ)而要編碼（機(jī)器能接受的碼），能存儲(chǔ)編碼，也就能存儲(chǔ)指令，能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令序列，就有了自動(dòng)執(zhí)行、自行運(yùn)算的條件。醫(yī)學(xué)生的思路從“齲齒”、“傷寒”、“ASCII”、“Unicode”到ICD10的演繹，計(jì)算思維概念開始逐漸萌芽。

2.2 用專業(yè)性內(nèi)容刺激學(xué)生計(jì)算機(jī)緣

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程關(guān)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和word、excel、powerpoint等內(nèi)容的介紹中，有較大量的實(shí)驗(yàn)，在計(jì)算思維能力培養(yǎng)改革之前大都以驗(yàn)證性、操作性的實(shí)驗(yàn)課組織教學(xué)。此次的改革試點(diǎn)過程中基于90后大學(xué)生的“數(shù)字土著”的特點(diǎn)，較大跨度的改變教學(xué)方式——精講多做，而實(shí)驗(yàn)課轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造型的綜合設(shè)計(jì)性教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課上，老師提供主題，在不違背課程原則基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容、表現(xiàn)形式、內(nèi)容的組織結(jié)構(gòu)完全先由學(xué)生自由發(fā)揮，后由老師審核表現(xiàn)形式和組織結(jié)構(gòu)，最大程度上實(shí)現(xiàn)學(xué)生自由創(chuàng)新能力的提升。

例如，word教學(xué)按照“講+展+精彩呈現(xiàn)”的方式進(jìn)行，即先介紹文字、圖片、編輯、排版和樣式等經(jīng)典內(nèi)容，再向?qū)W生展示經(jīng)過教師精選的與自己專業(yè)有關(guān)的word作品，然后安排學(xué)生在課后每人制作一份“精華式”（僅限一頁）word作品，教師在下一次課堂上逐個(gè)播放每一位學(xué)生的作品，并對精彩作品進(jìn)行特別的展示、闡釋和評價(jià)。word的教學(xué)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段是“精簡型”文檔訓(xùn)練，在教學(xué)與實(shí)驗(yàn)過程中以“精華式”word制作展開，訓(xùn)練的目的是圍繞主題，運(yùn)用word編輯技巧，借助word編輯功能，用盡可能少的篇幅、盡可能簡短的話語展現(xiàn)盡可能豐富的內(nèi)容;第二階段是高級應(yīng)用，主要內(nèi)容包括：長文檔編輯，郵件合并，表格操作，數(shù)據(jù)處理等。

word教學(xué)內(nèi)容使用“講+展+精彩呈現(xiàn)”的方式，極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生自學(xué)和創(chuàng)作的積極性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，主題為“我和預(yù)防醫(yī)學(xué)”的word作品中，同學(xué)們使用了word軟件中約75%的功能，并且有部分學(xué)生能夠?qū)ord軟件中的功能與其他常用應(yīng)用軟件非常好的結(jié)合使用。 幾乎所有word作品中，學(xué)生都能夠通過特定的思維活動(dòng)使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題，學(xué)生將自己的專業(yè)思想以word作品的形式全面而簡潔地表現(xiàn)了出來，而將手工書寫和作圖的過程利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。這為學(xué)生尤其是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，更好地理解和掌握計(jì)算機(jī)的工作原理和“計(jì)算”概念的抽象性做了進(jìn)一步的鋪墊。

2.3 演示文稿中的“程序”思維能力訓(xùn)練

演示文稿（PPT）是一個(gè)含文字、圖片、動(dòng)畫和聲音的較為復(fù)雜的系統(tǒng)，由基本元素（文字、圖片、動(dòng)畫和聲音等）以及基本元素的各種組合構(gòu)成。因此制作一個(gè)PPT演示文檔需要能夠?qū)崿F(xiàn)這些基本元素的控制、組合與出現(xiàn)次序編排的機(jī)制，這個(gè)機(jī)制就是“程序”。PPT系統(tǒng)可以按照已經(jīng)設(shè)定好的“程序”控制“基本元素”的執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)美輪美奐的演示效果，在一份優(yōu)秀PPT制作的過程中，學(xué)生的“程序”思維能力得到很好的訓(xùn)練。筆者根據(jù)學(xué)生情況擬制了相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)大綱，主要分為兩部分：表現(xiàn)藝術(shù)與演示文稿的制作、多格式文稿與媒體信息交互編輯制作。其中第一部分從5個(gè)方面進(jìn)行講解及演示：演示文稿制作的流程與方法、文稿中的文字處理技術(shù)、素材及幻燈片的制作、演示文稿的編輯和交互式設(shè)計(jì);第二部分從文字、圖片、圖表、音效和動(dòng)畫等方面充分展示演示文稿的制作過程：“言簡意賅”——文字在動(dòng)畫中的應(yīng)用，“震撼視覺”——圖片在動(dòng)畫中的應(yīng)用，“言之有據(jù)”——圖表在動(dòng)畫中的應(yīng)用，“抑揚(yáng)頓挫”——音樂、音效與動(dòng)畫的節(jié)奏配合，錯(cuò)落有序的意境傳遞和行云流水般的表現(xiàn)。課程整體安排巧妙而富有藝術(shù)性，將計(jì)算思維的概念貫穿于教學(xué)的全過程，既讓學(xué)生掌握了相應(yīng)的技能，又把計(jì)算思維的理念通過知識(shí)內(nèi)容無形地傳遞給了學(xué)生，充分體現(xiàn)了技能掌握與思維訓(xùn)練的雙重結(jié)合。

教學(xué)過程中，在知識(shí)點(diǎn)“錯(cuò)落有序的意境傳遞和行云流水般的表現(xiàn)”的教學(xué)過程中引入“程序”思想進(jìn)行授課。學(xué)生對教學(xué)方式和內(nèi)容響應(yīng)很好，對知識(shí)內(nèi)容的掌握效果非常好，筆者根據(jù)本知識(shí)點(diǎn)布置了相應(yīng)的綜合作業(yè)。學(xué)生自由組隊(duì)，題材自選，自由收集素材，利用PowerPoint制作動(dòng)畫作品，然后上臺(tái)展示，評委由全班同學(xué)+課題組老師+嘉賓（廣州市健康教育所相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)）組成。在最后的角逐中，作品“手機(jī)病”、“霧霾”和“蚊子的戰(zhàn)爭1～3季”脫穎而出。其中“蚊子的戰(zhàn)爭1～3季”被廣州市健康教育所選中，用于“登革熱”教育宣傳，得到相應(yīng)創(chuàng)意獎(jiǎng)金及后續(xù)的項(xiàng)目合作機(jī)會(huì)。

“蚊子的戰(zhàn)爭1～3季”既是PPT制作的作品，又是圖文并茂、聲效俱佳的全動(dòng)畫作品。PPT展示的是一位小男孩救哥哥的故事。整個(gè)故事情節(jié)由小男孩救被“登革熱魔王”抓走的哥哥而歷經(jīng)各種關(guān)卡的游戲形式展現(xiàn)。在這些關(guān)卡中將登革熱（通過回答闖關(guān)式問題、科普卡、信息展示等方式）和防蚊滅蚊（道具卡）的知識(shí)植入主人公的游戲闖關(guān)過程中。這一形式達(dá)到了玩家體驗(yàn)闖關(guān)成功的快樂、設(shè)計(jì)者普及健康知識(shí)的雙重效果。作為一個(gè)非IT專業(yè)的二年級學(xué)生能夠制作出如此專業(yè)、精美而有創(chuàng)意的作品實(shí)屬不易，充分說明筆者的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)方式的成功。通過允許學(xué)生自由發(fā)揮、同臺(tái)競技和機(jī)會(huì)誘惑的形式最大程度的刺激了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也挖掘出了學(xué)生的潛能，讓學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)更有信心、更具自主性，再一次體現(xiàn)了計(jì)算思維教學(xué)的真諦。

“程序”思維能力是計(jì)算思維能力的重要組成部分，PPT教學(xué)中“錯(cuò)落有序的意境傳遞和行云流水般的表現(xiàn)”章節(jié)，就是經(jīng)過演繹后的“程序”思維，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用“程序”思維方式設(shè)計(jì)PPT信息表現(xiàn)和意境傳遞次序的功能，這是新一輪大學(xué)計(jì)算機(jī)教育教學(xué)改革的新特征，也是計(jì)算思維的提出對醫(yī)學(xué)生的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的新貢獻(xiàn)。新一輪大學(xué)計(jì)算機(jī)教育教學(xué)改革的新特征在于改變和提升了能力的內(nèi)涵，從而形成了大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的新功能。

2.4 以“計(jì)算思維”為導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

在程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)過程中，筆者認(rèn)為講授一門程序設(shè)計(jì)語言（比如Visual Basic），關(guān)鍵是“思想”和“方法”的掌握，而不僅僅是語言及其應(yīng)用。即提出了以“發(fā)現(xiàn)（接受）問題-分析問題-尋求解決方案-對各解決方案進(jìn)行比較選優(yōu)-方案實(shí)施”為思路的“問題求解驅(qū)動(dòng)式程序設(shè)計(jì)”的訓(xùn)練方法[4]。以此達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生掌握運(yùn)用計(jì)算思維方法解決實(shí)際問題的目的。

在此環(huán)節(jié)，筆者沒有花過多的時(shí)間對程序設(shè)計(jì)語言的工具、語法和案例進(jìn)行講解，而是事先布置任務(wù)讓學(xué)生自行預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，然后抽取適當(dāng)適量的題（國家二級考試真題）進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練前，老師會(huì)對任務(wù)的要點(diǎn)、要求等進(jìn)行詳細(xì)的解釋;訓(xùn)練過程中，遇到問題時(shí)有專職實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)老師進(jìn)行解答;訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，老師再對訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的問題及訓(xùn)練結(jié)果一一講評，使大部分學(xué)生掌握本環(huán)節(jié)內(nèi)容。而考核部分，筆者對傳統(tǒng)的考核方式進(jìn)行了改革，舍棄了傳統(tǒng)的“期末考”考核方式，而是主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：第一，教學(xué)過程中進(jìn)行三次上機(jī)考核，機(jī)試的最終得分為三次機(jī)試的平均分;第二，學(xué)生參加“全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)水平考試”。最后，綜合機(jī)試成績和統(tǒng)考成績作為學(xué)生的期末成績。上機(jī)考核的題目來源于國家二級考試真題，先把真題集中并根據(jù)知識(shí)內(nèi)容特點(diǎn)劃分為三個(gè)階段：基礎(chǔ)知識(shí)題、操作性題和綜合性題，并做成題庫，由學(xué)生抽簽得到其需完成的題目。學(xué)生除了完成題目自身的要求外，還需對題目可能涉及的內(nèi)容進(jìn)行開放性的解答。計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的工作原理，可以訓(xùn)練學(xué)生的“計(jì)算思維”。思維是由一系列知識(shí)所構(gòu)成的完整的、互相貫通的解決問題的思路。這種貫通性的思維是可實(shí)現(xiàn)的思維而非實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，盡管其可抽象化、概念化，但能留在人們記憶中的可能是其可視化、形象化的表現(xiàn)，即應(yīng)將思維以可實(shí)現(xiàn)、可視化的方式而不是簡單化、概念化的方式傳授給學(xué)生，把知識(shí)貫穿于思維的講解與訓(xùn)練中。

3 結(jié)束語

計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中具有舉足輕重的地位，起著引領(lǐng)和導(dǎo)向作用。培養(yǎng)良好的計(jì)算思維能力和建立正確的思維方式對學(xué)生掌握各種知識(shí)起到事半功倍的作用[5]。本文提出以醫(yī)學(xué)生的學(xué)科內(nèi)容為依托，結(jié)合醫(yī)藥學(xué)科應(yīng)用實(shí)例，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)藥科學(xué)相融合的教學(xué)方式，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而逐漸培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)態(tài)度，掌握高效的學(xué)習(xí)方法并學(xué)會(huì)解決問題。本試點(diǎn)課程的課程設(shè)計(jì)及教學(xué)方式方法受到了學(xué)生的歡迎，引發(fā)學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)的極大興趣，使醫(yī)藥院校學(xué)生基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的能力有所增強(qiáng)。

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