以學科內容為依托的計算思維能力培養

彭柳芬+周怡+劉艷松

[摘 要] 針對目前大學計算機基礎教育中計算思維教學面臨的挑戰，以醫藥專業的學科內容為依托，在教學方法和教學內容設計方面對計算思維能力培養的教學變革進行探討，提出結合醫藥學科內容特點，滲入計算思維能力培養，提高醫學生創新思維能力，并展示出在“計算思維能力試點班”中的實施過程和效果。

[關鍵詞] 計算思維;教學方法;教學內容

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）03-0058-03

0 引言

利用計算手段進行相關內容的研究將成為未來各學科人才進行創新的主要手段之一。創新需要學科交叉，面向不同學科創新的計算思維能力培養尤其需要復合型的知識交叉，既要理解學科專業的研究對象與思維模式，又要理解計算思維。本文的研究以醫藥專業為試點，闡述“計算思維”的核心內容，在教學過程中充分結合計算機基礎課程與醫藥專業的特點，探索并分析非計算機專業學生對計算思維能力的需求，從而得出大學計算機課程改革的解決方案，對學生進行計算思維能力的培養。

1 研究背景

當今之信息時代，各專業學生必須學習利用計算進行問題求解的能力。而從20 世紀 90 年代末期教育部倡議在大學開展“計算機文化”教育開始，經歷了以常用軟件學習與掌握為主的“計算機文化基礎”教育階段和以素養與應用驅動的計算機共性知識講授為主的“計算機應用基礎”教育階段。但隨著認識的不斷深入，問題和矛盾也越來越多，如面對快速發展的計算機技術如何對教學內容進行取舍、理論內容與應用技能的教學與訓練如何平衡等。教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會和高等教育出版社等組織了多次大學計算機論壇，探討“計算思維”的形式和內涵等。以計算思維為導向進行大學計算機課程改革和面向“計算思維”的大學計算機教育的基本思路已經取得共識[1]。

長期以來，國內醫藥院校的計算機基礎教育內容主要是Windows+Office的基本使用和程序設計基礎，課時較多的學校還輔以數據庫、網頁制作、flash和photoshop等，但其主要內容與國內理工科院校基本相同。醫藥院校，多年來全面針對一、二年級的學生開設大學計算機基礎課程，主要授課內容及理念與國內大多數醫藥院校基本一致。但是，隨著“計算思維”的提出，要重新審視課程設置及教學方法，探討更加適合醫藥院校計算機基礎課程的知識內容體系和教學安排。

如何培養醫藥專業學生的計算機使用技能和計算機問題求解能力，給醫藥院校的計算機基礎教育帶來了新的挑戰。筆者提出，先由教師授課開始，將大學計算機基礎的主要內容與醫藥學科的應用實例結合，通過逐步引導將計算機技術與醫藥科學融合起來，刺激學生用計算思維的方式求解醫學問題的欲望和沖動。將“計算思維”能力培養引入“大學計算機基礎課程”教學課堂，并選取一些班級作為試點班進行改革。從醫藥院校特點和專業性考慮，筆者選取了“預防醫學”專業作為試點進行大學計算機基礎課程試點改革，在小范圍內先行先試，總結經驗吸取教訓，并在將來進行推廣實施。

2 以學科內容為依托的教學方法改革研究

非計算機專業的計算機教學不僅要關注計算機及其通用計算手段應用知識與應用技能的教學，還要關注學生未來計算能力的需求[2]。教學過程中將計算思維與其他學科的思維相互融合，促進各學科學生創造性思維的形成。廣東藥學院大學計算機基礎課程主要內容包括大基+程序設計，筆者將舉例展示“計算思維”在教學各個環節中的闡釋。

2.1 以電子健康檔案引入“0和1”編碼和存儲概念

國家十二五期間要建設居民電子健康檔案、電子病歷和專用網絡，通過信息技術實現信息高度共享，使降低藥品庫存成本、醫保異地支付和藥品安全使用等醫療衛生服務更加惠及民眾，也使得醫療衛生事業的可計算性得以明顯地顯現。以此為切入點，教師在課堂逐步展開對計算機體系結構，馮諾依曼模型、數據存儲、數據類型、數據轉換、信息處理過程、信息數字化、計算自動化和多核系統（并行）的相關概念，再輔以衛生信息化建設的成功案例，將學生的專業興趣、計算機問題探究和大學計算機基礎教育知識點密切地結合在一起。

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

以學生熟悉的疾病名稱引出其機內碼表現形式，并介紹不同進制的差異及其存在的原因，進一步介紹計算機的存儲原理，使醫學生對二進制有了較好的理性和感性的認識。知道現實世界的各種信息（數值性和非數值性）都可被轉換成0和1，進行各種處理和變換，然后再將0和1轉換成滿足人類的各種信息，“0和1”的思維體現了語義符號化，是計算自動化最重要的基礎，是計算思維[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，為后續的醫學信息學教育埋下伏筆，誘使學生深入思考編碼的廣泛意義。

因為存儲而要編碼（機器能接受的碼），能存儲編碼，也就能存儲指令，能存儲數據和指令序列，就有了自動執行、自行運算的條件。醫學生的思路從“齲齒”、“傷寒”、“ASCII”、“Unicode”到ICD10的演繹，計算思維概念開始逐漸萌芽。

2.2 用專業性內容刺激學生計算機緣

大學計算機基礎課程關于計算機操作系統和word、excel、powerpoint等內容的介紹中，有較大量的實驗，在計算思維能力培養改革之前大都以驗證性、操作性的實驗課組織教學。此次的改革試點過程中基于90后大學生的“數字土著”的特點，較大跨度的改變教學方式——精講多做，而實驗課轉變為創造型的綜合設計性教學。實驗課上，老師提供主題，在不違背課程原則基礎上，實驗的具體內容、表現形式、內容的組織結構完全先由學生自由發揮，后由老師審核表現形式和組織結構，最大程度上實現學生自由創新能力的提升。

例如，word教學按照“講+展+精彩呈現”的方式進行，即先介紹文字、圖片、編輯、排版和樣式等經典內容，再向學生展示經過教師精選的與自己專業有關的word作品，然后安排學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播放每一位學生的作品，并對精彩作品進行特別的展示、闡釋和評價。word的教學分為兩個階段進行，第一階段是“精簡型”文檔訓練，在教學與實驗過程中以“精華式”word制作展開，訓練的目的是圍繞主題，運用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盡可能豐富的內容;第二階段是高級應用，主要內容包括：長文檔編輯，郵件合并，表格操作，數據處理等。

word教學內容使用“講+展+精彩呈現”的方式，極大的調動了學生自學和創作的積極性。根據統計，主題為“我和預防醫學”的word作品中，同學們使用了word軟件中約75%的功能，并且有部分學生能夠將word軟件中的功能與其他常用應用軟件非常好的結合使用。 幾乎所有word作品中，學生都能夠通過特定的思維活動使用計算機解決實際問題，學生將自己的專業思想以word作品的形式全面而簡潔地表現了出來，而將手工書寫和作圖的過程利用計算機實現。這為學生尤其是非計算機專業的學生，更好地理解和掌握計算機的工作原理和“計算”概念的抽象性做了進一步的鋪墊。

2.3 演示文稿中的“程序”思維能力訓練

演示文稿（PPT）是一個含文字、圖片、動畫和聲音的較為復雜的系統，由基本元素（文字、圖片、動畫和聲音等）以及基本元素的各種組合構成。因此制作一個PPT演示文檔需要能夠實現這些基本元素的控制、組合與出現次序編排的機制，這個機制就是“程序”。PPT系統可以按照已經設定好的“程序”控制“基本元素”的執行以實現美輪美奐的演示效果，在一份優秀PPT制作的過程中，學生的“程序”思維能力得到很好的訓練。筆者根據學生情況擬制了相應知識點的教學大綱，主要分為兩部分：表現藝術與演示文稿的制作、多格式文稿與媒體信息交互編輯制作。其中第一部分從5個方面進行講解及演示：演示文稿制作的流程與方法、文稿中的文字處理技術、素材及幻燈片的制作、演示文稿的編輯和交互式設計;第二部分從文字、圖片、圖表、音效和動畫等方面充分展示演示文稿的制作過程：“言簡意賅”——文字在動畫中的應用，“震撼視覺”——圖片在動畫中的應用，“言之有據”——圖表在動畫中的應用，“抑揚頓挫”——音樂、音效與動畫的節奏配合，錯落有序的意境傳遞和行云流水般的表現。課程整體安排巧妙而富有藝術性，將計算思維的概念貫穿于教學的全過程，既讓學生掌握了相應的技能，又把計算思維的理念通過知識內容無形地傳遞給了學生，充分體現了技能掌握與思維訓練的雙重結合。

教學過程中，在知識點“錯落有序的意境傳遞和行云流水般的表現”的教學過程中引入“程序”思想進行授課。學生對教學方式和內容響應很好，對知識內容的掌握效果非常好，筆者根據本知識點布置了相應的綜合作業。學生自由組隊，題材自選，自由收集素材，利用PowerPoint制作動畫作品，然后上臺展示，評委由全班同學+課題組老師+嘉賓（廣州市健康教育所相關領導）組成。在最后的角逐中，作品“手機病”、“霧霾”和“蚊子的戰爭1～3季”脫穎而出。其中“蚊子的戰爭1～3季”被廣州市健康教育所選中，用于“登革熱”教育宣傳，得到相應創意獎金及后續的項目合作機會。

“蚊子的戰爭1～3季”既是PPT制作的作品，又是圖文并茂、聲效俱佳的全動畫作品。PPT展示的是一位小男孩救哥哥的故事。整個故事情節由小男孩救被“登革熱魔王”抓走的哥哥而歷經各種關卡的游戲形式展現。在這些關卡中將登革熱（通過回答闖關式問題、科普卡、信息展示等方式）和防蚊滅蚊（道具卡）的知識植入主人公的游戲闖關過程中。這一形式達到了玩家體驗闖關成功的快樂、設計者普及健康知識的雙重效果。作為一個非IT專業的二年級學生能夠制作出如此專業、精美而有創意的作品實屬不易，充分說明筆者的教學內容設計與教學方式的成功。通過允許學生自由發揮、同臺競技和機會誘惑的形式最大程度的刺激了學生學習的積極性，也挖掘出了學生的潛能，讓學生對自己的學習更有信心、更具自主性，再一次體現了計算思維教學的真諦。

“程序”思維能力是計算思維能力的重要組成部分，PPT教學中“錯落有序的意境傳遞和行云流水般的表現”章節，就是經過演繹后的“程序”思維，實現了運用“程序”思維方式設計PPT信息表現和意境傳遞次序的功能，這是新一輪大學計算機教育教學改革的新特征，也是計算思維的提出對醫學生的大學計算機教育的新貢獻。新一輪大學計算機教育教學改革的新特征在于改變和提升了能力的內涵，從而形成了大學計算機教育的新功能。

2.4 以“計算思維”為導向的程序設計能力培養

在程序設計能力培養過程中，筆者認為講授一門程序設計語言（比如Visual Basic），關鍵是“思想”和“方法”的掌握，而不僅僅是語言及其應用。即提出了以“發現（接受）問題-分析問題-尋求解決方案-對各解決方案進行比較選優-方案實施”為思路的“問題求解驅動式程序設計”的訓練方法[4]。以此達到培養學生掌握運用計算思維方法解決實際問題的目的。

在此環節，筆者沒有花過多的時間對程序設計語言的工具、語法和案例進行講解，而是事先布置任務讓學生自行預習相關內容，然后抽取適當適量的題（國家二級考試真題）進行訓練。訓練前，老師會對任務的要點、要求等進行詳細的解釋;訓練過程中，遇到問題時有專職實驗輔導老師進行解答;訓練結束時，老師再對訓練過程中出現的問題及訓練結果一一講評，使大部分學生掌握本環節內容。而考核部分，筆者對傳統的考核方式進行了改革，舍棄了傳統的“期末考”考核方式，而是主要從兩個方面進行：第一，教學過程中進行三次上機考核，機試的最終得分為三次機試的平均分;第二，學生參加“全國高等學校計算機水平考試”。最后，綜合機試成績和統考成績作為學生的期末成績。上機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知識內容特點劃分為三個階段：基礎知識題、操作性題和綜合性題，并做成題庫，由學生抽簽得到其需完成的題目。學生除了完成題目自身的要求外，還需對題目可能涉及的內容進行開放性的解答。計算機的工作過程就是執行程序的過程，學習程序設計可以幫助學生理解計算機的工作原理，可以訓練學生的“計算思維”。思維是由一系列知識所構成的完整的、互相貫通的解決問題的思路。這種貫通性的思維是可實現的思維而非實現的細節，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，即應將思維以可實現、可視化的方式而不是簡單化、概念化的方式傳授給學生，把知識貫穿于思維的講解與訓練中。

3 結束語

計算思維在計算機課程教學中具有舉足輕重的地位，起著引領和導向作用。培養良好的計算思維能力和建立正確的思維方式對學生掌握各種知識起到事半功倍的作用[5]。本文提出以醫學生的學科內容為依托，結合醫藥學科應用實例，將計算機技術與醫藥科學相融合的教學方式，以此提高學生的學習興趣，進而逐漸培養良好的學習態度，掌握高效的學習方法并學會解決問題。本試點課程的課程設計及教學方式方法受到了學生的歡迎，引發學生對計算機科學的極大興趣，使醫藥院校學生基于計算機科學的解決問題、設計系統和理解人類行為的能力有所增強。

參考文獻

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[2]侯彥利.“大學計算機基礎”教學中的計算思維[J].教育教學論壇，2013，（18）：179-181.

[3]戰德臣，聶蘭順.計算思維與大學計算機課程改革的基本思路[J].中國大學教學，2013，（2）：56-60.

[4]段春爭，于同敏，姜開宇，劉瑩.高等本科院校模具課程研究型教學方法的探索與實踐[J].中國大學教學，2013，（6）：67-71.

[5]李 瑩.計算思維在計算機課程教學中的貫穿[J].計算機教育，2013，（4）：36-39.