周旭 李艷麗 魏唯 張宇楠 聶丹丹

[摘 要]針對醫(yī)學(xué)專業(yè)Python語言程序設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀，為了讓教學(xué)過程變得生動有趣，增強程序設(shè)計語言教學(xué)效果，該文利用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的優(yōu)點，根據(jù)Python課程的內(nèi)容及特點，把任務(wù)驅(qū)動教學(xué)運用于Python課程的教學(xué)中進行研究。并且在教學(xué)中增加小組討論和小組項目展示環(huán)節(jié)，以課堂精講為主，課后答疑為輔，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生計算機方面自學(xué)能力，訓(xùn)練學(xué)生程序設(shè)計能力，期望通過教學(xué)改革提高醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生的計算思維與科研創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]Python語言;任務(wù)驅(qū)動;教學(xué)方法

[中圖分類號] G642，TP312[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）44-0-04[收稿日期] 2020-05-08

引言

大數(shù)據(jù)時代背景下，醫(yī)學(xué)生程序設(shè)計課程的定位是通過某一編程語言的教學(xué)，使掌握科研數(shù)據(jù)背后的醫(yī)學(xué)意義。相比于其他程序設(shè)計語言，Python語言是一種面向?qū)ο?、解釋型計算機程序設(shè)計語言，是目前最接近自然語言的通用編程語言[1]。Python具有語法規(guī)則簡單、易上手、易理解的特點，被一致認為是最適合入門編程的程序設(shè)計語言[2]。由于Python完全免費并且在人工智能、圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化等方面有不斷優(yōu)化的庫，學(xué)生可以輕易完成各種高級任務(wù)，可以很方便地使用這些豐富的擴展庫完成和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理相關(guān)的各種工作。通過學(xué)習基本的語法知識和第三方庫安裝方法自如地處理、分析和管理醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，學(xué)生既掌握通用程序開發(fā)技術(shù)，又能在程序開發(fā)過程中熟練調(diào)用通用的數(shù)據(jù)分析挖掘模塊。Python程序設(shè)計語言的學(xué)習可以培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生大數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，促進醫(yī)學(xué)生自身專業(yè)能力的提升。

在教學(xué)隨社會需求不斷演化變遷的實踐中，如何讓醫(yī)學(xué)生快速地適應(yīng)大數(shù)據(jù)分析需求，精準掌握程序設(shè)計基本技能，提高計算思維能力。文章在Python程序設(shè)計課程教學(xué)方法上進行了研究，重點采用任務(wù)驅(qū)動的課堂教學(xué)，以課堂精講為主，課后答疑為輔，同時在實驗內(nèi)容上進行改革，讓醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握學(xué)習程序設(shè)計基本編程技能，能夠獨立編寫程序，把計算機技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，促進醫(yī)學(xué)應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展。

一、教學(xué)現(xiàn)狀

Python語言程序設(shè)計是大多數(shù)高校針對非計算機專業(yè)學(xué)生設(shè)定的一門必修公共計算機基礎(chǔ)課程，此門課程主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機技術(shù)來解決實際問題的能力。程序設(shè)計課程的特點是動手能力要求高、知識點多、重點難點多、課時少，大部分程序設(shè)計課程的學(xué)習要求學(xué)生在一個學(xué)期內(nèi)由入門轉(zhuǎn)化為熟練編程，順利通過國家二級考試[3]。

大學(xué)新生計算機水平參差不齊，大部分沒有用過具體的計算機編程語言進行程序設(shè)計實踐。當接觸程序設(shè)計類課程時，普遍感覺知識凌亂、內(nèi)容枯燥、難以理解。對于傳統(tǒng)授課的教學(xué)方法，只是讓學(xué)生機械性地記住一些語法知識，程序設(shè)計課程的實驗作業(yè)大多是統(tǒng)一布置的一個一個獨立的小題目，前后缺少連續(xù)性、整體性[4]。在學(xué)期結(jié)束談到對這門課程的感受時，仍有部分同學(xué)感覺所講內(nèi)容沒有掌握完全。有些醫(yī)學(xué)生僅僅能看懂程序卻不會編程序，不能用python語言解決實際問題。

學(xué)生對Python在醫(yī)學(xué)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的見解圖

二、教學(xué)改革方法

（一）課堂教學(xué)分配上，學(xué)習任務(wù)明確

第一節(jié)課展示應(yīng)用范圍，展示Python編程魅力，展示和醫(yī)學(xué)相關(guān)例子，如腫瘤患者數(shù)據(jù)分析，醫(yī)學(xué)圖像處理等。同時，進行調(diào)查問卷，了解學(xué)生的需求。從而設(shè)計嚴密的針對本班級學(xué)生的教學(xué)計劃和有傾向性的教學(xué)任務(wù)。圖1為利用學(xué)習通對學(xué)生進行問卷調(diào)查“希望Python這門課對以后醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)習有什么幫助并幫你解決什么問題”得到的學(xué)生回答詞云。從上圖可以看出有些同學(xué)對Python和醫(yī)學(xué)專業(yè)之間的應(yīng)用關(guān)系沒有明確想法，有些同學(xué)則側(cè)重想利用Python解決醫(yī)學(xué)輔助診斷，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析和建模，或?qū)︶t(yī)學(xué)影像進行處理。針對學(xué)生需求，我們會在基礎(chǔ)階段向同學(xué)講授基本的編程思想和語法知識，并在進階拓展階段，向同學(xué)們介紹一些和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析相關(guān)案例程序。把基礎(chǔ)和進階兩部分教學(xué)階段的學(xué)習內(nèi)容分配在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)，讓學(xué)生學(xué)會使用程序設(shè)計語言，掌握基本語法知識和應(yīng)用實例。學(xué)習目標分成三部分：了解自然問題利用計算手段進行求解的基本思維方式，了解集成開發(fā)環(huán)境的特點和使用方法;掌握程序設(shè)計、模塊化編程基本思想，具備高質(zhì)量程序的良好編程素養(yǎng);了解常用的算法和問題求解策略，體會算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決實際問題中的作用。

（二）課前預(yù)習，課上精講，課后復(fù)習

1.對學(xué)生進行分組。每次課前會發(fā)布學(xué)習任務(wù)文檔，讓學(xué)生了解每節(jié)課的重點難點，學(xué)習目標，同時將知識模塊的相關(guān)案例程序發(fā)放給學(xué)生，要想寫出程序，必須能讀懂別人寫的程序。學(xué)生先自己學(xué)習教材內(nèi)容，對照教材和相關(guān)學(xué)習視頻，自己研究下發(fā)的案例程序，遇到不懂的知識點進行標注，通過學(xué)習通、QQ群等交流平臺進行討論咨詢。另外，學(xué)生通過前期關(guān)于研究程序方面的交流，逐漸掌握解決相似問題的基本方法。

2.項目驅(qū)動，分組進行程序設(shè)計。首先讓學(xué)生了解本次課所要學(xué)習內(nèi)容的主線，對重點難點進行區(qū)分。在項目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式中，教學(xué)成效的好壞直接取決于項目任務(wù)的設(shè)計，合理有效的項目任務(wù)設(shè)計才能成為教學(xué)的動力，才能引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習，而過于簡單或者過于復(fù)雜的項目設(shè)計，可能就不能達到理想的教學(xué)效果[5]。在組織教學(xué)內(nèi)容方面，以完整的案例為依托，設(shè)計一些生活中常用的案例和項目覆蓋教學(xué)知識點，將零散的知識匯總，難易適當，循序漸進地幫助學(xué)生掌握各種數(shù)據(jù)類型、程序控制結(jié)構(gòu)，函數(shù)和文件處理等操作。以可視化界面和以Turtle繪圖為例的程序會引起學(xué)生的興趣。因此，引入Tkinter庫和Turtle庫，分別設(shè)計一個簡單的醫(yī)學(xué)藥品管理程序和數(shù)碼管繪制程序。借助醫(yī)學(xué)藥品管理程序向同學(xué)們深入講解組合數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)操作、控制語句和函數(shù)的使用等等。采取逐步擴張法進行項目開發(fā)，將項目劃分為一個個子項目，通過在教學(xué)過程中完成一個個子項目而逐步將整個大系統(tǒng)實現(xiàn)。而每個子項目又是隨著應(yīng)用的需求逐步提出來的，由此引進新的概念和新的教學(xué)內(nèi)容。另外，通過繪制數(shù)碼管重點講授日期數(shù)據(jù)類型的使用和自定義函數(shù)的定義與調(diào)用。同時，給學(xué)生展示科赫曲線和數(shù)碼管結(jié)合的小程序，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造意識，提高醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習程序設(shè)計語言的興趣，促進Python語言程序設(shè)計課程教學(xué)成效的提升。

在開展項目任務(wù)驅(qū)動的Python語言程序設(shè)計課程教學(xué)中，教師要創(chuàng)新課程教學(xué)設(shè)計，突破以往課程教學(xué)擔任學(xué)習教學(xué)模式，將學(xué)生從單個的學(xué)習模式中解放出來，組成項目任務(wù)的探究小組，制定明確的小組項目任務(wù)和目標，讓小組成員的都積極參與到Python語言程序設(shè)計課程項目的任務(wù)實現(xiàn)中來，例如，教師就借助這樣的項目任務(wù)教學(xué)，讓學(xué)生圍繞一個任務(wù)進行合作探究式學(xué)習，不僅能夠增強學(xué)生之間的團結(jié)合作，還能促進學(xué)生對Python語言程序設(shè)計中的技巧和方法進行掌握，能夠促進課程教學(xué)不斷取得實實在在的成效。學(xué)生可以通過在創(chuàng)建窗體上添加控件的方式，通過完成具有其他功能的程序設(shè)計開發(fā)。比如將Tkinter和繪圖程序結(jié)合，通過交互式界面展示繪制的多個醫(yī)學(xué)化學(xué)結(jié)構(gòu)分子式，或者開發(fā)醫(yī)生生成績管理系統(tǒng)，這些設(shè)計與實現(xiàn)會增進并鞏固學(xué)生對新概念、新知識的理解的運用。由此，項目開發(fā)與課程教學(xué)交叉融合、相輔相成，從而實現(xiàn)教學(xué)目標并培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

3.課后復(fù)習答疑。教師要檢查學(xué)生作業(yè)，通過學(xué)生在作業(yè)中的代碼注釋了解學(xué)生的編程思路和方法。課后讓學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力，在課本小例子的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，設(shè)計一些其他程序，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力，在解決問題時學(xué)習知識。對于學(xué)生不理解的，教師可以采用多媒體PPT、實驗課上機演示等展示相關(guān)問題。另外，教師鼓勵學(xué)生通過分小組討論方法進行歸納整理，實現(xiàn)本小組的項目。教師通過遠程控制軟件，幫助學(xué)生分析問題出現(xiàn)在哪里，協(xié)助學(xué)生一起調(diào)試程序，通過學(xué)習通軟件中的討論模塊、通訊QQ軟件的遠程控制模塊，師生之間完全擺脫了時間和空間的限制，在課后及時對知識點進行學(xué)習交流。

（三）實驗改革

以往學(xué)生的實驗過程，只是完成書上的例題，學(xué)生上機只是照搬書上的程序輸入計算機，調(diào)試發(fā)現(xiàn)語法錯誤，輸出結(jié)果，這樣的實驗安排不能很好地鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。無法調(diào)動學(xué)生的積極性，提高編程能力。將實驗內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)實驗和進階實驗（按學(xué)生需求劃分實驗內(nèi)容）。

1.在基礎(chǔ)實驗階段，主要是驗證學(xué)生對基礎(chǔ)python語句，函數(shù)定義使用，程序控制結(jié)構(gòu)掌握的程度。在講解字符串內(nèi)置函數(shù)方面，設(shè)計敏感詞隱藏程序，讓學(xué)生掌握replace方法的使用，還增加一些其他程序，如猜數(shù)字游戲了解循環(huán)語句和分支語句的使用方法，強化學(xué)生的基礎(chǔ)知識。

2.進階實驗階段，主要設(shè)計一些和生活相結(jié)合的題目，讓學(xué)生動手編程。目前很多編程語言教材上列出的習題多是一些數(shù)學(xué)計算題，這類題目雖然契合知識點，但是相對單調(diào)，而且容易誤導(dǎo)學(xué)生以為該程序語言只能進行一些算術(shù)運算，漸漸學(xué)生會對該編程語言失去興趣，我們的教學(xué)改革側(cè)重為學(xué)生布置相對輕松的編程任務(wù)。

Python是最為靈活、功能強大的編程語言，在人工智能數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)可視化方面有不斷優(yōu)化的庫，以jieba庫為例向?qū)W生介紹第三方庫的安裝方法，在掌握基礎(chǔ)知識后，對學(xué)生進行能力測驗，通過調(diào)查問卷獲取學(xué)生興趣，對學(xué)生進行興趣小組劃分，以小組為單位完成進階實驗內(nèi)容。在項目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式中，教學(xué)成效的好壞直接取決于項目任務(wù)的設(shè)計，合理有效的項目任務(wù)設(shè)計才能成為教學(xué)的動力，才能引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習，而過于簡單或者過于復(fù)雜的項目設(shè)計，可能就不能達到理想的教學(xué)效果。因此，在項目任務(wù)設(shè)計中，我們給醫(yī)學(xué)生設(shè)定5個方面的項目任務(wù)，每個方面需要安裝的第三方庫和一些關(guān)鍵知識要點都有相應(yīng)的說明文檔，并給學(xué)生發(fā)對應(yīng)的例子和任務(wù)文檔，要求同學(xué)們在給定例子的基礎(chǔ)上，進行創(chuàng)新改進程序，填寫制定的實驗報告。同時，同學(xué)們也可以發(fā)揮想象力，完成這5個方面以外的其他內(nèi)容。小組成員通過分模塊，分功能合作的方式完成程序設(shè)計工作，不僅靈活地掌握知識，還提升自主學(xué)習能力。

（1）圖像處理。Python圖像處理醫(yī)學(xué)圖像主要借助于Pillow庫，學(xué)生可以對圖像進行分割渲染等等。Pillow庫通過該程序可以實現(xiàn)對動圖的圖像處理，包括連接動圖、灰度處理和手繪風格處理三個功能。

（2）爬蟲統(tǒng)計分析。和爬蟲相關(guān)的第三方庫有urlli、requests等?？梢岳门老x實現(xiàn)醫(yī)學(xué)專業(yè)英語名詞和中文的漢譯英工作。 （3）文本處理。Python文本處理可以分析醫(yī)學(xué)病歷，通過詞云解析對病例進行詞頻統(tǒng)計，結(jié)合聚類算法得到患者的最終患病情況結(jié)果。（4）格式化輸出。Python程序設(shè)計可以編寫一個體檢報告 格式化輸出網(wǎng)頁版。

（5）游戲設(shè)計。游戲設(shè)計需要第三方庫Pygame。考慮到一些學(xué)生喜歡設(shè)計游戲及想要開發(fā)可視化界面的需求，以pygame庫為例，給大家介紹貪吃蛇游戲的設(shè)計技巧。

按照上述項目劃分和學(xué)生興趣驅(qū)動，要求學(xué)生們在布置任務(wù)4周之后，提交本小組項目實驗結(jié)果。大家均在既定的程序上進行了創(chuàng)新，開辟了其他有意思的程序并撰寫了小組分工程序設(shè)計實驗報告。另外，在課堂上讓每組進行程序作品演示，測試他們對模塊函數(shù)的理解程度，同學(xué)們對此非常感興趣，演示的結(jié)果也得到其他組同學(xué)的認可。例如有些小組完成的是學(xué)生成績分析及GPA統(tǒng)計程序。在用戶登入成功后，可根據(jù)用戶輸入成績數(shù)據(jù)計算績點與平均成績、平均績點，并根據(jù)用戶要求繪制學(xué)年成績分析雷達圖。還有的小組構(gòu)建了一個以老式飛機大戰(zhàn)游戲為基礎(chǔ)，打造出坤坤與《逍遙游》中鯤的大戰(zhàn)場景，將老套的游戲賦予了新的時代內(nèi)涵。在原代碼的基礎(chǔ)上加入了背景音樂，對游戲界面進行了美化，對游戲速率和關(guān)卡進行了調(diào)整。還有的小組提交的作業(yè)是從網(wǎng)絡(luò)中爬取下一些醫(yī)學(xué)嬰兒出生過程的圖像，然后編程實現(xiàn)對圖片進行連接、合成及手繪風格的處理。

實踐表明，讓學(xué)生帶著問題去思考，在每次學(xué)習完新的知識之后，都可以通過一個例子，把之前的語法知識串在一起，這樣不僅可以鞏固基礎(chǔ)編程知識，還可以進一步通過拓展練習增強學(xué)生的編程興趣，學(xué)生充分發(fā)揮想象力，強化知識的應(yīng)用，達到了預(yù)期學(xué)習效果。

三、考核方式

傳統(tǒng)的課程考核是期末考試，通過最后一次考核很難評價學(xué)生的動手能力如何。新媒體時代下的考試不應(yīng)該僅在最后考試，平時也有考試，在每一單元模塊學(xué)完、甚至在每一次上完課后都進行課堂在線考試。在保證檢驗基本知識的同時，增強平時實踐在考試比重，強化考察學(xué)生們的動手實踐能力。所以這門課程的期末總評分數(shù)應(yīng)該是如下構(gòu)成：平時上課表現(xiàn)（10%）+平時在線考試（20%）+平時項目作業(yè)（30%）+最后的期末考試（40%）。其中，平時上課表現(xiàn)包括出勤率、課上回答問題情況，平時在線考試則是借助學(xué)習通，在講完每章或者幾個章節(jié)的知識點后，發(fā)布作業(yè)或者在線考試任務(wù)，及時掌握學(xué)生對知識點掌握情況，平時項目作業(yè)包括分小組完成的項目任務(wù)，它屬于過程性考核，增加它在總成績中的占比（30%），促進學(xué)生平時投入學(xué)習，保證學(xué)習質(zhì)量，避免突擊考試的應(yīng)試學(xué)習。最后的期末考試實行無紙化考試模式，利用“萬維全自動計算機基礎(chǔ)考試平臺”實現(xiàn)對于理論知識和程序設(shè)計能力綜合測驗。期末考試題型包括單項選擇題，多項選擇題，判斷題，填空題和程序題，所有的題型覆蓋書中知識點，考察學(xué)生的編程能力，基礎(chǔ)知識能力。

通過在吉林大學(xué)醫(yī)學(xué)專業(yè)3個班級中實施該課程考核方式，實現(xiàn)了綜合評價學(xué)生的學(xué)習效果，提高醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習程序設(shè)計語言的興趣，這樣的綜合性考察方式滿足對學(xué)生的學(xué)習情況進行客觀評價。

四、總結(jié)

Python程序設(shè)計課程是計算機基礎(chǔ)課程中醫(yī)學(xué)生較難掌握的內(nèi)容。文章探討了教師在教學(xué)過程中如何設(shè)計針對醫(yī)學(xué)生的教學(xué)案例，通過任務(wù)驅(qū)動方式讓這門程序設(shè)計語言和醫(yī)學(xué)生的專業(yè)緊密聯(lián)合起來，從而提高學(xué)生的學(xué)習興趣，讓枯燥的語法教學(xué)變得生動有趣，增強教學(xué)效果，促進專業(yè)課知識發(fā)展和應(yīng)用，進一步培養(yǎng)學(xué)生計算思維，提升自學(xué)能力，綜合應(yīng)用能力。

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