面向研究型及應用型醫學人才培養的Python教學探索

李秀敏，王希杰，刁麗娟

（濱州醫學院,山東 煙臺 264003）

隨著我國科技和經濟的迅猛發展,國家需要越來越多高質量、高素質、高水平的創新型人才。習近平總書記在十九大報告中提出的實施健康中國戰略,為高校培養研究型、應用型醫學人才隊伍指明了方向。人才是醫藥衛生事業發展的重要基石,在提升國家整體醫療服務水平和實現全民健康目的進程中起著關鍵作用[1]。

醫學人才的研究能力和實踐應用能力包括醫學研究、臨床決策、指導臨床應用等,是衡量醫學院校人才培養的重要指標之一[2]。計算機科學在醫學發展和研究中發揮著越來越重要的作用,在電子病歷、移動醫療、生物信息學、健康物聯網等新型交叉學科方面有著廣泛的應用。計算機知識和應用能力已成為醫學生綜合素質的重要標志。

1 醫學院校研究型和應用型人才培養現狀與建議

1.1 現狀

隨著社會的發展,對醫學生的綜合能力要求越來越高。醫學生必須具備良好的科學素養和科研能力,善于從醫學實踐中客觀地分析和解決問題,才能適應當代社會發展的需要。科研能力主要指在開展科學研究活動時,運用科學方法探求并解決問題的過程中所表現出來的本領,主要包括信息分析判斷和處理能力以及實踐動手能力等[3]。近些年來,我國醫學教育事業蓬勃發展,但也存在著資源短缺、師資不足、學生綜合素質下滑等現象。部分醫學畢業生就業后在繼續學習能力、知識應用能力、科研創新能力等方面存在不足,學生綜合素質參差不齊。醫學本科生專業課程繁多且理論課時一般多于實踐課時,同時教學計劃中涉及創新性、應用性、設計性的實驗課較少,在本科生中未開展相關課程的學習,科研基礎知識和方法未普及,使得學生科研意識薄弱。

現階段,我國從事醫療衛生行業工作的人員數量在不斷增多,城鄉醫療機構分布不均、人員素質偏低,這與我國的高等本科教育中實踐應用型的人才培養不足有很大關系[4]。本科教學中要培養學生全面發展,不僅要教授其理論知識,還要讓學生具備足夠的實踐能力,尤其在大數據時代背景下,要使其能夠熟練應用某種數據分析工具來解決實際問題。

1.2 實施課程改革，更新教學內容和教學方法

為培養醫學院校學生的研究和應用能力,需進一步厘清思路,改革與創新教育教學模式,深化“互聯網+”時代下的教育改革。醫學院校學生掌握一種程序設計語言,能夠更好地掌握專業前沿知識,有利于今后的科研與技術創新。

大數據時代背景下程序設計課程的授課中除了掌握基本的程序開發方法外,還應進行大數據分析所需的技能素養和思維方式的訓練及培養。Python已經成為流行的編程語言和科學計算的重要平臺,在數據分析、機器學習、Web開發、圖像處理等多個領域應用廣泛,因而Python已經成為醫療等數據分析領域中最常用的語言。Python語言語法清晰易懂,在培養醫學院校學生專業能力方面具有很高的教學價值。教學中采取讓學生多參與、多討論等方式,多為學生提供一些實踐案例,做好研究型學習。

2 醫學院校Python程序設計課程的教學實踐

2.1 Python程序設計語言的特點

Python語言設計簡潔優雅,安裝便捷,學習效率比較高。通過Python的學習,可以促使學生把更多精力放在解決問題能力和思維能力的培養上,而不是關注其內部實現。Python語法簡單,沒有C語言中的指針、地址等涉及計算機系統結構的元素,對于具有醫學背景的學生而言比較容易學習。

在Python中,不需要事先聲明變量名及其類型,直接賦值即可創建各種類型的對象變量,這一點適用于Python任意類型的對象。Python是一種動態類型語言,變量的類型也是可以隨時變化的,見圖1（示例中安裝軟件為Python3.6,所有程序在IDLE中進行）。變量x的類型從int變為了str類型。Python中的變量并不直接存儲值,而是存儲了值的內存地址或者引用,這也是變量類型隨時可以改變的原因。在Python中,沒有字符常量和變量的概念,只有字符串類型的常量和變量,單個字符也是字符串。邏輯運算符and和or具有惰性求值或邏輯短路的特點。在編寫復雜條件表達式時充分利用這個特點,合理安排不同條件的先后順序,在一定程度上可以提高代碼運行速度。例如3＞5anda＞3語句中,結果為False,并沒有定義變量a。語句3＜5ora＞3,結果為 True,不需要計算 a＞3。Python 主要有 for循環和while循環兩種形式的循環結構,這里帶有else子句是Python循環語句的特色之一。如果循環自然結束時則執行else結構中的語句,如果循環是因為執行了break語句而導致循環提前結束則不會執行else中的語句,見圖2～3（圖2中的代碼執行結果為圖3所示,可見并不執行else子句）。

圖1 查看變量類型

圖2else子句的理解

圖3 圖2語句執行結果

Python突出的優勢還體現在擁有豐富的圖形庫和科學計算庫,主要包括以Pandas為代表的數據分析庫、矩陣計算模塊Numpy、科學計算模塊Scipy、數據可視化工具Matplotlib等。通過學習Python,不但可以培養學生分析和解決問題的能力,提升學生的科研和應用創新意識,而且有助于學生掌握一種終身受用的編程語言。

2.2 Python課程教學內容的設置

程序設計課程的教學重點是培養學生用計算機解決問題的通用方法,從而培養計算思維能力[5]。針對醫學專業學生而言,結合各自的專業和興趣進行Python模塊的學習,適當增加學生的知識面和學習深度,同時結合所學內容開展大學生創新項目的科學研究,掌握數據處理的主要方法。

Python基礎知識部分主要有基本數據類型、變量、運算符、表達式、程序流程控制、函數和模塊等,涉及的類庫主要有Turtle庫、Math庫、Random庫和部分內置函數等。例如求5的階乘可以通過內置函數用語句：reduce（operator.mul,range（1,6））來實現,程序簡潔流暢。能力提升部分主要包括字符串、高級數據結構中的列表、元組、字典、集合等,涉及的類庫主要有Datetime庫、Calendar庫、Time庫。應用部分中主要是圖像處理和數據處理、分析與可視化,涉及的類庫主要有Graphics庫、PIL庫、Numpy庫、Pandas庫和 Matplotlib 庫等[6]。

大數據背景下醫學院校的學生應掌握大數據分析的基本技能,所以除了基本的程序設計技能外,更應側重數據分析挖掘基本思想以及主要應用方法的學習。在Python語言數據處理過程中,首先將獲取的數據轉換成numpy數字,然后用Python提供的Pandas和Scipy模塊進行數據分析及處理,最后提取數據特征并用Matplotlib庫中合適的圖形、圖表表示出來[7]。例如,使用Python繪制出的散點圖和直方圖（見圖4～5）。課程教學過程中,可以結合專業的不同特點選取介紹不同的類庫,從而加強學生研究和應用能力的培養,為未來從事數據分析和應用工作打下基礎。

圖4散點圖

2.3 教學方法的合理選擇與思考

課堂教學中并非獨立地應用一種教學方法,而是在不同的教學階段,根據教學內容、教學對象的不同,選用適合的教學方法進行教學[8]。可以采用案例教學法、演示法、討論法,并嘗試運用慕課、微課程、翻轉課堂等在線課程模式與傳統教學模式相融合,進行教學方法的改革。教師要積極推行以學生為中心的教學理念,教師授課和學生討論可以同步進行,同時配合相應練習,以鞏固學生對知識點的理解[9]。課下給學生推薦網上教學資源,拓寬知識面,提高學習效率。

圖5 直方圖

我校已在2016級、2017級醫學生中開設了Python程序設計選修課程,在教學過程中,為了激發醫學生對算法中晦澀難懂知識的學習興趣和思考積極性,采用了所見即所得的動態交互模式進行授課,將抽象、枯燥的教學內容以生動形象的形式展現,深入分析編寫代碼所涉及的算法思想,增加趣味性,促進學生對知識的理解與消化,增強教學效果。例如,通過使用Pythontutor圖形化工具,可以觀察程序執行過程,更好地理解代碼,并對可能出現的問題進行現場調試。選取的Python案例,包含模塊、函數、程序控制結構、列表的綜合應用,箭頭表示當前運行到的位置（見圖6）。從程序執行的可視化過程可以很清楚地跟蹤變量的變化和函數的調用（見圖7）,輸出結果見圖8。這種動態演示使抽象的算法簡單明了,通過這種方式與學生進行互動,便于學生通過直接比較結果的方式掌握Python程序設計的精髓。

圖6 代碼

工欲善其事,必先利其器。選擇合理的調試方法和工具對提升學習效果至關重要,我們可以在程序中增加輸出語句,了解程序的運行和變量的值,缺點是程序變得稍微復雜。另一種較直觀的方式就是使用斷點調試和單步調試。例如利用Py-Charm調試程序時,在某行增加斷點后,當程序運行到斷點時就會停下,可查看此時各變量的值,從而進行代碼的調整。

3 結語

對科研能力和應用能力的要求是研究型人才培養規格的核心。本科階段培養學生養成主動思考、主動實踐的思維方式,使學生能盡早掌握科研基本思路、基本方法,有利于培養學生的創造能力和創新精神[10]。應用型人才要被實際應用于某個領域,重點強調其分析問題、解決問題的能力,還包括自我發展能力、終身學習能力。

圖7 程序執行可視化模擬

圖8 程序輸出

教學實踐表明,Python語言程序設計課程的學習可以鍛煉學生的臨床思維和科研思維能力,是培養醫學生數據分析處理能力的較好途徑。我們將繼續以學生為教學主體,持續探索如何將課程與專業實踐應用更好地結合,為培養研究型和應用型醫學人才而努力。