基于計(jì)算思維的Sandwich教學(xué)法研究
——以醫(yī)學(xué)生程序設(shè)計(jì)課程為例

付 淼

（中國醫(yī)科大學(xué)，遼寧 沈陽 110122）

1 計(jì)算思維概念及重要性

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式正面臨重大變革，人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與醫(yī)療健康領(lǐng)域的結(jié)合越來越緊密。智能醫(yī)學(xué)需要具備學(xué)科交叉、有創(chuàng)新實(shí)踐能力的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生用計(jì)算思維方式解決專業(yè)問題，并成為復(fù)合型人才的基礎(chǔ)性教育[1]。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)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)[2]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，各種決策將日益基于數(shù)據(jù)和分析而做出，計(jì)算思維將成為人們認(rèn)識(shí)和解決問題的基本能力之一，從計(jì)算機(jī)能力的培養(yǎng)到計(jì)算思維的養(yǎng)成是對(duì)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一個(gè)新挑戰(zhàn)[3]。

2010年《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中也指出要把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[1]。在2010年“第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇”大會(huì)報(bào)告中，陳國良院士同時(shí)也闡述了計(jì)算思維對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性，并為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革提供了一種以提高學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)的新模式[4]。在《中國高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系2008》中將程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)確定為：學(xué)習(xí)問題求解的思路和方法（即算法）和理解計(jì)算機(jī)是如何具體實(shí)現(xiàn)算法的（即如何才能有效利用計(jì)算機(jī)編程），課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是算法思想和問題求解的思路，即培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)編程，并最終形成計(jì)算思維[5]。程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的重點(diǎn)方式，計(jì)算思維最終需要程序設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)[6]。

2 Sandwich教學(xué)法

Sandwich（即“三明治”）教學(xué)法是對(duì)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)相結(jié)合的一種形象比喻，是“理論—實(shí)踐—理論”的人才培養(yǎng)模式。后來由德國海德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院將該理念運(yùn)用于課堂教學(xué)而發(fā)展形成的一種新的課堂教學(xué)法[7]。該教學(xué)法將以教師講解為主的課堂結(jié)構(gòu)打散，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主導(dǎo)，教師的授課過程中穿插學(xué)生小組討論、小組交叉學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)匯報(bào)等環(huán)節(jié)，即課堂上教師首先向?qū)W生講解本次課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容并提出本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)過程主要是以學(xué)生分組討論、學(xué)習(xí)小組交叉討論、學(xué)習(xí)匯報(bào)的形式展開。學(xué)生匯報(bào)后，教師要對(duì)學(xué)生的匯報(bào)和本次課程進(jìn)行總結(jié)，然后提出新的問題。學(xué)生根據(jù)本次課程所掌握的知識(shí)討論解決新問題，最后教師對(duì)學(xué)生解決問題的情況進(jìn)行反饋和評(píng)價(jià)。

Sandwich教學(xué)法改變了傳統(tǒng)以教師為主導(dǎo)的授課方式，將集體學(xué)習(xí)和個(gè)體學(xué)習(xí)相結(jié)合，讓學(xué)生真正參與到課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間進(jìn)行溝通和交流，以達(dá)到調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。計(jì)算思維教育就是在課程學(xué)習(xí)過程中逐漸形成的一種解決問題的思維能力和習(xí)慣，而更多的則是隱藏在教育教學(xué)方法和能力培養(yǎng)過程中，其目的是培養(yǎng)一種學(xué)習(xí)與思維習(xí)慣，以提供理解物理、社會(huì)及其他現(xiàn)象的一個(gè)新視角，給出解決問題的一種新途徑，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力。計(jì)算思維的養(yǎng)成能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)工作中敢于思考、勇于創(chuàng)新[3]。

在Sandwich教學(xué)法的實(shí)施過程中提倡由學(xué)生自主探索知識(shí)，在學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，教師不限制獲取知識(shí)的方式，可以通過閱讀教材和參考資料、使用互聯(lián)網(wǎng)搜索資料、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)MOOC以及學(xué)生之間進(jìn)行交流等。在學(xué)生獲取知識(shí)的同時(shí)就形成了一種自主學(xué)習(xí)的形式和習(xí)慣。通過小組討論，學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)將自己學(xué)習(xí)后所理解的知識(shí)及觀點(diǎn)表達(dá)出來，并在討論過程中不斷修正和完善其對(duì)知識(shí)的理解。在學(xué)生匯報(bào)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在匯報(bào)過程中進(jìn)一步消化理解所學(xué)知識(shí)，同時(shí)鍛煉了學(xué)生語言表達(dá)和邏輯思維能力。在學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的環(huán)節(jié)，不但檢驗(yàn)了學(xué)生在上一學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握情況，同時(shí)還鍛煉了學(xué)生運(yùn)用已掌握知識(shí)解決具體問題的能力，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸養(yǎng)成計(jì)算思維。

3 基于計(jì)算思維的Sandwich教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，應(yīng)避免陷入語言表達(dá)形式的誤區(qū)，教學(xué)應(yīng)該突出體現(xiàn)編程解決問題的方式和方法，而不是語言本身。在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)施過程中應(yīng)當(dāng)特別注重實(shí)踐，使學(xué)生通過實(shí)踐能夠確實(shí)感受和領(lǐng)悟到計(jì)算機(jī)問題求解的基本方法和思維模式[1]。

根據(jù)程序設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)及計(jì)算思維能力培養(yǎng)的需求，構(gòu)建基于計(jì)算思維的Sandwich教學(xué)模型，見圖1。在該模型中，將Sandwich教學(xué)分成6個(gè)教學(xué)模塊。

圖1 基于計(jì)算思維的Sandwich教學(xué)模型

（1）教師引導(dǎo)教學(xué)：例如教師通過“雞兔同籠”問題引入本次課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，并提出本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握程序設(shè)計(jì)中的分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)以及循環(huán)和分支結(jié)構(gòu)的嵌套使用，熟悉程序書寫流程。用計(jì)算機(jī)程序求解一個(gè)實(shí)際問題，首先要從這個(gè)實(shí)際問題中抽象出一個(gè)數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)一個(gè)解此數(shù)學(xué)模型的算法，接著根據(jù)算法編寫程序，再經(jīng)過程序調(diào)試、編譯、連接和運(yùn)行，最后完成該問題的求解[8]。因此，教師要提出本次課程的問題：①找出求解“雞兔同籠”問題的數(shù)學(xué)模型。②設(shè)計(jì)求解該數(shù)學(xué)模型的算法。③編寫程序?qū)崿F(xiàn)該算法。

（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)：在這個(gè)模塊中包含小組討論和交叉小組討論兩個(gè)部分。在第一次分組時(shí)，每個(gè)小組的學(xué)生可以通過閱讀教材相關(guān)章節(jié)或利用搜索引擎、MOOC等方式進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，然后通過討論完成數(shù)學(xué)模型及算法的求解。在重新分組討論時(shí)，學(xué)生將第一次分組討論的情況講給其他同學(xué)，并進(jìn)一步討論教師提出的3個(gè)問題，最終達(dá)成一致意見。因?yàn)橛?jì)算機(jī)編程中數(shù)學(xué)模型及算法的提出對(duì)于初學(xué)者相對(duì)比較難理解和掌握，因此，在這個(gè)交叉分組討論過程中，可以修正第一次分組時(shí)求解教師提出問題不是十分正確的小組同學(xué)的答案，同時(shí)也可以在與其他同學(xué)的交流討論中不斷啟發(fā)和開闊學(xué)生思路。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)交流：學(xué)生進(jìn)行兩輪討論后，已經(jīng)對(duì)教師提出的問題有了答案和理解，接下來就是學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)的時(shí)間。讓學(xué)生自己將學(xué)到的知識(shí)和求解的問題講給大家，不但可以加深學(xué)生對(duì)問題的理解，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的語言表達(dá)能力。

（4）教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)：根據(jù)學(xué)生討論和匯報(bào)情況，教師指出存在的問題，并分析問題的原因及解決方法，同時(shí)結(jié)合本次課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，歸納總結(jié)學(xué)生需要掌握的知識(shí)點(diǎn)和算法思想，解答在教學(xué)過程中學(xué)生沒有涉及的具有代表性的問題。為提高學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力，教師需要提出新的案例進(jìn)行拓展。該案例可以是在原有問題上的進(jìn)一步深入（如當(dāng)雞、兔的頭與腳的數(shù)量未知時(shí)如何進(jìn)行求解），也可以是與之相似的一個(gè)新的問題。

（5）計(jì)算思維實(shí)踐：程序設(shè)計(jì)可以通過對(duì)數(shù)據(jù)和操作的分析、歸納和驗(yàn)證來提高學(xué)生分析和解決問題的水平，從而能夠更好地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的多種思維能力[8]。經(jīng)過前面的討論、匯報(bào)和教師總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)本次課程的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)有所了解和掌握。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生需要將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到解決實(shí)際問題中去，從而鍛煉自己的分析思維能力、培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生需要對(duì)教師提出的問題進(jìn)行再次分組討論，分析教師提出的新問題，同時(shí)要給出解決新問題的算法和方法。同時(shí)，這個(gè)環(huán)節(jié)也是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況及運(yùn)用知識(shí)解決問題能力的一個(gè)檢驗(yàn)過程。

（6）學(xué)生教師反饋：學(xué)生分享本次課程的收獲、學(xué)習(xí)心得和存在的問題，同時(shí)提出對(duì)Sandwich教學(xué)方法的意見和建議。教師對(duì)“計(jì)算思維實(shí)踐”環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要解答和總結(jié)，并對(duì)學(xué)生的課堂表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

隨著信息化時(shí)代的到來，善于運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和手段進(jìn)行學(xué)習(xí)工作和解決專業(yè)問題已經(jīng)是高級(jí)人才必備的素質(zhì)[1]。計(jì)算機(jī)不僅是一個(gè)工具，同時(shí)還提供了一種對(duì)學(xué)生從事任何事業(yè)都受益終生的思維方式[3]。盡管計(jì)算機(jī)科學(xué)不等于程序設(shè)計(jì)，但學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)方法是理解計(jì)算機(jī)的最好途徑，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的目的是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的基本過程和思想，同時(shí)程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容也最能體現(xiàn)問題的求解方法，是計(jì)算思維培養(yǎng)的重要內(nèi)容[1]。

Sandwich教學(xué)法是一種培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、勇于思考、敢于探索新知識(shí)的新型教學(xué)方式，教學(xué)過程融入個(gè)體學(xué)習(xí)、集體學(xué)習(xí)、總結(jié)匯報(bào)等多種形式，使學(xué)生和教師之間、學(xué)生和學(xué)生之間進(jìn)行互動(dòng)交流，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，提高學(xué)生獲取知識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作、語言表達(dá)、解決問題等多方面的能力，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。