摘要：在人工智能與醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的背景下，作者所在學(xué)校開設(shè)了“計算機基礎(chǔ)B”課程，著力于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的計算機應(yīng)用能力和計算機編程思想。針對當(dāng)前醫(yī)學(xué)生編程能力明顯不足的問題，本文開發(fā)了基于知識圖譜的Python語言程序設(shè)計教學(xué)工具，幫助學(xué)生挖掘程序設(shè)計與任務(wù)代碼之間的關(guān)系以及理解程序運行的內(nèi)部原理，該工具圍繞醫(yī)學(xué)問題設(shè)計教學(xué)案例，能夠激發(fā)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高醫(yī)學(xué)生使用計算機編程解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：計算機基礎(chǔ)；計算機編程；Python教學(xué)；知識圖譜

中圖分類號：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）01-0099-04

在人工智能與醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的背景之下，計算機技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]，為順應(yīng)時代發(fā)展，當(dāng)代醫(yī)生必須具備一定的計算機編程思想。[2-6]“計算機基礎(chǔ)”系列課程是筆者所在學(xué)校為醫(yī)學(xué)生開設(shè)的講授計算機應(yīng)用所必需掌握的知識的公共基礎(chǔ)課程，其中“計算機基礎(chǔ)B”包含21學(xué)時的Python語言程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。在“計算機基礎(chǔ)B”課程的多輪教學(xué)中，通過成績分析、問卷反饋等方式，筆者分析得出了Python語言程序設(shè)計教學(xué)效果，82.3%的學(xué)生認(rèn)為提升了計算機編程思想，但由于沒有前序程序設(shè)計類課程，醫(yī)學(xué)生的編程能力明顯不足，大多數(shù)學(xué)生自評為理解原理，但編程存在問題。同時，25.5%的學(xué)生反饋存在編程上的困難，30%的學(xué)生的Python課程設(shè)計作業(yè)成績位于中差水平。教師在授課中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的編程能力明顯不足，在任務(wù)練習(xí)時，有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生只是簡單地抄寫示例代碼，或者只了解部分代碼的功能，不理解程序內(nèi)部的邏輯關(guān)系。

為改善Python語言程序設(shè)計的教學(xué)效果，筆者開發(fā)了基于知識圖譜[7-8]的教學(xué)工具，通過工具直觀地呈現(xiàn)任務(wù)代碼、程序設(shè)計與知識點之間的邏輯關(guān)系，幫助學(xué)生閱讀任務(wù)代碼、挖掘代碼與知識點之間的關(guān)系以及理解程序運行的內(nèi)部原理。為激發(fā)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及提高醫(yī)學(xué)生使用計算機編程解決實際問題的能力，工具中的任務(wù)案例均是圍繞醫(yī)學(xué)問題設(shè)計的教學(xué)案例。

基于知識圖譜的Python語言程序設(shè)計教學(xué)工具的開發(fā)

本文開發(fā)的教學(xué)工具是使用圖數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)Python教學(xué)內(nèi)容的知識圖譜，而后使用典型的服務(wù)器/客戶端架構(gòu)發(fā)布工具，其服務(wù)器端搭建在計算機實驗室服務(wù)器的虛擬機上[9]，學(xué)生在校內(nèi)通過任何一臺計算機的瀏覽器均可訪問，且校內(nèi)的局域網(wǎng)環(huán)境可保證訪問的速度與安全性。

1.知識圖譜的設(shè)計與實現(xiàn)

知識圖譜是事實的結(jié)構(gòu)化表示，由實體（entity）、關(guān)系（relation）和語義描述組成。實體可以是真實世界的對象和抽象概念，關(guān)系表示實體之間的關(guān)聯(lián)信息。[10]本文首先基于課程內(nèi)容形成知識圖譜，然后利用neo4j圖數(shù)據(jù)庫存儲知識圖譜，具體如下。

（1）基于課程內(nèi)容的知識體系梳理

本課程的教輔書籍均由授課教師編寫，為確保準(zhǔn)確性，本課題使用人工篩選的方式抽取教材中的知識，將知識點整理為實體、屬性、關(guān)系，使用三元組的形式存儲（如圖1），保存為CSV文件，主要內(nèi)容包括：在語言設(shè)計基礎(chǔ)章節(jié)，將數(shù)據(jù)類型、程序控制語句和任務(wù)分別存儲為實體與關(guān)系，將知識點的概念、示例代碼等保存為屬性；在數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用章節(jié)，分別梳理數(shù)值計算庫numpy與表格處理庫pandas，將常用函數(shù)、數(shù)據(jù)類型與任務(wù)分別存儲為實體，建立各個章節(jié)知識點之間的關(guān)系；在數(shù)據(jù)可視化與科學(xué)制圖章節(jié)，分別梳理可視化庫matplotlib和統(tǒng)計分析圖形庫seaborn，同樣將常用函數(shù)、數(shù)據(jù)類型與任務(wù)存儲為實體，建立同前序章節(jié)知識點之間的關(guān)系，如建立seaborn的繪圖函數(shù)與pandas中Dataframe數(shù)據(jù)類型的關(guān)系，幫助學(xué)生理解數(shù)據(jù)處理代碼與科技制圖代碼之間的關(guān)系。

（2）基于neo4j的知識圖譜實現(xiàn)

neo4j是用Java實現(xiàn)的開源NoSQL圖數(shù)據(jù)庫[11]，作為圖數(shù)據(jù)庫中的代表產(chǎn)品，neo4j實現(xiàn)了專業(yè)數(shù)據(jù)庫級別的圖數(shù)據(jù)模型的存儲，提供了完整的數(shù)據(jù)庫特性，包括ACID事務(wù)的支持、集群的支持、備份和故障轉(zhuǎn)移等。neo4j提供了申明式的查詢語言Cypher，它類似于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的SQL語言，其具有表現(xiàn)力豐富、使用簡單、查詢效率高、高擴展性等特點。本文使用neo4j實現(xiàn)圖數(shù)據(jù)庫的存儲，將第一步獲取的csv文件導(dǎo)入neo4j即可完成知識圖譜構(gòu)建。neo4j數(shù)據(jù)庫中的知識圖譜涵蓋了Python教學(xué)內(nèi)容中的知識點、任務(wù)及其聯(lián)系，知識圖譜示例如圖2所示，通過將知識點按章節(jié)進行分類，知識圖譜能夠清楚地展示各章節(jié)知識點及其聯(lián)系，避免形成知識孤島，幫助學(xué)生建立課程知識體系，通過Cypher可以查詢具體知識點以及與其相關(guān)聯(lián)的知識點，可實現(xiàn)基于知識圖譜的教學(xué)應(yīng)用，如查看程序流程相關(guān)的知識點。

2.教學(xué)工具的設(shè)計與實現(xiàn)

在教學(xué)實踐中筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生直接使用neo4j數(shù)據(jù)庫進行學(xué)習(xí)的比例很低，其主要有以下兩個原因：一是Cypher語言對于醫(yī)學(xué)生來說難度太大；二是圖數(shù)據(jù)庫的知識點很多，學(xué)生找不到有效學(xué)習(xí)的切入點。針對這個問題，筆者在圖數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)之上進行了教學(xué)設(shè)計，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)置與醫(yī)學(xué)相關(guān)的教學(xué)案例，將教學(xué)案例作為學(xué)習(xí)的切入點，幫助學(xué)生理解程序內(nèi)部的邏輯。為了提升工具的可用性，筆者還開發(fā)了簡單易用的網(wǎng)站，學(xué)生可以在校內(nèi)使用瀏覽器進行訪問，通過簡單的鼠標(biāo)點擊操作即可實現(xiàn)圖數(shù)據(jù)庫的查詢應(yīng)用。具體內(nèi)容如下。

（1）基于知識圖譜的教學(xué)設(shè)計

針對學(xué)生不理解程序內(nèi)部的邏輯關(guān)系的問題，本文圍繞醫(yī)學(xué)問題設(shè)計教學(xué)案例，將知識圖譜劃分為任務(wù)圖譜和知識點圖譜兩類，分別用于展示程序設(shè)計、任務(wù)代碼與知識點之間的邏輯關(guān)系，即首先針對任務(wù)進行程序設(shè)計，然后使用Python提供的函數(shù)、數(shù)據(jù)類型等知識點實現(xiàn)任務(wù)代碼。如圖3所示，以分析兩組病人的體重為例，首先進行程序設(shè)計，即先讀入數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換為numpy數(shù)組，然后調(diào)用繪制小提琴的函數(shù)繪制統(tǒng)計報告圖，任務(wù)圖譜中的程序設(shè)計能夠幫助學(xué)生理解可視化庫、數(shù)據(jù)處理庫與基本語法之間的邏輯關(guān)系，避免只會復(fù)制代碼，而不理解代碼內(nèi)部的編程思想本質(zhì)。知識點圖譜用于展示程序設(shè)計與相關(guān)知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，學(xué)生可針對自身學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)，查看相關(guān)知識點，從而提高學(xué)習(xí)效率。

（2）基于Flask的網(wǎng)站實現(xiàn)

Flask是目前十分流行的Web框架，使用Python語言編寫，較其他同類型框架更為靈活、輕便、安全且容易上手。它可以很好地結(jié)合MVC模式進行開發(fā)，適用于中小型網(wǎng)站的實現(xiàn)。另外，F(xiàn)lask還有很強的定制性，用戶可以根據(jù)自己的需求來添加相應(yīng)的功能，在保持核心功能簡單的同時實現(xiàn)功能的豐富與擴展。本文網(wǎng)站基于Flask框架開發(fā)，網(wǎng)站包括后端數(shù)據(jù)庫與前端網(wǎng)頁，其中后端數(shù)據(jù)庫使用Python的neo4j庫實現(xiàn)與neo4j數(shù)據(jù)庫的連接，使用Cypher語言實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢。前端網(wǎng)頁主要使用D3.js實現(xiàn)知識圖譜，D3.js是一個流行的JavaScript數(shù)據(jù)可視化庫，它以數(shù)據(jù)為核心，通過數(shù)據(jù)來驅(qū)動文檔的展示和操作，能夠創(chuàng)建交互式的知識圖譜，本文使用D3.js中的引力圖模型實現(xiàn)交互式的知識圖譜。目前，網(wǎng)站發(fā)布了20個教學(xué)案例，通過簡單鼠標(biāo)點擊，學(xué)生可以查看任意案例的知識圖譜，實現(xiàn)交互式、個性化的學(xué)習(xí)。

教學(xué)工具的應(yīng)用與評價

本文實現(xiàn)的知識圖譜工具如下頁圖4所示，在網(wǎng)站的index頁面中首先展示教學(xué)設(shè)計中的任務(wù)，學(xué)生在選擇具體任務(wù)后，點擊頁面中的提交按鈕，網(wǎng)站將顯示該任務(wù)的代碼和對應(yīng)的知識圖譜，隨后學(xué)生可以單擊知識圖譜中的文字實現(xiàn)交互式的查詢，如點擊程序設(shè)計，可以查看程序的內(nèi)部邏輯，或者單擊具體知識點，可以查看知識點的具體說明。該工具實現(xiàn)了程序代碼、程序設(shè)計與知識點之間的查詢，可以幫助學(xué)生理解代碼內(nèi)部的邏輯原理，以及更有針對性地進行知識點的學(xué)習(xí)。

在應(yīng)用該教學(xué)工具后，學(xué)生的程序設(shè)計作業(yè)成績明顯提升，作業(yè)成績位于中差的比例明顯降低，由之前的30%降低到15%。學(xué)生對該教學(xué)工具的可用性評價較好，普遍認(rèn)為該工具簡單易用，與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)，有助于理解程序代碼內(nèi)部的邏輯，提高了學(xué)習(xí)效率。

結(jié)語

在人工智能和醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的背景之下，醫(yī)學(xué)院校越發(fā)重視培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的計算機應(yīng)用能力和計算機編程思想。基于知識圖譜的Python語言程序設(shè)計教學(xué)工具簡單易用，可以幫助學(xué)生理解代碼內(nèi)部的邏輯原理，以及更有針對性地學(xué)習(xí)知識點。在應(yīng)用該教學(xué)工具后，學(xué)生的程序設(shè)計作業(yè)成績明顯提升，學(xué)生對Python教學(xué)工具的可用性評價較好。

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第一作者簡介：王宇（1985—），女，博士，講師，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理；通訊作者簡介：張楠（1973—），女，博士，教授，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理。

基金項目：全國高等院校計算機基礎(chǔ)教育研究會計算機基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項目（2022-AFCEC-116），首都醫(yī)科大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究課題（2024JYY041）。