基于計算思維的Sandwich教學(xué)法研究
——以醫(yī)學(xué)生程序設(shè)計課程為例

付 淼

（中國醫(yī)科大學(xué)，遼寧 沈陽 110122）

1 計算思維概念及重要性

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式正面臨重大變革，人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與醫(yī)療健康領(lǐng)域的結(jié)合越來越緊密。智能醫(yī)學(xué)需要具備學(xué)科交叉、有創(chuàng)新實踐能力的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才。大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生用計算思維方式解決專業(yè)問題，并成為復(fù)合型人才的基礎(chǔ)性教育[1]。計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)的一系列思維活動[2]。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，各種決策將日益基于數(shù)據(jù)和分析而做出，計算思維將成為人們認(rèn)識和解決問題的基本能力之一，從計算機能力的培養(yǎng)到計算思維的養(yǎng)成是對高等院校計算機基礎(chǔ)教學(xué)的一個新挑戰(zhàn)[3]。

2010年《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中也指出要把培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[1]。在2010年“第六屆大學(xué)計算機課程報告論壇”大會報告中，陳國良院士同時也闡述了計算思維對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性，并為大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程改革提供了一種以提高學(xué)生計算思維能力為目標(biāo)的新模式[4]。在《中國高等院校計算機基礎(chǔ)教育課程體系2008》中將程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)確定為：學(xué)習(xí)問題求解的思路和方法（即算法）和理解計算機是如何具體實現(xiàn)算法的（即如何才能有效利用計算機編程），課程學(xué)習(xí)的重點是算法思想和問題求解的思路，即培養(yǎng)學(xué)生使用計算機編程，并最終形成計算思維[5]。程序設(shè)計課程是計算思維培養(yǎng)的重點方式，計算思維最終需要程序設(shè)計去實現(xiàn)[6]。

2 Sandwich教學(xué)法

Sandwich（即“三明治”）教學(xué)法是對理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)相結(jié)合的一種形象比喻，是“理論—實踐—理論”的人才培養(yǎng)模式。后來由德國海德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院將該理念運用于課堂教學(xué)而發(fā)展形成的一種新的課堂教學(xué)法[7]。該教學(xué)法將以教師講解為主的課堂結(jié)構(gòu)打散，強調(diào)以學(xué)生為主導(dǎo)，教師的授課過程中穿插學(xué)生小組討論、小組交叉學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)匯報等環(huán)節(jié)，即課堂上教師首先向?qū)W生講解本次課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容并提出本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)過程主要是以學(xué)生分組討論、學(xué)習(xí)小組交叉討論、學(xué)習(xí)匯報的形式展開。學(xué)生匯報后，教師要對學(xué)生的匯報和本次課程進(jìn)行總結(jié)，然后提出新的問題。學(xué)生根據(jù)本次課程所掌握的知識討論解決新問題，最后教師對學(xué)生解決問題的情況進(jìn)行反饋和評價。

Sandwich教學(xué)法改變了傳統(tǒng)以教師為主導(dǎo)的授課方式，將集體學(xué)習(xí)和個體學(xué)習(xí)相結(jié)合，讓學(xué)生真正參與到課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間進(jìn)行溝通和交流，以達(dá)到調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)能動性和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。計算思維教育就是在課程學(xué)習(xí)過程中逐漸形成的一種解決問題的思維能力和習(xí)慣，而更多的則是隱藏在教育教學(xué)方法和能力培養(yǎng)過程中，其目的是培養(yǎng)一種學(xué)習(xí)與思維習(xí)慣，以提供理解物理、社會及其他現(xiàn)象的一個新視角，給出解決問題的一種新途徑，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力。計算思維的養(yǎng)成能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)工作中敢于思考、勇于創(chuàng)新[3]。

在Sandwich教學(xué)法的實施過程中提倡由學(xué)生自主探索知識，在學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時，教師不限制獲取知識的方式，可以通過閱讀教材和參考資料、使用互聯(lián)網(wǎng)搜索資料、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)MOOC以及學(xué)生之間進(jìn)行交流等。在學(xué)生獲取知識的同時就形成了一種自主學(xué)習(xí)的形式和習(xí)慣。通過小組討論，學(xué)生能夠有機會將自己學(xué)習(xí)后所理解的知識及觀點表達(dá)出來，并在討論過程中不斷修正和完善其對知識的理解。在學(xué)生匯報環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在匯報過程中進(jìn)一步消化理解所學(xué)知識，同時鍛煉了學(xué)生語言表達(dá)和邏輯思維能力。在學(xué)生運用所學(xué)知識解決問題的環(huán)節(jié)，不但檢驗了學(xué)生在上一學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況，同時還鍛煉了學(xué)生運用已掌握知識解決具體問題的能力，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸養(yǎng)成計算思維。

3 基于計算思維的Sandwich教學(xué)過程設(shè)計

在程序設(shè)計課程教學(xué)中，應(yīng)避免陷入語言表達(dá)形式的誤區(qū)，教學(xué)應(yīng)該突出體現(xiàn)編程解決問題的方式和方法，而不是語言本身。在程序設(shè)計課程的教學(xué)實施過程中應(yīng)當(dāng)特別注重實踐，使學(xué)生通過實踐能夠確實感受和領(lǐng)悟到計算機問題求解的基本方法和思維模式[1]。

根據(jù)程序設(shè)計課程的特點及計算思維能力培養(yǎng)的需求，構(gòu)建基于計算思維的Sandwich教學(xué)模型，見圖1。在該模型中，將Sandwich教學(xué)分成6個教學(xué)模塊。

圖1 基于計算思維的Sandwich教學(xué)模型

（1）教師引導(dǎo)教學(xué)：例如教師通過“雞兔同籠”問題引入本次課的學(xué)習(xí)重點，并提出本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握程序設(shè)計中的分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)以及循環(huán)和分支結(jié)構(gòu)的嵌套使用，熟悉程序書寫流程。用計算機程序求解一個實際問題，首先要從這個實際問題中抽象出一個數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計一個解此數(shù)學(xué)模型的算法，接著根據(jù)算法編寫程序，再經(jīng)過程序調(diào)試、編譯、連接和運行，最后完成該問題的求解[8]。因此，教師要提出本次課程的問題：①找出求解“雞兔同籠”問題的數(shù)學(xué)模型。②設(shè)計求解該數(shù)學(xué)模型的算法。③編寫程序?qū)崿F(xiàn)該算法。

（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)：在這個模塊中包含小組討論和交叉小組討論兩個部分。在第一次分組時，每個小組的學(xué)生可以通過閱讀教材相關(guān)章節(jié)或利用搜索引擎、MOOC等方式進(jìn)行基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，然后通過討論完成數(shù)學(xué)模型及算法的求解。在重新分組討論時，學(xué)生將第一次分組討論的情況講給其他同學(xué)，并進(jìn)一步討論教師提出的3個問題，最終達(dá)成一致意見。因為計算機編程中數(shù)學(xué)模型及算法的提出對于初學(xué)者相對比較難理解和掌握，因此，在這個交叉分組討論過程中，可以修正第一次分組時求解教師提出問題不是十分正確的小組同學(xué)的答案，同時也可以在與其他同學(xué)的交流討論中不斷啟發(fā)和開闊學(xué)生思路。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)交流：學(xué)生進(jìn)行兩輪討論后，已經(jīng)對教師提出的問題有了答案和理解，接下來就是學(xué)生進(jìn)行匯報的時間。讓學(xué)生自己將學(xué)到的知識和求解的問題講給大家，不但可以加深學(xué)生對問題的理解，同時也鍛煉了學(xué)生的語言表達(dá)能力。

（4）教師點評總結(jié)：根據(jù)學(xué)生討論和匯報情況，教師指出存在的問題，并分析問題的原因及解決方法，同時結(jié)合本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，歸納總結(jié)學(xué)生需要掌握的知識點和算法思想，解答在教學(xué)過程中學(xué)生沒有涉及的具有代表性的問題。為提高學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力，教師需要提出新的案例進(jìn)行拓展。該案例可以是在原有問題上的進(jìn)一步深入（如當(dāng)雞、兔的頭與腳的數(shù)量未知時如何進(jìn)行求解），也可以是與之相似的一個新的問題。

（5）計算思維實踐：程序設(shè)計可以通過對數(shù)據(jù)和操作的分析、歸納和驗證來提高學(xué)生分析和解決問題的水平，從而能夠更好地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的多種思維能力[8]。經(jīng)過前面的討論、匯報和教師總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生對本次課程的知識點已經(jīng)有所了解和掌握。在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生需要將所學(xué)知識運用到解決實際問題中去，從而鍛煉自己的分析思維能力、培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識。學(xué)生需要對教師提出的問題進(jìn)行再次分組討論，分析教師提出的新問題，同時要給出解決新問題的算法和方法。同時，這個環(huán)節(jié)也是對學(xué)生學(xué)習(xí)情況及運用知識解決問題能力的一個檢驗過程。

（6）學(xué)生教師反饋：學(xué)生分享本次課程的收獲、學(xué)習(xí)心得和存在的問題，同時提出對Sandwich教學(xué)方法的意見和建議。教師對“計算思維實踐”環(huán)節(jié)進(jìn)行簡要解答和總結(jié)，并對學(xué)生的課堂表現(xiàn)進(jìn)行評價。

4 結(jié)語

隨著信息化時代的到來，善于運用計算機技術(shù)和手段進(jìn)行學(xué)習(xí)工作和解決專業(yè)問題已經(jīng)是高級人才必備的素質(zhì)[1]。計算機不僅是一個工具，同時還提供了一種對學(xué)生從事任何事業(yè)都受益終生的思維方式[3]。盡管計算機科學(xué)不等于程序設(shè)計，但學(xué)習(xí)程序設(shè)計方法是理解計算機的最好途徑，對于非計算機專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)程序設(shè)計的目的是學(xué)習(xí)計算機分析問題和解決問題的基本過程和思想，同時程序設(shè)計課程內(nèi)容也最能體現(xiàn)問題的求解方法，是計算思維培養(yǎng)的重要內(nèi)容[1]。

Sandwich教學(xué)法是一種培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、勇于思考、敢于探索新知識的新型教學(xué)方式，教學(xué)過程融入個體學(xué)習(xí)、集體學(xué)習(xí)、總結(jié)匯報等多種形式，使學(xué)生和教師之間、學(xué)生和學(xué)生之間進(jìn)行互動交流，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性的同時，提高學(xué)生獲取知識、團(tuán)隊合作、語言表達(dá)、解決問題等多方面的能力，實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生計算思維的目的。