引入計(jì)算思維的醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)

楊長(zhǎng)興

摘要：針對(duì)教育部計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出的“普及計(jì)算機(jī)文化，培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，訓(xùn)練計(jì)算思維能力”的教學(xué)總體目標(biāo)要求，結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)研究計(jì)算思維與醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的關(guān)系，提出將計(jì)算思維思想引入醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)過(guò)程的理念，改變目前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合自身專業(yè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：多元思維；計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)；創(chuàng)新能力

1.正確認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算思維的概念

要將計(jì)算思維思想引入醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)過(guò)程中，首先要思考這些問(wèn)題：計(jì)算思維的真正內(nèi)涵是什么？計(jì)算思維與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維的關(guān)系怎樣？在教學(xué)過(guò)程中怎樣運(yùn)用計(jì)算思維思想？過(guò)去已有的教學(xué)方法與計(jì)算思維的關(guān)系是什么？

根據(jù)周以真教授對(duì)計(jì)算思維的定義，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維最根本的內(nèi)容即其本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）。計(jì)算思維中的抽象超越物理的時(shí)空觀并完全用符號(hào)表示，其中數(shù)字抽象只是一類特例。

人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的兩種思維形式是理論（數(shù)學(xué)）思維和實(shí)驗(yàn)（工程）思維。理論思維以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。實(shí)驗(yàn)思維以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。計(jì)算思維是不是可以與上述兩種思維形式相提并論？這還有待研究。從學(xué)科的角度看，計(jì)算思維以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，能解決許多工程問(wèn)題。筆者認(rèn)為至少目前還不能把計(jì)算思維的思維形式提高到等同于理論思維和實(shí)驗(yàn)思維的高度，它還要獲得眾多學(xué)科的共識(shí)。

單從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維思想在一定范圍內(nèi)源于理論思維和實(shí)驗(yàn)思維，或者說(shuō)在一定范圍內(nèi)是理論思維和實(shí)驗(yàn)思維的延續(xù)，能在理論思維和實(shí)驗(yàn)思維的基礎(chǔ)上解決實(shí)際問(wèn)題，也就是能夠解決過(guò)去理論思維和實(shí)驗(yàn)思維方法還沒(méi)有解決的問(wèn)題，在學(xué)科范圍內(nèi)發(fā)展理論思維和實(shí)驗(yàn)思維。這一點(diǎn)可以通過(guò)列舉許多計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的成果證明：許多問(wèn)題是理論思維和實(shí)驗(yàn)思維方法解決不了的問(wèn)題，而使用計(jì)算機(jī)思維方法（計(jì)算機(jī)技術(shù)）就能解決。例如，符號(hào)積分和定理證明結(jié)果說(shuō)明僅有數(shù)學(xué)科學(xué)而沒(méi)有計(jì)算機(jī)技術(shù)是不能完全解決問(wèn)題的；人類正常基因圖譜的構(gòu)造同樣不能僅僅依賴于實(shí)驗(yàn)思維方法，而要依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)完成。這正是計(jì)算思維的方法讓計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科展示了其求解問(wèn)題的魅力。也許有人會(huì)認(rèn)為解決這些問(wèn)題的思想方法還是理論思維或?qū)嶒?yàn)思維的思想方法，只是使用了計(jì)算機(jī)這個(gè)高速運(yùn)算的現(xiàn)代化工具。不錯(cuò)，計(jì)算思維思想方法可以借用過(guò)去已經(jīng)存在的科學(xué)方法，但畢竟它以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，這樣的特征突出了計(jì)算思維思想的存在價(jià)值。

計(jì)算思維思想從理論高度上解析了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科是一門計(jì)算的學(xué)問(wèn)（什么是可計(jì)算的？怎樣計(jì)算？）。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科不僅僅是編程，也不僅僅是工具，重要的是它包含了包括編程在內(nèi)的解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思想與方法，因此計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教師不能只是單純教會(huì)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)，而是要教授一種（定義為計(jì)算思維）新的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)技術(shù)認(rèn)識(shí)和改造世界的創(chuàng)新能力。

計(jì)算思維思想的內(nèi)容包括抽象和分解、遞歸、推理、約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、建模、利用海量數(shù)據(jù)等。這些內(nèi)容的表達(dá)形式有的是在理論思維和實(shí)驗(yàn)思維活動(dòng)中就有，還有一些是因?yàn)橛辛擞?jì)算機(jī)技術(shù)才出現(xiàn)。無(wú)論是哪一種，我們要做的就是將這些內(nèi)容以程序化的方式表達(dá)出來(lái)，最終解決問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題的解決，如果有方法，而人類自身的計(jì)算能力不一定能解決，那么只能依靠計(jì)算機(jī)。

在教學(xué)過(guò)程中，教與學(xué)涉及兩類人群，教要有方法，學(xué)要有悟性。我們現(xiàn)在主要關(guān)注教的問(wèn)題，也就是教學(xué)方法，而將計(jì)算思維思想引入教學(xué)過(guò)程，就是改進(jìn)教學(xué)方法。在過(guò)去的教學(xué)活動(dòng)中，我們的教學(xué)方法或多或少地運(yùn)用了抽象和分解、遞歸、推理、轉(zhuǎn)化、仿真、建模等方法，這些思維方法當(dāng)然可以沿用，此外我們還要使用計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之后才有的方法。計(jì)算思維只是一種形式的思維方法。我們?cè)趯?shí)際工作中提倡多元思維，能解決問(wèn)題的方法就是好方法。計(jì)算思維的方法將是我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中主要運(yùn)用的思維方法。

2.將計(jì)算思維思想引入醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程中的方法

醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程包括大學(xué)計(jì)算機(jī)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、多媒體技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)與醫(yī)學(xué)信息決策等。課程設(shè)置目標(biāo)是通過(guò)系列課程的教學(xué)，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在其專業(yè)領(lǐng)域的能力和創(chuàng)新能力。

以醫(yī)學(xué)生最初開(kāi)設(shè)的兩門課程（大學(xué)計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）為例，計(jì)算思維的思想方法無(wú)處不在。在過(guò)去的教學(xué)實(shí)踐中，不少的教學(xué)方法都運(yùn)用了計(jì)算思維的思想方法。當(dāng)然，我們也將引入過(guò)去沒(méi)有融入課程的計(jì)算思維思想。

2.1在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中需要加強(qiáng)的思維訓(xùn)練

（1）對(duì)于當(dāng)今的大學(xué)生，我們應(yīng)該教授算法與數(shù)據(jù)、算法方法等內(nèi)容，讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力。算法方法包括抽象、遞歸、推理、轉(zhuǎn)化、仿真、建模、利用海量數(shù)據(jù)等。

（2）對(duì)于海量數(shù)據(jù)，我們可以通過(guò)存儲(chǔ)與挖掘思想方法的教學(xué)，教會(huì)學(xué)生通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析、加工處理、挖掘，找出新的數(shù)學(xué)模型（建模），產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。這就是從量變中找出質(zhì)變的線索。

（3）在操作系統(tǒng)的教學(xué)中，Windows對(duì)于CPU的管理實(shí)際上是串行運(yùn)算和并行運(yùn)算的實(shí)踐。計(jì)算機(jī)的并行運(yùn)算能力可以突破常規(guī)限制，解決過(guò)去解決不了的問(wèn)題。現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力充分體現(xiàn)了并行運(yùn)算算法的作用。

（4）操作系統(tǒng)功能的共性抽象問(wèn)題。多數(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程都會(huì)介紹Windows的使用，即文件復(fù)制、移動(dòng)、刪除、換名等功能。在教學(xué)中，我們不能把自己變成Microsoft公司的產(chǎn)品推介人，正確的做法是抽象出所有操作系統(tǒng)功能的共性，讓學(xué)生理解所有操作系統(tǒng)從功能上講基本相同，只是實(shí)現(xiàn)形式不同。我們從教學(xué)過(guò)程作出總結(jié)：操作系統(tǒng)提供給用戶的功能是用戶能夠?qū)Α皩?duì)象”進(jìn)行新建、復(fù)制、移動(dòng)、換名、刪除、顯示文件內(nèi)容等操作，其中的對(duì)象指文件或文件夾。通過(guò)學(xué)習(xí)Windows，學(xué)生就能掌握操作系統(tǒng)的功能共性，無(wú)師自通地使用其他操作系統(tǒng)。endprint

（5）網(wǎng)絡(luò)與通信內(nèi)容的教學(xué)能夠讓學(xué)生了解如何共享信息資源以及計(jì)算機(jī)如何改變世界并拉近人們之間的距離，學(xué)會(huì)從眾多的醫(yī)學(xué)類數(shù)據(jù)庫(kù)中查找、篩選出所需信息。

（6）在Office、Flash、Photoshop、網(wǎng)頁(yè)制作等應(yīng)用軟件教學(xué)中，介紹應(yīng)用軟件的功能只是一個(gè)方面，更重要的是對(duì)軟件應(yīng)用目標(biāo)、通用性功能進(jìn)行歸納。這就要求教師以自己的體會(huì)和語(yǔ)言講解清楚，而不是向?qū)W生灌輸書本知識(shí)。

（7）對(duì)于醫(yī)學(xué)類大學(xué)生來(lái)說(shuō)，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程還要融入醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)，教師需要將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)專業(yè)的案例傳授給學(xué)生，讓其盡早接觸計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)應(yīng)用，同時(shí)引入醫(yī)學(xué)類信息表達(dá)形式如DICOM標(biāo)準(zhǔn)以及醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)等。這對(duì)一名從事醫(yī)學(xué)類大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)的教師提出了更高要求，教師需要適當(dāng)?shù)卣莆蔗t(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)。

2.2在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中需要加強(qiáng)的思維訓(xùn)練

（1）在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程中，以程序語(yǔ)句語(yǔ)法為重點(diǎn)講授課程內(nèi)容是不明智的。程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)不只是讓學(xué)生學(xué)會(huì)用某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言寫出能夠讓編譯程序通過(guò)的應(yīng)用程序代碼，更重要的是學(xué)會(huì)解決問(wèn)題的思想方法，這就是計(jì)算思維。如果教師在講授程序設(shè)計(jì)課程時(shí)，把教學(xué)重點(diǎn)放在某種語(yǔ)言的語(yǔ)句語(yǔ)法上，按我們過(guò)去的說(shuō)法是教學(xué)方法不當(dāng)，沒(méi)有抓住重點(diǎn)；按計(jì)算思維的說(shuō)法則是教師自身還沒(méi)有悟出科學(xué)解決問(wèn)題的思想方法。對(duì)于一個(gè)工程問(wèn)題，如果有如何建立數(shù)學(xué)模型的思路，那么不用某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也能用自然語(yǔ)言畫出解決問(wèn)題的流程框圖；有的問(wèn)題用數(shù)學(xué)、工程方法解決不了，可以換個(gè)思路；對(duì)同一個(gè)問(wèn)題，則要研究有多少種解決問(wèn)題的方案，哪一種方案最優(yōu)。

（2）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言模型問(wèn)題。任何一門程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言能解決數(shù)學(xué)模型化的一切工程問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中，我們總結(jié)出圖1所示的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言模型，這是任何程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都需遵守的模型，源于人類的自然語(yǔ)言。對(duì)于一個(gè)初涉程序設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)，有了這個(gè)語(yǔ)言模型，就有了一個(gè)參照對(duì)象（自身生活中學(xué)習(xí)人類自然語(yǔ)言的模型），對(duì)于其學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有很大幫助，這實(shí)際上是計(jì)算思維中的抽象方法。沒(méi)有計(jì)算思維概念的提出，我們也能總結(jié)出程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言模型圖，實(shí)際上程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言模型的概念出現(xiàn)在計(jì)算思維概念之前。

（3）醫(yī)藥類院校要不要開(kāi)設(shè)程序設(shè)計(jì)課程的問(wèn)題。過(guò)去幾十年，有人主張醫(yī)藥類院校不用開(kāi)設(shè)程序設(shè)計(jì)課程，到現(xiàn)在為止，還有人這樣認(rèn)為。進(jìn)一步，有人說(shuō)在程序設(shè)計(jì)課程中，是否要引入計(jì)算思維的思想？或者說(shuō)，能看懂他人的程序就不錯(cuò)了，不需要自己編寫程序。筆者的見(jiàn)解是在醫(yī)藥類院校需要開(kāi)設(shè)程序設(shè)計(jì)課程，實(shí)際上，近十年來(lái)絕大多數(shù)院校都開(kāi)設(shè)了程序設(shè)計(jì)課程；在程序設(shè)計(jì)課程中應(yīng)該引入計(jì)算思維思想，醫(yī)藥類院校學(xué)生也應(yīng)該學(xué)會(huì)編寫程序，因?yàn)閷W(xué)會(huì)編寫程序的過(guò)程，實(shí)際上是培養(yǎng)解決問(wèn)題思路的過(guò)程。

由此可見(jiàn)，計(jì)算思維的概念誕生時(shí)間不長(zhǎng)，但其思維方式的運(yùn)用很早就有。國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)的發(fā)展歷程，實(shí)際上是一個(gè)自覺(jué)與不自覺(jué)地實(shí)踐計(jì)算思維觀的過(guò)程。無(wú)論是過(guò)去的思維方法，還是現(xiàn)在補(bǔ)充的新思維方法，我們要做的就是將計(jì)算思維思想引入課程教學(xué)，完善計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)方法。此外，教師不能只教學(xué)生怎樣做，還要告訴學(xué)生這樣做的道理。

3.把握契機(jī)，做好醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程建設(shè)

醫(yī)學(xué)類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程的建設(shè)包括課程教學(xué)體系、教學(xué)大綱、教學(xué)資源、教學(xué)過(guò)程實(shí)踐諸多方面，其中包括教學(xué)基本要求等的教學(xué)體系構(gòu)建方案已由上一屆教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定。我們現(xiàn)在的工作是在教學(xué)基本要求的指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)課題醫(yī)藥類大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)優(yōu)化研究及醫(yī)藥類大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程建設(shè)與改革的要求，做好教學(xué)大綱、教學(xué)用書、教學(xué)資源、教學(xué)過(guò)程實(shí)踐各個(gè)環(huán)節(jié)的工作。其中，最重要的工作是在課程建設(shè)過(guò)程中引入計(jì)算思維思想，改革課程內(nèi)容與教學(xué)方法，做好課程教學(xué)工作。教師需要具備必要的交叉學(xué)科研究基礎(chǔ)知識(shí)，才能教好課程，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

根據(jù)課題要求，我們組織全國(guó)近20所醫(yī)藥類院校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教師參與研究，組織建設(shè)醫(yī)藥類大學(xué)計(jì)算機(jī)、VB程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、藥學(xué)計(jì)算、醫(yī)學(xué)信息分析與決策5門課程。目前，我們已完成大部分教材、教學(xué)資源建設(shè)，正在參與研究如何開(kāi)展課程教學(xué)實(shí)踐，從各個(gè)院校反饋的教學(xué)實(shí)踐情況看，師生反映良好。課題組教師認(rèn)為融入計(jì)算思維思想后的教材、案例和其他教學(xué)資源確實(shí)改革了教學(xué)方法，提高了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生則反映從課程中學(xué)到了思想方法，提高了應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的能力。從考試成績(jī)上看，學(xué)生提高了綜合運(yùn)用能力考試題型的得分率。

4.結(jié)語(yǔ)

將計(jì)算思維思想引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程，以完整的體系結(jié)構(gòu)改革課程教學(xué)方法，提高課程教學(xué)質(zhì)量，這一點(diǎn)在我們的教學(xué)實(shí)踐中已得到證實(shí)。下一步，我們期望通過(guò)今后的教學(xué)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，還將進(jìn)一步總結(jié)醫(yī)學(xué)類教學(xué)案例，在更廣泛的范圍內(nèi)組織課題實(shí)踐，讓更多的醫(yī)藥類院校參與課題研究工作。endprint