基于计算思维的Sandwich教学法研究——以医学生程序设计课程为例

付 淼

（中国医科大学，辽宁 沈阳 110122）

1 计算思维概念及重要性

现代医学模式正面临重大变革，人工智能、大数据等新技术与医疗健康领域的结合越来越紧密。智能医学需要具备学科交叉、有创新实践能力的复合型医学人才。大学计算机基础教学是培养大学生用计算思维方式解决专业问题，并成为复合型人才的基础性教育[1]。计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学的一系列思维活动[2]。随着大数据时代的到来，各种决策将日益基于数据和分析而做出，计算思维将成为人们认识和解决问题的基本能力之一，从计算机能力的培养到计算思维的养成是对高等院校计算机基础教学的一个新挑战[3]。

2010年《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中也指出要把培养学生的计算思维能力作为计算机基础教学的核心任务[1]。在2010年“第六届大学计算机课程报告论坛”大会报告中，陈国良院士同时也阐述了计算思维对学生创新能力培养的重要性，并为大学计算机基础课程改革提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式[4]。在《中国高等院校计算机基础教育课程体系2008》中将程序设计课程的学习目标确定为：学习问题求解的思路和方法（即算法）和理解计算机是如何具体实现算法的（即如何才能有效利用计算机编程），课程学习的重点是算法思想和问题求解的思路，即培养学生使用计算机编程，并最终形成计算思维[5]。程序设计课程是计算思维培养的重点方式，计算思维最终需要程序设计去实现[6]。

2 Sandwich教学法

Sandwich（即“三明治”）教学法是对理论学习和实践学习相结合的一种形象比喻，是“理论—实践—理论”的人才培养模式。后来由德国海德堡大学医学院将该理念运用于课堂教学而发展形成的一种新的课堂教学法[7]。该教学法将以教师讲解为主的课堂结构打散，强调以学生为主导，教师的授课过程中穿插学生小组讨论、小组交叉学习、学习汇报等环节，即课堂上教师首先向学生讲解本次课要学习的内容并提出本次课程的学习目标，学习过程主要是以学生分组讨论、学习小组交叉讨论、学习汇报的形式展开。学生汇报后，教师要对学生的汇报和本次课程进行总结，然后提出新的问题。学生根据本次课程所掌握的知识讨论解决新问题，最后教师对学生解决问题的情况进行反馈和评价。

Sandwich教学法改变了传统以教师为主导的授课方式，将集体学习和个体学习相结合，让学生真正参与到课堂教学中，教师和学生之间、学生和学生之间进行沟通和交流，以达到调动学生学习能动性和激发学生学习兴趣的目的。计算思维教育就是在课程学习过程中逐渐形成的一种解决问题的思维能力和习惯，而更多的则是隐藏在教育教学方法和能力培养过程中，其目的是培养一种学习与思维习惯，以提供理解物理、社会及其他现象的一个新视角，给出解决问题的一种新途径，从而提高学生的创造和创新能力。计算思维的养成能让学生在学习工作中敢于思考、勇于创新[3]。

在Sandwich教学法的实施过程中提倡由学生自主探索知识，在学生学习新知识时，教师不限制获取知识的方式，可以通过阅读教材和参考资料、使用互联网搜索资料、学习网络MOOC以及学生之间进行交流等。在学生获取知识的同时就形成了一种自主学习的形式和习惯。通过小组讨论，学生能够有机会将自己学习后所理解的知识及观点表达出来，并在讨论过程中不断修正和完善其对知识的理解。在学生汇报环节，学生可以在汇报过程中进一步消化理解所学知识，同时锻炼了学生语言表达和逻辑思维能力。在学生运用所学知识解决问题的环节，不但检验了学生在上一学习环节中对所学内容的掌握情况，同时还锻炼了学生运用已掌握知识解决具体问题的能力，从而使学生在学习过程中逐渐养成计算思维。

3 基于计算思维的Sandwich教学过程设计

在程序设计课程教学中，应避免陷入语言表达形式的误区，教学应该突出体现编程解决问题的方式和方法，而不是语言本身。在程序设计课程的教学实施过程中应当特别注重实践，使学生通过实践能够确实感受和领悟到计算机问题求解的基本方法和思维模式[1]。

根据程序设计课程的特点及计算思维能力培养的需求，构建基于计算思维的Sandwich教学模型，见图1。在该模型中，将Sandwich教学分成6个教学模块。

图1 基于计算思维的Sandwich教学模型

（1）教师引导教学：例如教师通过“鸡兔同笼”问题引入本次课的学习重点，并提出本次课程的学习目标是掌握程序设计中的分支结构和循环结构以及循环和分支结构的嵌套使用，熟悉程序书写流程。用计算机程序求解一个实际问题，首先要从这个实际问题中抽象出一个数学模型，然后设计一个解此数学模型的算法，接着根据算法编写程序，再经过程序调试、编译、连接和运行，最后完成该问题的求解[8]。因此，教师要提出本次课程的问题：①找出求解“鸡兔同笼”问题的数学模型。②设计求解该数学模型的算法。③编写程序实现该算法。

（2）学生自主学习：在这个模块中包含小组讨论和交叉小组讨论两个部分。在第一次分组时，每个小组的学生可以通过阅读教材相关章节或利用搜索引擎、MOOC等方式进行基础知识学习，然后通过讨论完成数学模型及算法的求解。在重新分组讨论时，学生将第一次分组讨论的情况讲给其他同学，并进一步讨论教师提出的3个问题，最终达成一致意见。因为计算机编程中数学模型及算法的提出对于初学者相对比较难理解和掌握，因此，在这个交叉分组讨论过程中，可以修正第一次分组时求解教师提出问题不是十分正确的小组同学的答案，同时也可以在与其他同学的交流讨论中不断启发和开阔学生思路。

（3）学生学习交流：学生进行两轮讨论后，已经对教师提出的问题有了答案和理解，接下来就是学生进行汇报的时间。让学生自己将学到的知识和求解的问题讲给大家，不但可以加深学生对问题的理解，同时也锻炼了学生的语言表达能力。

（4）教师点评总结：根据学生讨论和汇报情况，教师指出存在的问题，并分析问题的原因及解决方法，同时结合本次课程的学习目标，归纳总结学生需要掌握的知识点和算法思想，解答在教学过程中学生没有涉及的具有代表性的问题。为提高学生的创造和创新能力，教师需要提出新的案例进行拓展。该案例可以是在原有问题上的进一步深入（如当鸡、兔的头与脚的数量未知时如何进行求解），也可以是与之相似的一个新的问题。

（5）计算思维实践：程序设计可以通过对数据和操作的分析、归纳和验证来提高学生分析和解决问题的水平，从而能够更好地激发和培养学生的多种思维能力[8]。经过前面的讨论、汇报和教师总结环节，学生对本次课程的知识点已经有所了解和掌握。在这个环节，学生需要将所学知识运用到解决实际问题中去，从而锻炼自己的分析思维能力、培养自己的创新意识。学生需要对教师提出的问题进行再次分组讨论，分析教师提出的新问题，同时要给出解决新问题的算法和方法。同时，这个环节也是对学生学习情况及运用知识解决问题能力的一个检验过程。

（6）学生教师反馈：学生分享本次课程的收获、学习心得和存在的问题，同时提出对Sandwich教学方法的意见和建议。教师对“计算思维实践”环节进行简要解答和总结，并对学生的课堂表现进行评价。

4 结语

随着信息化时代的到来，善于运用计算机技术和手段进行学习工作和解决专业问题已经是高级人才必备的素质[1]。计算机不仅是一个工具，同时还提供了一种对学生从事任何事业都受益终生的思维方式[3]。尽管计算机科学不等于程序设计，但学习程序设计方法是理解计算机的最好途径，对于非计算机专业学生而言，学习程序设计的目的是学习计算机分析问题和解决问题的基本过程和思想，同时程序设计课程内容也最能体现问题的求解方法，是计算思维培养的重要内容[1]。

Sandwich教学法是一种培养学生自主学习、勇于思考、敢于探索新知识的新型教学方式，教学过程融入个体学习、集体学习、总结汇报等多种形式，使学生和教师之间、学生和学生之间进行互动交流，在激发学生学习兴趣和学习主动性的同时，提高学生获取知识、团队合作、语言表达、解决问题等多方面的能力，实现了培养学生计算思维的目的。