以問題解決為導向的Python程序設計教學方法探討

關鍵詞：Python程序設計；問題解決；教學方法；智能醫(yī)學工程；多學科交叉

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0117-03

0 引言

智能醫(yī)學工程結合了計算機、工程和醫(yī)學等領域的知識，是一門非常重要且前沿的跨學科專業(yè)。智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生將學習醫(yī)學、生物學、計算機科學和工程學等相關專業(yè)知識，并運用這些知識來了解智能醫(yī)療設備和開展基于人工智能的醫(yī)藥和生物研發(fā)等。該專業(yè)的學習內(nèi)容涵蓋了醫(yī)學影像處理、醫(yī)學數(shù)據(jù)分析、智能診斷與監(jiān)測系統(tǒng)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、生物信息數(shù)據(jù)處理和智能醫(yī)藥等方面的知識。智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生將通過學習各種先進技術和工具，如機器學習、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等，來解決智能醫(yī)療設備、智能醫(yī)藥和智能生物等領域的復雜問題。

隨著人工智能、機器學習和大數(shù)據(jù)分析的興起，Python 程序設計已經(jīng)成為人們掌握編程的首選語言[1]。相比其他語言，Python程序設計具有許多優(yōu)點：免費開源、語法簡單、強大的第三方庫和移植性強等[2-3]。作為智能醫(yī)學工程專業(yè)的基礎課程之一，Py?thon程序設計的教學效果沒有達到預期。為了提升Python程序設計的教學效果，許多學者根據(jù)個人的教學經(jīng)驗提出了大量先進的Python程序設計教學方法，例如項目驅動法[4-8]、趣味案例法[9-12]、線上線下混合法[13-16]和問題驅動法[17]等。盡管這些教學方法均取得了較好的教學效果，但是直接將這些方法用于對智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生進行Python程序設計課程的教學，可能無法達到預期的效果。因此，本文針對智能醫(yī)學工程專業(yè)Python程序設計課程教學存在的問題，提出了以問題解決為導向的Python程序設計教學方法。該方法具有專業(yè)針對性，能夠為智能醫(yī)學工程專業(yè)Python程序設計課程授課教師提供參考，從而為智能醫(yī)學工程專業(yè)培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才。

1 教學現(xiàn)狀

1.1 教學方法陳舊，缺乏專業(yè)針對性

Python程序設計課程作為智能醫(yī)學工程專業(yè)的基礎課之一，其授課教師大多來自計算機學院，這些教師主要依賴教材，并采用“滿堂灌”、案例分析法以及線上線下混合教學等方式傳授Python的理論知識。在實驗課程中，主要采用“一講一練”的驗證性教學方法。然而，這些教學方法所涉及的智能醫(yī)學工程專業(yè)內(nèi)容較少，難以與學生形成有效的互動和激發(fā)學生的學習興趣，且不符合智能醫(yī)學工程專業(yè)學生的實際需求。更為嚴重的是，教師沿用計算機專業(yè)的教學流程和內(nèi)容，未能對智能醫(yī)學工程專業(yè)學生的需求做出有效調整。大綱、教案和實驗內(nèi)容與計算機專業(yè)的學生相差不大，缺乏對智能醫(yī)學工程專業(yè)學生的教學針對性，教學效果難以提升。

1.2 學生基礎薄弱，缺乏主觀能動性

智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生在學習初期，會更多接觸到工程和醫(yī)學方面的基礎知識，對計算機的基礎知識了解相對較少，計算機基礎稍顯薄弱。此外，計算機學院的授課教師更注重講授Python程序設計課程的基礎語法、編程技巧以及問題解決方法，很少深入分析Python程序設計在智能醫(yī)療設備、智能醫(yī)藥和智能生物等與智能醫(yī)學工程專業(yè)密切相關的領域的應用案例。這將導致智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生難以理解Python程序設計課程在智能醫(yī)學工程專業(yè)中的重要作用，無法將所學課程與專業(yè)實際問題聯(lián)系起來，缺乏學習Python程序設計的積極性。

1.3 實驗案例與專業(yè)脫節(jié)，解決問題的驅動力不足

Python程序設計課程的實驗案例，通常用于鞏固學生的基礎知識。授課教師會選擇一些經(jīng)典案例讓學生練習，提升他們的動手能力。例如，在講解while 循環(huán)時，可能會將求100以內(nèi)奇數(shù)或偶數(shù)之和作為經(jīng)典案例。盡管這些經(jīng)典案例，對于學生鞏固Python程序設計的基礎知識和動手能力有著積極作用，但學生學習Python程序設計的主要目的是為了解決學習中遇到的實際問題。因此，僅僅使用經(jīng)典實驗案例可能會導致他們難以將所學的知識運用到自己的專業(yè)領域，從而缺乏足夠的驅動力應用Python程序設計解決實際問題。

1.4 項目經(jīng)驗匱乏，科研創(chuàng)新能力不足

智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生通常會在專業(yè)導師的指導下參與一些項目，這些項目涉及智能醫(yī)療設備、智能醫(yī)藥和智能生物等領域的科研問題。基于計算機輔助方法，學生可以利用Python程序設計來解決這些問題，并逐步參與專業(yè)導師的項目中，積累項目經(jīng)驗，提升自身的科研創(chuàng)新能力。然而，現(xiàn)實情況是專業(yè)導師希望學生能夠迅速融入項目，預處理數(shù)據(jù)、分析和可視化數(shù)據(jù)等，但由于學生對Python程序設計知識掌握不足，他們并不清楚如何利用Python來解決專業(yè)導師的問題，導致學生的參與度不高，并逐步放棄科研項目，難以積累項目經(jīng)驗和提升科研創(chuàng)新能力。

1.5 理論考試為主，考核體系與實際問題解決脫節(jié)

智能醫(yī)學工程專業(yè)的Python程序設計課程采用以期末考試為主、考勤和實驗為輔的考核體系。其中，期末考試成績占總成績的70%，而考勤和實驗等其他條目占比30%。然而，這樣的考核體系導致大多數(shù)學生在授課期間，并不注重對Python程序設計基礎知識的學習和編程能力的培養(yǎng)。為了應對期末考試，他們往往將注意力集中在期末考試前幾天，通過“死記硬背”的方式掌握一些基礎知識，而沒有將Python 程序設計作為解決智能醫(yī)療設備、智能醫(yī)藥和智能生物等領域問題的有力工具進行系統(tǒng)學習。由于考核體系與實際問題解決存在嚴重脫節(jié)，這種情況難以培養(yǎng)出動手能力強且具備科研創(chuàng)新能力的人才。

2 以問題解決為導向的Python程序設計教學方法

2.1 聯(lián)合制定Python程序設計課程大綱和教案

智能醫(yī)學工程專業(yè)的Python程序設計課程的授課教師主要來自具有計算機背景的專業(yè)教師，但他們大多數(shù)不具備醫(yī)療設備、醫(yī)藥和生物等領域的專業(yè)知識。為了更好地滿足課程教學的實際需求，Python程序設計課程授課教師應聯(lián)合智能醫(yī)學工程專業(yè)的醫(yī)療設備、醫(yī)藥和生物等領域的教師，共同制定Python 程序設計課程大綱和教案。根據(jù)專業(yè)教師所提供的基礎知識和問題，合理制定Python程序設計課程的授課案例、綜合項目和科研內(nèi)容，并以問題解決為導向來講解Python程序設計課程的相關內(nèi)容。這樣的授課方式將更加貼近專業(yè)實際，激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，同時學生也能夠順利參與專業(yè)導師的科研課題，積累項目經(jīng)驗，提升自己的科研創(chuàng)新能力。

2.2 帶著問題在線學習Python程序設計基礎知識

Python程序設計是目前大多數(shù)高校非計算機專業(yè)學生學習編程的首選課程。然而，學生在規(guī)定的學時內(nèi)難以完全掌握Python程序設計的知識點。為此，可以結合目前較流行的在線學習平臺MOOC[19]，采用混合式教學模式來提高Python程序設計的學習效果。首先，在課前，授課教師可以向學生發(fā)放與智能醫(yī)學工程專業(yè)內(nèi)容相關的問題，要求學生利用下一節(jié)課的Python 程序設計基礎知識來解決。隨后，讓學生在MOOC平臺自學由北京理工大學嵩天教授主持講解的《Python語言程序設計》國家精品課程的相關知識點，并利用自學的知識解決授課教師發(fā)放的專業(yè)問題。學生將編寫的程序結果發(fā)送給授課教師的助教。最后，在線下授課前，授課教師根據(jù)助教的反饋，適時調整教學內(nèi)容。這種混合式教學模式可以更好地滿足學生的學習需求和提高學習效果，讓學生以問題解決為導向充分掌握Python程序設計的基礎知識，并逐步理解Python程序設計解決專業(yè)問題的方法。

2.3 以解決專業(yè)問題為導向的課堂和實驗教學

Python程序設計課程的授課教師，將根據(jù)學生在線學習情況，安排線下教學。首先，授課教師對課前布置的任務進行講解，結合本節(jié)課的基礎知識點，詳細解釋如何利用這些知識點來解決布置的任務。這樣可以幫助學生更好地理解和掌握Python程序設計的基礎知識，以及如何將其應用于實際問題中。隨后，以難度更高的專業(yè)問題為課堂案例，給學生深入講解本節(jié)課的Python程序設計的知識點如何解決這些專業(yè)問題，讓學生在解決專業(yè)問題當中掌握Python 程序設計的基礎知識點和在本專業(yè)中的應用。最后，在實驗教學中，授課教師將結合智能醫(yī)學工程專業(yè)學生的專業(yè)知識，布置實驗內(nèi)容，手把手地指導學生利用Python程序設計知識解決他們專業(yè)課程中遇到的問題，從而進一步鞏固所學的Python程序設計知識，提升學生的動手能力和解決專業(yè)問題的能力。

2.4 以解決專業(yè)綜合問題為驅動的課后作業(yè)

為了鞏固和擴展學生對Python程序設計知識的學習，布置課后作業(yè)是非常重要的環(huán)節(jié)。授課教師需要設計課后作業(yè)，旨在解決學生面臨的專業(yè)問題，并且作業(yè)內(nèi)容不僅限于當前的課堂教學內(nèi)容，而是應涵蓋之前所學過的所有知識點。授課教師應與學生的專業(yè)導師合作，共同制定一系列專業(yè)綜合題為課后作業(yè)。這些綜合性的作業(yè)，將為學生參與導師的項目奠定堅實基礎。

2.5 以學科競賽為導向的團隊協(xié)作能力提升

在學習Python程序設計的過程中，課前、課中和課后的學習，僅是為了幫助學生全面掌握基礎知識和解決簡單問題的能力。然而，有些學生可能限于學校環(huán)境，只涉及較為狹窄的知識范圍。部分同學在任務中表現(xiàn)出色，可能會誤以為已經(jīng)具備了優(yōu)秀的編程能力和項目經(jīng)驗，這會對他們未來深入學習造成誤導。為了引導學生認識到學無止境，我們應當鼓勵他們積極參與各類競賽，如生物信息數(shù)據(jù)分析、藥物分子篩選、智能醫(yī)療設備操作等。競賽經(jīng)歷可以為學生提供實踐鍛煉的機會，讓他們將所學知識應用到實際問題中，并與其他同學交流學習。這種全方位的學習方式，不僅可以提升學生的編程技能和解決問題的能力，還能夠培養(yǎng)他們的團隊合作意識和創(chuàng)新思維。

2.6 以解決前沿科研問題為驅動的科研能力提升

隨著Python程序設計課程接近尾聲，智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生已經(jīng)具備了利用Python程序設計解決智能醫(yī)療設備操作、智能醫(yī)藥和智能生物研發(fā)等領域基礎問題的能力。此時，學生可以正式與專業(yè)導師建立聯(lián)系。通過利用Python程序設計的基礎知識，學生可以幫導師完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析及可視化等任務，并利用一些專業(yè)庫，如Sklearn（機器學習庫）和ProDy（生物信息處理庫）為導師的科學研究提供計算機輔助方法，為下一步進行濕實驗提供數(shù)據(jù)支撐。這種以解決前沿科研問題為驅動的教學方法，不僅能夠讓學生參與專業(yè)導師的科研當中，為導師解決科研問題，而且能夠提升學生的科研能力，為未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎。

2.7 以問題解決能力作為考核體系的核心

以問題解決為導向的Python程序設計教學方法的考核體系已從以期末理論考試為主轉變?yōu)橐詥栴}解決能力作為核心評價指標。在Python程序設計課程的期末考核階段，授課教師與專業(yè)導師合作，共同商討出智能醫(yī)療設備應用、智能醫(yī)藥和智能生物等領域的綜合考核題。學生可以自主選擇幾道題目作為期末考核內(nèi)容，并在規(guī)定的期限內(nèi)提供解決方案、代碼和結果。授課教師將與專業(yè)導師聯(lián)合對學生的考核結果進行打分。這種以問題解決能力為評價考核體系核心的期末考核方式，有效提升了學生的編程能力和問題解決能力。同時，它有助于學生對未來的科研或就業(yè)方向的思考，并驅動他們在自己熱愛的領域深入研究。

3 以問題為導向的Python程序設計教學方法的教學效果及反思分析

以問題為導向的Python程序設計教學方法在培養(yǎng)學生動手能力、解決問題能力和科研能力等方面取得了較好的效果，為培養(yǎng)智能醫(yī)學工程專業(yè)緊跟時代發(fā)展的創(chuàng)新人才奠定了基礎。然而，在教學過程中仍存在一些急需解決的問題：1） 授課教師工作量大，而學生的學習任務重；2） 仍存在小部分的學生掉隊和放棄的情況；3） 經(jīng)常聯(lián)合智能醫(yī)學工程專業(yè)導師探討教學、實驗和科學案例，難度較大。經(jīng)過智能醫(yī)學工程專業(yè)Python程序設計課程授課教師的不斷總結、反思，為應對這些問題提出了一些解決方案：1） 可以考慮選拔研究生作為自己的助教，幫助處理教學事務；2） 可以采取學生組隊的方式來完成教師交給的任務，以此來促進學生之間的互相協(xié)作和合作精神；3） 可以與專業(yè)導師指定的助教聯(lián)合制定Python程序設計課程的教學案例和綜合項目案例。盡管這些解決方案能夠勉強解決目前面臨的困難，但是仍需要在實踐中不斷調整和完善。

4 總結

通過實施以問題解決為導向的Python程序設計教學方法，可以有效解決傳統(tǒng)教學方法存在的弊端，使得Python程序設計能夠真正成為智能醫(yī)學工程專業(yè)學生解決智能醫(yī)療設備應用、智能醫(yī)藥和智能生物等領域問題的利器。這種教學方法注重培養(yǎng)學生的問題解決能力和創(chuàng)新思維，通過實際問題來引導學生學習編程，讓他們在解決實際問題的過程中掌握Py?thon編程技能，從而在未來的智能醫(yī)學工程實踐中能夠更加游刃有余地運用Python編程技能解決各種復雜問題。

總的來說，以問題解決為導向的Python程序設計教學方法將為智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生提供更加實用和有效的學習體驗，使他們在面對智能醫(yī)療領域的挑戰(zhàn)時能夠胸有成竹，為行業(yè)發(fā)展貢獻自己的力量。