基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的Python語言程序設(shè)計教學(xué)方法探討

李琬　陳麗娜　何月涵　呂俊杰

［摘 要］生物醫(yī)學(xué)工程是一門理工醫(yī)相結(jié)合的交叉學(xué)科，在多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。如何培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)字化時代的創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才，已引起人們普遍關(guān)注。Python語言程序設(shè)計是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的必修課程，改進該課程的教學(xué)方法，采用參與式、TRIZ理論、案例教學(xué)方法，重視實驗應(yīng)用，可以提升課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生進行生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)分析所需的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。

［關(guān)鍵詞］Python語言程序設(shè)計；生物醫(yī)學(xué)工程；參與式；TRIZ理論；案例教學(xué)

［中圖分類號］ G642 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0146-03

生物醫(yī)學(xué)工程是興起于20世紀(jì)50年代的一門交叉學(xué)科。作為一級學(xué)科，它綜合物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機和工程學(xué)原理，通過在各層次上進行數(shù)據(jù)處理與分析，對人體系統(tǒng)的狀態(tài)變化進行生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、行為學(xué)或衛(wèi)生學(xué)的研究，產(chǎn)生從分子水平到器官水平的認(rèn)識，并運用工程技術(shù)手段，開發(fā)生物學(xué)制品、材料、器械等，用于疾病預(yù)防、診斷和治療。21世紀(jì)以來，生物科學(xué)迅猛發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程已逐漸成為生命科學(xué)領(lǐng)域的重要前沿學(xué)科，受到人們的普遍關(guān)注。在疫情防控中，從疫苗研發(fā)、核酸檢測、健康碼、“火眼”檢測系統(tǒng)到醫(yī)護助理機器人、5G遠程會診等高新技術(shù)的應(yīng)用，都與生物醫(yī)學(xué)工程密不可分?？梢哉f，生物醫(yī)學(xué)工程在疫情監(jiān)測分析、病毒溯源、防控救助等諸多方面都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

重大傳染病和生物安全風(fēng)險是事關(guān)國家安全和發(fā)展以及社會大局穩(wěn)定的重大風(fēng)險挑戰(zhàn)，必須下大氣力培養(yǎng)創(chuàng)新型的生物醫(yī)學(xué)工程人才，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和人類健康服務(wù)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)分析的影響及重要性愈發(fā)凸顯，只有將生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點與大數(shù)據(jù)時代特征有機融合，才能更好地培養(yǎng)出適應(yīng)數(shù)字化時代的創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生處理的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)具有量大、結(jié)構(gòu)多樣、增長速度快、應(yīng)用價值高等特點[1]，需要利用計算機和相關(guān)軟件，對現(xiàn)有生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)進行挖掘，并發(fā)現(xiàn)其在疾病的預(yù)防、診斷、治療中的潛在價值[2]。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)核心課程的Python語言具有跨平臺、語法簡單、可移植等特點，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，有著舉足輕重的作用。本文擬針對Python語言程序設(shè)計課程的學(xué)科特點和教學(xué)現(xiàn)狀，探究如何通過理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方法，改進課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，拓展學(xué)生的思維空間，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，增強學(xué)生應(yīng)用Python語言進行程序設(shè)計的能力，從而用所學(xué)知識和方法解決實際問題。

一、Python語言的特點與教學(xué)現(xiàn)狀

Python語言是于20世紀(jì)90年代初期由荷蘭人吉多·范羅蘇姆（Guido van Rossum）開發(fā)的開源、面向?qū)ο?、解釋型、跨平臺移植的編程語言，具有良好的可讀性。因其語法優(yōu)雅、清晰、簡潔、更加接近自然語言，功能強大、編程高效、開源開放，涵蓋多種科學(xué)計算庫、數(shù)據(jù)處理庫以及可視化庫等第三方庫的諸多顯著優(yōu)勢[3]，Python語言已成為數(shù)據(jù)挖掘以及整個人工智能領(lǐng)域中，許多模型和大部分算法都使用的基礎(chǔ)語言，數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析、繪圖、建模在Python中全都能找到相應(yīng)的庫來進行處理，對學(xué)科交叉應(yīng)用很有幫助。Python語言能快速融合云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型技術(shù)，在數(shù)據(jù)分析、自然語言處理、醫(yī)學(xué)、計算機科學(xué)與技術(shù)、統(tǒng)計分析、移動終端開發(fā)、科學(xué)計算可視化、逆向工程與軟件分析、圖形圖像處理、人工智能、游戲設(shè)計與策劃、網(wǎng)站開發(fā)等專業(yè)和領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，幾乎占領(lǐng)整個數(shù)據(jù)智能時代，是人工智能和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的第一語言，是國際上最受歡迎的程序設(shè)計語言。目前，pypi.org網(wǎng)站已提供18萬個以上的Python語言項目，從常規(guī)的各類軟件、Web應(yīng)用與游戲開發(fā)，到高級的科學(xué)計算、云計算、操作系統(tǒng)管理與服務(wù)器的自動化運維，均可以利用Python語言解決相關(guān)應(yīng)用問題。

Python語言程序設(shè)計是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的必修課程，是該專業(yè)學(xué)生的必備知識和必須掌握并能熟練運用的技術(shù)與技能。Python語言程序設(shè)計是一門內(nèi)容較多、抽象度高、實踐性強的課程，要求學(xué)生掌握Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)知識和基本方法；Python組合數(shù)據(jù)類型與操作；Python文件操作；Python函數(shù)和類的定義及調(diào)用；運用第三方庫解決實際問題，包括生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和可視化等。Python語言程序設(shè)計課程可以培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生進行生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)分析所需的科學(xué)素養(yǎng)，促進學(xué)生自身專業(yè)能力的提升，提高學(xué)生應(yīng)用Python語言程序解決實際問題的能力，增強學(xué)生的探索、創(chuàng)新精神，使學(xué)生成為適應(yīng)數(shù)字化時代的創(chuàng)新型人才。通過對Python語言程序設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)實踐進行分析，我們發(fā)現(xiàn)，目前該課程教學(xué)存在以下幾個方面的問題。

（一）教學(xué)對象

Python語言程序設(shè)計課程的教學(xué)對象是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大三學(xué)生，這些學(xué)生在此之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言、Java等多種程序設(shè)計語言，掌握了基本數(shù)據(jù)類型、流程控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)和文件操作等概念。如果仍按部就班依照傳統(tǒng)的教學(xué)方式授課，很容易使學(xué)生陷入語法學(xué)習(xí)中，不能真正體會并把握Python“輕語法、重應(yīng)用”的特點，從而缺乏學(xué)習(xí)興趣，甚至產(chǎn)生疲倦心理。

（二）教學(xué)方式和方法

現(xiàn)有Python語言程序設(shè)計的教學(xué)多以教師講授、學(xué)生模仿的方式進行，學(xué)生習(xí)慣于依照教師給出的例子“畫瓢”，使其往往只能完成簡單的小程序設(shè)計，面對較為復(fù)雜的實際應(yīng)用問題時便會束手無策，難以提出有效的解決方案。這種教學(xué)方式和方法不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使課堂教學(xué)效果大打折扣。

（三）教學(xué)內(nèi)容

通常Python語言程序設(shè)計教學(xué)均以教材章節(jié)為主線，“流水線”式簡單羅列知識點。實驗作業(yè)大多是一個一個統(tǒng)一布置的獨立的小題目，前后缺乏連續(xù)性、整體性[4]，且遠離學(xué)生的實際應(yīng)用需要，影響學(xué)生將程序設(shè)計知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化并升華為程序設(shè)計能力。

二、Python語言程序設(shè)計教學(xué)方法探討

Python語言程序設(shè)計課程實踐性強，要求學(xué)生掌握的知識點多而雜，學(xué)生難以對所學(xué)知識融會貫通。Python語言中的創(chuàng)新意識以及創(chuàng)新思維，能夠與學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺失的探索以及自主創(chuàng)新精神互補。如何發(fā)揮程序設(shè)計語言類課程在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中的支撐和引領(lǐng)作用，使學(xué)生能夠利用Python語言有效挖掘、分析和利用生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)，解決本專業(yè)的問題，實現(xiàn)與大數(shù)據(jù)時代的深度融合，是Python語言程序設(shè)計課程面臨的挑戰(zhàn)。這就促使教師積極探求和改進教學(xué)方式和方法，全面提升課堂教學(xué)質(zhì)量，從而達到讓學(xué)生充分掌握一門程序設(shè)計語言的目標(biāo)。

（一）豐富教學(xué)手段

實踐證明，采用靈活的教學(xué)手段進行課堂教學(xué)是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。教育心理學(xué)的相關(guān)研究顯示，課堂上學(xué)生注意力集中的時間是有限的。因此，教師在教學(xué)中要善于豐富自己的教學(xué)手段，如采用網(wǎng)絡(luò)、視頻、音樂、動畫等材料，轉(zhuǎn)換學(xué)生的感官體驗，增強教學(xué)過程中的感性認(rèn)識，抓取學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)和思考；借助網(wǎng)絡(luò)平臺的在線教學(xué)手段，如國家精品課、微課、MOOC等，使學(xué)習(xí)變得更加自由和高效；使用雨課堂等新型智慧教學(xué)手段，通過手機微信將教師和學(xué)生融為一體，課上實時互動，課下隨時交流，可以迅速獲取以往需要花費很長時間才能取得的教學(xué)反饋，使教師教學(xué)更精準(zhǔn)，學(xué)生學(xué)習(xí)更便捷。

（二）參與式教學(xué)

參與式教學(xué)是一種合作式或協(xié)作式的教學(xué)法，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，使不同層次的學(xué)生都擁有參與和發(fā)展的機會。目前，參與式教學(xué)常用的方法有頭腦風(fēng)暴法、小組討論法、角色扮演、案例討論、影音資料學(xué)習(xí)、辯論、演講等。教師可根據(jù)課堂規(guī)模和教學(xué)內(nèi)容特點選擇合適的參與式學(xué)習(xí)方法，既可以個體參與，也可以團隊參與。需要注意的是，不論采取何種方法，都要堅持明確以學(xué)習(xí)者為中心，積極鼓勵學(xué)生對疑難問題各抒己見，采用不同的方法解決問題。這種帶著問題探求解決方案，讓學(xué)生有自由思考空間的方法，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，進而達到使學(xué)生充分擁有運用自己智慧的時間和機會，拓展自己的思維空間，增強創(chuàng)新能力的教學(xué)效果。

（三）應(yīng)用TRIZ理論

TRIZ意譯為發(fā)明問題的解決理論，即通過識別和分類創(chuàng)新解決方案中的模式，使人們獲得通常由于專業(yè)化或視野狹窄而無法獲得的解決方案，是一種非常重要的創(chuàng)新方法的理論體系[5]。TRIZ理論也是一種拓展思維、開闊視野的方法論，目前，TRIZ理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在Python語言程序設(shè)計的教學(xué)過程中，應(yīng)用TRIZ理論，可加深學(xué)生對Python語言知識點的理解，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。在Python語言程序設(shè)計教學(xué)中，教師可運用TRIZ理論分割原理與組合原理，將教學(xué)內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)過的Java等編程語言的相關(guān)內(nèi)容再組合，將有關(guān)聯(lián)的部分結(jié)合起來進行講授，由淺入深，如由變量到函數(shù)、由函數(shù)到類、由類到模塊，進而進行生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的分析處理。在這個過程中，還應(yīng)讓學(xué)生不斷復(fù)習(xí)前面所學(xué)內(nèi)容，使其溫故知新，進而融會貫通，鞏固所學(xué)知識內(nèi)容。

（四）案例教學(xué)

案例教學(xué)產(chǎn)生于20世紀(jì)初[6]，旨在將一系列的實際問題經(jīng)典型化處理后作為學(xué)生的學(xué)習(xí)案例，供學(xué)生討論、分析和決斷，提高學(xué)生對知識點的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力。實踐表明，案例教學(xué)是程序設(shè)計語言類課程教學(xué)的有效方法，在實際教學(xué)中被廣大教師采用，且收到了良好的教學(xué)效果。在Python語言程序設(shè)計教學(xué)中，教師應(yīng)選擇難度合適、關(guān)聯(lián)性較強的案例，圍繞如何應(yīng)用Python語言進行數(shù)據(jù)處理、分析、可視化等內(nèi)容展開教學(xué)，在介紹Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)知識和基本方法時，通過各種小案例的分析演示，加強學(xué)生對計算機基礎(chǔ)知識以及Python語言基礎(chǔ)知識的了解。同時，教師應(yīng)注意以生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的實際需求為導(dǎo)向開展相關(guān)教學(xué)活動，配合所研討案例漸進式展開教學(xué)，使學(xué)生了解生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)獲取、處理、分析和可視化過程中涉及的基本算法及編程思路，避免學(xué)生在獨立性案例中無法串聯(lián)相關(guān)知識，如對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生常見的表達譜數(shù)據(jù)，可以采用二維列表、Numpy的Ndarray或Pandas的DataFrame等形式進行存儲以及分析，使學(xué)生切實掌握Python語言，能夠熟練使用常見算法，提高計算思維和創(chuàng)新應(yīng)用能力以及解決實際問題的能力。

（五）重視實驗應(yīng)用

實驗課是程序設(shè)計語言類課程的重要環(huán)節(jié)。Python作為一門實踐性較強的計算機編程語言，需要學(xué)生將基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用相結(jié)合。實驗教學(xué)設(shè)計質(zhì)量決定學(xué)生的實踐能力。一個好的實驗教學(xué)設(shè)計，既能幫助學(xué)生理解理論知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力。鑒于Python語言擁有強大的第三方庫，教師在教學(xué)內(nèi)容安排上，應(yīng)將與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的第三方庫Numpy、Pandas、Scikit-Learn、Matplotlib、Biopython等作為重點，對數(shù)據(jù)獲取中的Requests、BeautifulSoup和Re等給出簡要介紹，實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析及可視化。在實驗應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用Requests、BeautifulSoup以及Re進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取和解析，或者通過網(wǎng)站的API獲取清洗過的數(shù)據(jù)[7]；使用Numpy、Pandas、Scikit-Learn、Biopython進行數(shù)據(jù)處理和分析；使用Matplotlib繪圖展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果。同時，教師還要注意鼓勵和支持學(xué)生通過分析問題、設(shè)計算法、編寫和調(diào)試程序、分析評價結(jié)果完成一個自己感興趣的數(shù)據(jù)分析工作，選題不作限制，盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，以提高其綜合應(yīng)用能力。

（六）鼓勵學(xué)生參與學(xué)科競賽和項目開發(fā)

在Python語言教學(xué)中，教師應(yīng)注意尋找、善于發(fā)現(xiàn)學(xué)有余力、有潛質(zhì)的學(xué)生，引導(dǎo)他們踴躍參加各種競賽活動，如大數(shù)據(jù)與人工智能競賽、數(shù)學(xué)建模競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽事或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。研究表明，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生通過參加這些活動，將專業(yè)知識和技能付諸實踐，有利于知識的融會貫通，進而活躍思維，提高實踐應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

（七）注意教學(xué)內(nèi)容與課程思政的有機融合

Python語言程序設(shè)計是專業(yè)課程，教師在課堂教學(xué)過程中，要緊緊把握立德樹人這一目標(biāo)，在專業(yè)課教學(xué)中融入和滲透政治思想品德及中華傳統(tǒng)文化教育，努力實現(xiàn)知識性與趣味性相結(jié)合，功能完善與協(xié)調(diào)美相結(jié)合，格調(diào)高雅與積極向上相結(jié)合，潛心問道和關(guān)注社會相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀、人生觀、價值觀，使學(xué)生成為品學(xué)兼優(yōu)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才。

三、結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的不斷發(fā)展，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也將不斷深化。在Python語言程序設(shè)計教學(xué)中，教師要積極探索有效的教學(xué)模式，采用參與式、TRIZ理論、案例教學(xué)方法，重視實驗應(yīng)用，將生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)特點與大數(shù)據(jù)時代特征有機融合，以提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生進行生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)分析所需的科學(xué)素養(yǎng)，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，培育出更多適應(yīng)智能化醫(yī)療趨勢的創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉博罕，何昆侖，智光.大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)對未來醫(yī)學(xué)模式的影響[J].醫(yī)學(xué)與哲學(xué)（B），2018，39（11）：1-4.

[2] 王陸，袁睿，楊萌萌，等.大數(shù)據(jù)背景下關(guān)于重癥醫(yī)學(xué)研究生培養(yǎng)的思考[J].中國繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2019，11（7）：43-45.

[3] 嵩天，黃天羽.Python語言程序設(shè)計教學(xué)案例新思維[J].計算機教育，2017（12）：11-14.

[4] 王瑞，唐萬梅.“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的多元化教學(xué)模式研究與實踐：以《Python語言程序設(shè)計》課程為例[J].軟件導(dǎo)刊，2019，18（2）：204-207.

[5] 呂立夏，曹金鳳，楊文卓，等.TRIZ創(chuàng)新思維對醫(yī)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的啟示：以同濟大學(xué)醫(yī)學(xué)院為例[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2018，1（9）：1-3.

[6] 趙廣輝.面向新工科的Python程序設(shè)計交叉融合案例教學(xué)[J].計算機教育，2017（8）：23-27.

[7] 王婷.大數(shù)據(jù)采集中常見問題解決策略分析[J].電腦與信息技術(shù)，2019，27（6）：36-38.

［責(zé)任編輯：劉鳳華］