以学科内容为依托的计算思维能力培养

彭柳芬+周怡+刘艳松

[摘 要] 针对目前大学计算机基础教育中计算思维教学面临的挑战，以医药专业的学科内容为依托，在教学方法和教学内容设计方面对计算思维能力培养的教学变革进行探讨，提出结合医药学科内容特点，渗入计算思维能力培养，提高医学生创新思维能力，并展示出在“计算思维能力试点班”中的实施过程和效果。

[关键词] 计算思维;教学方法;教学内容

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）03-0058-03

0 引言

利用计算手段进行相关内容的研究将成为未来各学科人才进行创新的主要手段之一。创新需要学科交叉，面向不同学科创新的计算思维能力培养尤其需要复合型的知识交叉，既要理解学科专业的研究对象与思维模式，又要理解计算思维。本文的研究以医药专业为试点，阐述“计算思维”的核心内容，在教学过程中充分结合计算机基础课程与医药专业的特点，探索并分析非计算机专业学生对计算思维能力的需求，从而得出大学计算机课程改革的解决方案，对学生进行计算思维能力的培养。

1 研究背景

当今之信息时代，各专业学生必须学习利用计算进行问题求解的能力。而从20 世纪 90 年代末期教育部倡议在大学开展“计算机文化”教育开始，经历了以常用软件学习与掌握为主的“计算机文化基础”教育阶段和以素养与应用驱动的计算机共性知识讲授为主的“计算机应用基础”教育阶段。但随着认识的不断深入，问题和矛盾也越来越多，如面对快速发展的计算机技术如何对教学内容进行取舍、理论内容与应用技能的教学与训练如何平衡等。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会和高等教育出版社等组织了多次大学计算机论坛，探讨“计算思维”的形式和内涵等。以计算思维为导向进行大学计算机课程改革和面向“计算思维”的大学计算机教育的基本思路已经取得共识[1]。

长期以来，国内医药院校的计算机基础教育内容主要是Windows+Office的基本使用和程序设计基础，课时较多的学校还辅以数据库、网页制作、flash和photoshop等，但其主要内容与国内理工科院校基本相同。医药院校，多年来全面针对一、二年级的学生开设大学计算机基础课程，主要授课内容及理念与国内大多数医药院校基本一致。但是，随着“计算思维”的提出，要重新审视课程设置及教学方法，探讨更加适合医药院校计算机基础课程的知识内容体系和教学安排。

如何培养医药专业学生的计算机使用技能和计算机问题求解能力，给医药院校的计算机基础教育带来了新的挑战。笔者提出，先由教师授课开始，将大学计算机基础的主要内容与医药学科的应用实例结合，通过逐步引导将计算机技术与医药科学融合起来，刺激学生用计算思维的方式求解医学问题的欲望和冲动。将“计算思维”能力培养引入“大学计算机基础课程”教学课堂，并选取一些班级作为试点班进行改革。从医药院校特点和专业性考虑，笔者选取了“预防医学”专业作为试点进行大学计算机基础课程试点改革，在小范围内先行先试，总结经验吸取教训，并在将来进行推广实施。

2 以学科内容为依托的教学方法改革研究

非计算机专业的计算机教学不仅要关注计算机及其通用计算手段应用知识与应用技能的教学，还要关注学生未来计算能力的需求[2]。教学过程中将计算思维与其他学科的思维相互融合，促进各学科学生创造性思维的形成。广东药学院大学计算机基础课程主要内容包括大基+程序设计，笔者将举例展示“计算思维”在教学各个环节中的阐释。

2.1 以电子健康档案引入“0和1”编码和存储概念

国家十二五期间要建设居民电子健康档案、电子病历和专用网络，通过信息技术实现信息高度共享，使降低药品库存成本、医保异地支付和药品安全使用等医疗卫生服务更加惠及民众，也使得医疗卫生事业的可计算性得以明显地显现。以此为切入点，教师在课堂逐步展开对计算机体系结构，冯诺依曼模型、数据存储、数据类型、数据转换、信息处理过程、信息数字化、计算自动化和多核系统（并行）的相关概念，再辅以卫生信息化建设的成功案例，将学生的专业兴趣、计算机问题探究和大学计算机基础教育知识点密切地结合在一起。

例如，医学中的“龋齿”和“伤寒”这两个病名的汉字以及英文字母“K”，用目前普遍采用的Unicode（UCS-2用两个字节来表示一个字符），其编码参见表1。

以学生熟悉的疾病名称引出其机内码表现形式，并介绍不同进制的差异及其存在的原因，进一步介绍计算机的存储原理，使医学生对二进制有了较好的理性和感性的认识。知道现实世界的各种信息（数值性和非数值性）都可被转换成0和1，进行各种处理和变换，然后再将0和1转换成满足人类的各种信息，“0和1”的思维体现了语义符号化，是计算自动化最重要的基础，是计算思维[3]。笔者课堂上也提到国际疾病分类码（international classification of disease10，ICD10）并举例说明，为后续的医学信息学教育埋下伏笔，诱使学生深入思考编码的广泛意义。

因为存储而要编码（机器能接受的码），能存储编码，也就能存储指令，能存储数据和指令序列，就有了自动执行、自行运算的条件。医学生的思路从“龋齿”、“伤寒”、“ASCII”、“Unicode”到ICD10的演绎，计算思维概念开始逐渐萌芽。

2.2 用专业性内容刺激学生计算机缘

大学计算机基础课程关于计算机操作系统和word、excel、powerpoint等内容的介绍中，有较大量的实验，在计算思维能力培养改革之前大都以验证性、操作性的实验课组织教学。此次的改革试点过程中基于90后大学生的“数字土著”的特点，较大跨度的改变教学方式——精讲多做，而实验课转变为创造型的综合设计性教学。实验课上，老师提供主题，在不违背课程原则基础上，实验的具体内容、表现形式、内容的组织结构完全先由学生自由发挥，后由老师审核表现形式和组织结构，最大程度上实现学生自由创新能力的提升。

例如，word教学按照“讲+展+精彩呈现”的方式进行，即先介绍文字、图片、编辑、排版和样式等经典内容，再向学生展示经过教师精选的与自己专业有关的word作品，然后安排学生在课后每人制作一份“精华式”（仅限一页）word作品，教师在下一次课堂上逐个播放每一位学生的作品，并对精彩作品进行特别的展示、阐释和评价。word的教学分为两个阶段进行，第一阶段是“精简型”文档训练，在教学与实验过程中以“精华式”word制作展开，训练的目的是围绕主题，运用word编辑技巧，借助word编辑功能，用尽可能少的篇幅、尽可能简短的话语展现尽可能丰富的内容;第二阶段是高级应用，主要内容包括：长文档编辑，邮件合并，表格操作，数据处理等。

word教学内容使用“讲+展+精彩呈现”的方式，极大的调动了学生自学和创作的积极性。根据统计，主题为“我和预防医学”的word作品中，同学们使用了word软件中约75%的功能，并且有部分学生能够将word软件中的功能与其他常用应用软件非常好的结合使用。 几乎所有word作品中，学生都能够通过特定的思维活动使用计算机解决实际问题，学生将自己的专业思想以word作品的形式全面而简洁地表现了出来，而将手工书写和作图的过程利用计算机实现。这为学生尤其是非计算机专业的学生，更好地理解和掌握计算机的工作原理和“计算”概念的抽象性做了进一步的铺垫。

2.3 演示文稿中的“程序”思维能力训练

演示文稿（PPT）是一个含文字、图片、动画和声音的较为复杂的系统，由基本元素（文字、图片、动画和声音等）以及基本元素的各种组合构成。因此制作一个PPT演示文档需要能够实现这些基本元素的控制、组合与出现次序编排的机制，这个机制就是“程序”。PPT系统可以按照已经设定好的“程序”控制“基本元素”的执行以实现美轮美奂的演示效果，在一份优秀PPT制作的过程中，学生的“程序”思维能力得到很好的训练。笔者根据学生情况拟制了相应知识点的教学大纲，主要分为两部分：表现艺术与演示文稿的制作、多格式文稿与媒体信息交互编辑制作。其中第一部分从5个方面进行讲解及演示：演示文稿制作的流程与方法、文稿中的文字处理技术、素材及幻灯片的制作、演示文稿的编辑和交互式设计;第二部分从文字、图片、图表、音效和动画等方面充分展示演示文稿的制作过程：“言简意赅”——文字在动画中的应用，“震撼视觉”——图片在动画中的应用，“言之有据”——图表在动画中的应用，“抑扬顿挫”——音乐、音效与动画的节奏配合，错落有序的意境传递和行云流水般的表现。课程整体安排巧妙而富有艺术性，将计算思维的概念贯穿于教学的全过程，既让学生掌握了相应的技能，又把计算思维的理念通过知识内容无形地传递给了学生，充分体现了技能掌握与思维训练的双重结合。

教学过程中，在知识点“错落有序的意境传递和行云流水般的表现”的教学过程中引入“程序”思想进行授课。学生对教学方式和内容响应很好，对知识内容的掌握效果非常好，笔者根据本知识点布置了相应的综合作业。学生自由组队，题材自选，自由收集素材，利用PowerPoint制作动画作品，然后上台展示，评委由全班同学+课题组老师+嘉宾（广州市健康教育所相关领导）组成。在最后的角逐中，作品“手机病”、“雾霾”和“蚊子的战争1～3季”脱颖而出。其中“蚊子的战争1～3季”被广州市健康教育所选中，用于“登革热”教育宣传，得到相应创意奖金及后续的项目合作机会。

“蚊子的战争1～3季”既是PPT制作的作品，又是图文并茂、声效俱佳的全动画作品。PPT展示的是一位小男孩救哥哥的故事。整个故事情节由小男孩救被“登革热魔王”抓走的哥哥而历经各种关卡的游戏形式展现。在这些关卡中将登革热（通过回答闯关式问题、科普卡、信息展示等方式）和防蚊灭蚊（道具卡）的知识植入主人公的游戏闯关过程中。这一形式达到了玩家体验闯关成功的快乐、设计者普及健康知识的双重效果。作为一个非IT专业的二年级学生能够制作出如此专业、精美而有创意的作品实属不易，充分说明笔者的教学内容设计与教学方式的成功。通过允许学生自由发挥、同台竞技和机会诱惑的形式最大程度的刺激了学生学习的积极性，也挖掘出了学生的潜能，让学生对自己的学习更有信心、更具自主性，再一次体现了计算思维教学的真谛。

“程序”思维能力是计算思维能力的重要组成部分，PPT教学中“错落有序的意境传递和行云流水般的表现”章节，就是经过演绎后的“程序”思维，实现了运用“程序”思维方式设计PPT信息表现和意境传递次序的功能，这是新一轮大学计算机教育教学改革的新特征，也是计算思维的提出对医学生的大学计算机教育的新贡献。新一轮大学计算机教育教学改革的新特征在于改变和提升了能力的内涵，从而形成了大学计算机教育的新功能。

2.4 以“计算思维”为导向的程序设计能力培养

在程序设计能力培养过程中，笔者认为讲授一门程序设计语言（比如Visual Basic），关键是“思想”和“方法”的掌握，而不仅仅是语言及其应用。即提出了以“发现（接受）问题-分析问题-寻求解决方案-对各解决方案进行比较选优-方案实施”为思路的“问题求解驱动式程序设计”的训练方法[4]。以此达到培养学生掌握运用计算思维方法解决实际问题的目的。

在此环节，笔者没有花过多的时间对程序设计语言的工具、语法和案例进行讲解，而是事先布置任务让学生自行预习相关内容，然后抽取适当适量的题（国家二级考试真题）进行训练。训练前，老师会对任务的要点、要求等进行详细的解释;训练过程中，遇到问题时有专职实验辅导老师进行解答;训练结束时，老师再对训练过程中出现的问题及训练结果一一讲评，使大部分学生掌握本环节内容。而考核部分，笔者对传统的考核方式进行了改革，舍弃了传统的“期末考”考核方式，而是主要从两个方面进行：第一，教学过程中进行三次上机考核，机试的最终得分为三次机试的平均分;第二，学生参加“全国高等学校计算机水平考试”。最后，综合机试成绩和统考成绩作为学生的期末成绩。上机考核的题目来源于国家二级考试真题，先把真题集中并根据知识内容特点划分为三个阶段：基础知识题、操作性题和综合性题，并做成题库，由学生抽签得到其需完成的题目。学生除了完成题目自身的要求外，还需对题目可能涉及的内容进行开放性的解答。计算机的工作过程就是执行程序的过程，学习程序设计可以帮助学生理解计算机的工作原理，可以训练学生的“计算思维”。思维是由一系列知识所构成的完整的、互相贯通的解决问题的思路。这种贯通性的思维是可实现的思维而非实现的细节，尽管其可抽象化、概念化，但能留在人们记忆中的可能是其可视化、形象化的表现，即应将思维以可实现、可视化的方式而不是简单化、概念化的方式传授给学生，把知识贯穿于思维的讲解与训练中。

3 结束语

计算思维在计算机课程教学中具有举足轻重的地位，起着引领和导向作用。培养良好的计算思维能力和建立正确的思维方式对学生掌握各种知识起到事半功倍的作用[5]。本文提出以医学生的学科内容为依托，结合医药学科应用实例，将计算机技术与医药科学相融合的教学方式，以此提高学生的学习兴趣，进而逐渐培养良好的学习态度，掌握高效的学习方法并学会解决问题。本试点课程的课程设计及教学方式方法受到了学生的欢迎，引发学生对计算机科学的极大兴趣，使医药院校学生基于计算机科学的解决问题、设计系统和理解人类行为的能力有所增强。

参考文献

[1]陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011，（1）：7-11.

[2]侯彦利.“大学计算机基础”教学中的计算思维[J].教育教学论坛，2013，（18）：179-181.

[3]战德臣，聂兰顺.计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J].中国大学教学，2013，（2）：56-60.

[4]段春争，于同敏，姜开宇，刘莹.高等本科院校模具课程研究型教学方法的探索与实践[J].中国大学教学，2013，（6）：67-71.

[5]李 莹.计算思维在计算机课程教学中的贯穿[J].计算机教育，2013，（4）：36-39.