以計算思維培養為導向的醫學計算機基礎課程改革與實踐

黃 旭，林加論

（海南醫學院 醫學信息學院，海南 海口 571199）

0 引言

計算機基礎教學是高校重要的基礎課程，在我國高等教育中已有30 多年的歷史，先后經歷了兩次重要的改革。第1 次改革在1997 年，確立了“計算機文化基礎－計算機技術基礎－計算機應用基礎”3 個層次的計算機基礎教學課程體系。第2 次改革始于2004 年，確立了“4 領域×3 層次”計算機基礎教學內容知識結構的總體構架，構建了“1+X”的課程設置方案，并將大學計算機基礎作為第一門課程[1]。

2010 年，《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》掀開了計算機基礎教學第3次改革的序幕。2016 年，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會編制了《大學計算機基礎課程教學基本要求》（以下簡稱基本要求），明確指出計算思維能力的培養將成為今后大學計算機基礎教學的新常態，確立了“寬”“專”“融”3個層次的課程新體系[2]。

1 教學存在的問題

筆者從事計算機基礎教學20 余年，其間經歷了兩次計算機基礎教學的改革，也感受到許多改革獲得的成效，但總結近年來的教學過程，發現依然存在如下一些問題。

（1）學生水平參差不齊。由于來自不同地區的學生在進入大學前受到的計算機教育程度不同，導致學生的計算機水平參差不齊，加上醫學專業分類多，開展面向專業服務的計算機基礎教學難上加難。

（2）學生缺乏學習主動性。以教師和計算機為教學中心的傳統教學模式的沿襲,加上教學內容的陳舊乏味，降低了學生學習的主動性和積極性。

（3）學生思維能力的培養不夠。“工具論”的教學理念，加上各類計算機考試類型的局限，導致學生只注重軟件的操作，缺乏對計算機領域科學探索的興趣，自然無法形成基于計算機解決現實問題的思維能力。

2 教學改革思路

教學形勢的變化，驅動了新的計算機基礎教學改革，而教學改革的順利實施，首要任務就是厘清思路，建立和完善與改革相一致的教育理念。本次教學改革的導向是培養學生計算思維能力，其落腳點在于課程的具體建設和實施。因此，首先要構建新的課程教學體系，并把計算思維能力培養作為新的課程教學目標，在教學內容、教學模式和教學方法等方面進行改革和創新。

理論教學可以探索實施任務驅動式、SPOC+翻轉課堂、研討式、科技活動+技術指導等教學方法和手段的相互融合，將計算思維的概念、方法、過程融入課程的教學過程中，激發學生的學習主動性、積極性和創新性，使學生能夠達到應用計算思維解決本專業的實際應用問題的目的[3]。實驗教學方面，將實驗項目與理論內容有機結合，讓學生通過實驗的觀察和驗證，消化、理解理論知識點，并從中獲得思維能力的培養。與此同時，還應充分利用可能的教學資源，構建適合學生自主學習的數字環境，通過現代教育技術和手段，將教學與數字化、過程化管理緊密結合，使教與學獲得更大程度的相互促進。

3 醫學計算機基礎課程體系

根據教學改革的基本思路，我們首先構建一個適于新教學形勢的醫學計算機基礎課程教學體系。參照基本要求給出的體系框架，總結部分學校的改革實踐經驗[4-5]，結合海南醫學院計算機基礎教學的實際情況，構建基于“寬”“專”“融”3 個層次的醫學計算機基礎課程體系，見表1。新課程體系以計算思維為主線，以培養學生的計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力為目標，分為3 個層次，每個層次設置不同的課程，滿足不同專業的各類信息需求。

4 教學改革實踐

4.1 以計算思維視角組織課程內容

根據新課程體系的教學目標，大學計算機基礎課程重點培養學生對計算機系統的認知能力、信息素養和計算思維意識，也就是說課程主要知識點還屬于原來的內容范疇，只不過需要將計算思維的理念滲透其中。因此，新修訂的課程體系構成基本還是原來的內容，但從計算思維的角度重新梳理，學生可以在課程內容的學習過程中逐步建立計算思維意識。修訂后的課程內容體系由5 個模塊組成。

模塊1：計算思維問題的提出（主要包括問題描述、問題抽象、問題求解方法）；

模塊2：計算機信息數字化基礎（主要包括數制及其轉換、數值/字符/多媒體編碼）；

模塊3：計算機三大平臺（主要包括硬件平臺、軟件平臺、網絡平臺）；

模塊4：算法與程序設計（主要包括典型算法、程序設計）；

模塊5：實用軟件應用（主要包括文字處理、數據處理、報告處理、圖像處理）。

在新的課程體系中，課程內容按照計算思維強調的“用計算機科學的基礎概念進行問題求解和系統設計”的技術路線進行組織，課程教學以“計算思維問題的提出”為開篇，給出計算思維的定義，并簡要說明基于計算機求解問題的方法過程；緊跟著通過信息編碼的介紹，闡述數據在計算機中表示的形式化方法，并映射出硬件控制原理和軟件需要解決的問題；接下來從計算機的三大平臺層面，展現計算機科學的基本原理和方法，強調計算機的自動化控制原理、資源管理機制和基于系統平臺的網絡計算服務；最后通過算法與程序設計及實用軟件應用內容的補充，幫助各個專業從計算機科學中找到對計算需求及實際應用的支持[6]。雖然還是原來的知識點，但是通過“基于計算機的問題求解”的主線串聯起來，使整個教學過程更連貫，并滲透入計算思維的基本理念，更容易達到既定的課程培養目標。

表1 基于“寬”“專”“融”的醫學計算機基礎課程體系

4.2 以網絡課程應用輔助理論教學

使所有學生更加主動、積極地參與學習，是課程教學努力的一個方向，而學生計算機水平參差不齊，是目前擺在所有大學計算機基礎課程授課教師面前的教學現狀。如何提高學生的學習主動性和積極性，保證基礎弱的學生打好基礎，而能力強的學生學到更多知識，就必須在教學模式和教學方法等方面進行改革和創新。鑒于此，可將網絡教學與傳統課堂進行整合設計，構建一種線上線下教學/學習的混合教學模式。

課程教學設計主要分為課前、課中、課后3個階段，通過線上或線下的方式完成。其中課前屬于課程的導學階段（即提出問題），由學生在課前依據教師給定的教學目標，觀看教師推薦的視頻或者按照個性化的學習自己查找視頻，瀏覽課程資源，并完成相應任務，在不懂或測試遇到難題的時候可以通過討論探究；課中屬于課程的研學階段（即解決問題），教師根據知識點的不同，依據問題導向的教學方法，確定合適的教學活動展開師生、生生間的交流互動，學生則根據教師的引導，逐步完成學習目標；課后屬于課程的練學階段（即鞏固提升），由教師布置測試題讓學生及時鞏固所學知識，并給出下節需要預習的問題。在這3 個階段中，課中研學主要通過線下課堂教學開展，而課前導學和課后練學則依靠學校提供的Blackboard 教學平臺，通過學生線上自主學習開展。

Blackboard 由美國Blackboard 公司開發，是目前市場上唯一支持百萬級用戶的教學平臺，海南醫學院于10 多年前便引入Blackboard 教學平臺并加以應用。不管在任何地方，只要能聯通網絡，都可以隨時、方便獲取到相應的課程資源，其便捷且符合信息時代的學習方式，受到了學生的歡迎，也成為學校教學工作的一大亮點。目前校內幾乎所有課程都構建了相應的網絡課程。海南醫學院大學計算機基礎Blackboard 網絡課程屬于校內較早構建并應用的課程之一，經過多年的資源建設和應用推廣，不但課程資源得到了極大的豐富和完善，其應用模式也趨向成熟，更加符合現有課程教學模式的進一步推行。

大學計算機基礎Blackboard 網絡課程主要由9 個板塊組成：課程通知、教師信息、課程信息、課程文檔、操作視頻、作業/實驗、主題討論、詞匯表、電子圖書，各板塊主要包含內容及說明見表2。

表2 大學計算機基礎Blackboard網絡課程各板塊包含內容及說明

4.3 以虛擬實驗方法推進課程實驗教學

“虛擬實驗”方法在大學計算機基礎課程教學內容的補充，基本原理和重要概念的深刻詮釋，重點難點內容的形象表達等方面都不失為一種行之有效的方法，為課程實驗體系的創建和完善以及為計算思維在課程中落地找到了一條有效途徑[7]。海南醫學院自2017 年起引入北京理工大學開發的“虛擬實驗工場”實驗平臺，根據大學計算機基礎課程內容，選用于課程實驗教學的虛擬實驗見表3。

目前虛擬實驗已在兩輪課程實驗教學中加以應用，并達到了預期良好的教學效果。相較之前的枯燥理論講解，虛擬實驗往往可以帶來事半功倍的效果。譬如在講解計算機的工作原理時，抽象的理論經常讓學生聽得云里霧里，而通過觀看“一條指令的執行過程”虛擬實驗的動態演示，再結合實驗執行過程記錄表（表4）的填寫，學生可以很快掌握其中原理。

表3 大學計算機基礎課程虛擬實驗

表4 一條指令的執行過程記錄表

實驗平臺除了提供若干個虛擬實驗外，還提供了實驗報告組件，可實現學生實驗報告的數據記錄、自動批閱、成績管理等功能。該組件不但可以快速檢測學生的實驗效果，還減輕了教師的工作量，同時在一定程度上豐富了課程形式化考核的手段。

5 結語

通過大學計算機基礎課程的教學實踐成效可以看出，以計算思維培養為導向的課程改革在很大程度上解決了目前教學中存在的問題，是一種符合目前教學現狀，切實可行，行之有效的教學策略。但是隨著計算機技術的飛速發展及教學現狀的不斷變化，還會不斷涌現出越來越多的問題。計算機基礎教學的改革是一個系統工程，只有結合實際，不斷調整教學內容，改進教學方式/手段，探索適合的教學模式，才能達到提升醫學生信息素養、應用能力和思維能力的培養目標。