结合计算思维能力的培养，深化生物医学工程教学改革

2014-03-08卢虹冰张国鹏常小红见伟平

医疗卫生装备 2014年9期

焦纯，卢虹冰，张国鹏，常小红，见伟平，王伟

0 引言

生物医学工程是理、工、医相结合的一门新兴交叉学科。从事该专业的本科生一方面需要具有生命科学、电子技术、计算机技术及信息科学相关的基础理论知识；另一方面还需具备医学与工程技术相结合的科学研究能力。生物医学工程专业知识结构的交叉性和综合性对其人才培养提出了更高、更全面的能力素质要求。

本文结合国内外对于计算教育和计算思维（computational thinking）的新认识，将计算思维能力的培养与信息化教学模式相结合，阐述对生物医学工程本科教学进行改革的必要性和主要措施。

1 生物医学工程专业人才培养要求及教学现状

1.1 生物医学工程专业人才培养要求

生物医学工程作为一门新兴交叉学科，兴起于20世纪60年代。它是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的，涉及生物医学、工程技术、数学、物理、材料、药学、计算机技术、信息技术等众多学科及领域，具有知识结构交叉跨度大、综合性较强、各种高新技术交叉融合、发展速度快等特点[1-2]。这就对生物医学工程专业的人才培养提出了较高要求。我国教育部高等学校生物医学工程专业指导委员会要求本专业的本科生应具有扎实的基础理论、宽广的知识面、较强的实践能力和较高的综合素质，能够满足医学电子仪器、医学信息工程、生物材料、医学影像等产业的发展需求，成为生物医学工程领域具有国际竞争力的高素质人才。可见，生物医学工程专业的学生应具有复合型的专业知识结构和较高的综合能力素质。

1.2 国内生物医学工程专业本科教学现状

我国生物医学工程专业的本科教育起始于20世纪70年代末[1，3]，近年来已有110余所高校开设了生物医学工程本科专业。

目前，国内所有开设生物医学工程专业的高校均已设定了符合学科专业发展要求和特色的人才培养目标，构建了比较完善的人才培养体系，基本形成了各具特色的生物医学工程专业教学模式。无论是理工类院校还是医科院校，都能结合自身的学科优势和教学资源，设定“重基础、宽口径、强能力、重素质”的人才培养模式。同时，经过近十几年的教学改革和探索，目前国内各高校生物医学工程专业的课程设置已经较为合理，既注重了本学科复合型、交叉型知识结构的要求，又兼顾了各校自身的教学资源特色。2006年，我国还成立了生物医学工程专业教学指导委员会，从人才培养、教学内容与要求、教学质量控制、教学评估及教学改革等方面指导生物医学工程专业的本科教学，为本专业本科教学的规范化发展及改革提供了很好的信息交流平台[3]。

经过30多年的发展，国内的生物医学工程本科教育已经走过了初创期，形成了自身的专业特色和培养模式。

1.3 国内生物医学工程专业本科教学存在的问题

虽然国内生物医学工程学科保持了快速发展，其本科教育也取得了较好成绩。但是，还应看到目前国内的生物医学工程本科教学存在以下问题：（1）对教学模式和教学方法的改革不够深入，教学方法比较传统[1]；（2）对学生思维能力的培养不够重视，导致本专业学生可持续发展的后劲不足。

由于生物医学工程的专业人才需要具有较宽的知识面和复合型的知识结构，因此，国内高校对其本科教学一直比较重视课程设置和教学内容方面的改革，但对如何将新的现代教育理论与本学科特色相结合，以进一步提升本专业的教育内涵方面还需加强。另一方面，对生物医学工程专业学生思维能力的训练及培养一直是一个薄弱环节，也直接影响了本专业学生可持续发展的后劲。

2 加强计算教育，使计算思维能力培养在本专业人才培养中发挥重要作用

自从1946年人类历史上第一台电子计算机诞生以来，随着计算机技术的飞速发展，计算科学已成为推动人类文明进步和科技发展的重要动力。2005年，美国总统信息技术咨询委员会撰写了一份题为《Computational Science：Ensuring America Competitiveness》的报告，报告着重强调了先进的计算技术和计算科学的重要性，认为其能解决21世纪科学及经济领域最重要和最有前景的前沿研究。为此，2007年以后，美国科学基金会先后推出了3个促进计算教育的计划，即“振兴大学计算教育的途径”（CPATH）计划、“计算使能的科学发现与技术创新”（CDI）计划及“21世纪的计算教育”（CE21）计划，这3个计划都专门投入资金推进美国的计算教育，以加强计算思维的培养[4-5]。近年来，国内的很多知名学者也对计算思维的重要性给予了充分肯定。如孙家广院士认为计算思维是计算机科学界的最基础性和长期性的思想[4，6]。刘克教授也强调了大学中进行计算思维能力培养的必要性[4，7]。

2006年，美国卡内基·梅隆大学的Jeannette Wing教授对计算思维的定义进行了详细描述。她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念来完成问题求解和系统设计，并包括涵盖了计算机科学范畴的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化[4，8]。

在生物医学工程领域，计算科学早期担负着数值计算及生理系统仿真建模等功能。进入21世纪以后，计算科学与生物信息学、计算生物学、计算医学、健康物联网等新兴领域开始逐渐交叉融合。与此相对应，计算思维也逐渐成为适用于这些生物医学工程交叉领域的通用思维模式，并在学科发展中发挥出日益重要的作用。由此可见，计算科学的发展以及计算思维能力的培养对生物医学工程的学科建设也具有重要意义。

计算思维是人类三大科学思维模式之一，它是一种基本的思维方式，其不仅具有通识教育的特征，而且在生物医学工程的诸多交叉领域中具有独特优势。因此，在本专业教学中加强计算教育，融入并强化计算思维能力的培养，既是当前高校通识教育的重要内容，又是提高本专业学生综合素质的有效途径，也是生物医学工程专业的学科建设、人才培养和教育改革向深层次发展的应有之意和必然选择。

3 将计算思维能力的培养与信息化教学模式相结合，开展教学改革

在生物医学工程本科教学中突出计算思维能力的培养，需要转变任课教师的教学理念，改变传统教学模式，将计算思维能力培养这一主线与信息化教学模式深度融合。可以重点从适合计算思维能力培养的信息化教学模式的构建、教学方法和教学设计的改革及实验平台的建设等方面进行教学改革。目的是在打牢基础、拓宽知识结构以及强化应用能力的人才培养目标之上，进一步加强和突出学生计算思维能力的训练和培养，使他们能更深刻地感受、理解及模仿计算及计算机科学的思维形式，培养其应用计算机解决本领域内专业问题的思维习惯和应用能力。

在生物医学工程本科教学中突出计算思维能力的培养，并不是要推翻现有的教学模式和内容，而是将当前国内外教育界关于计算教育及计算思维的最新理论成果和教学理念与生物医学工程人才培养要求相结合，进一步提升本专业学生的能力素质，增强他们可持续发展的后劲，也便于今后与国际接轨。

3.1 构建适合计算思维能力培养的信息化教学模式

信息化教学模式以现代建构主义理论为指导，是以教师为主导、学生为主体的“双主”教学模式。此教学模式中，学生不是被灌输知识的对象，而是认知结构的主动建构者，是信息加工的主体；教师不是知识的灌输者，而是整个教学过程和环节的帮助者、引导者与促进者。显而易见，信息化教学模式是一种具有先进的教学理论支撑、适应信息时代背景下素质教育要求的现代教学模式。

计算思维本身包含了结构化、层次化、程序化的基本含义，是以抽象和自动化为手段，以设计和构造为特征，本质上是一种构造思维。计算思维的2个核心要素是计算环境和问题求解，在对计算思维进行训练的教学过程中，需专门对能突出计算思维流程的场景进行构建，对这一点，基于现代建构主义理论的信息化教学模式具有根本上的优势。

在构建适合计算思维能力培养的信息化教学模式的过程中，应注意满足培养计算思维的2个核心要素，即计算环境和问题求解。应以各种现代教学媒体、各种信息资源构建适合训练学生计算思维的教学环境。结合生物医学工程课程教学中的不同环节及不同实施方式，可采用不同的信息化教学模式，各教学模式之间还可以互相穿插、相互融合，以更好地满足不同教学内容和教学目标的需要。如理论授课中，可以采用讲授型教学模式和讨论型教学模式；实验教学中，可以采用合作式教学模式和研究型教学模式；在课后学习及课外第二课堂中，则可以采用个别指导教学模式、自主型教学模式及研究型教学模式。在整个课程的教学活动中，信息化教学手段要应用到课前准备、课堂授课、课后辅导以及课程考核等各个教学环节中，使学生、教师、教学信息资源及学习环境4个要素相互作用，充分发挥学生的积极性、主动性和创造性。

需要注意的是，计算思维的培养更需要学生具有自主、开放式的学习环境。在构建适合计算思维能力培养的信息化教学模式的过程中，应注重突出学生的主体地位，教师是引导和帮助者，应围绕学生进行教学活动的设计和建构。同时要重视各种教学资源的整合，如课程的各种教学信息资源和可供教学及学习的网络应用平台，使教学信息资源和网络信息条件围绕教学活动有机融合，构建适合学生自主、开放式学习的学习环境和平台。

3.2 探索适合计算思维能力培养的教学方法和教学设计

综合来说，在生物医学工程课程中开展信息化教学模式应以“任务驱动”和“问题解决”作为学习和研究活动的主线，可以包括课堂教学、实验教学、学生自主学习、网络教学及课外第二课堂等多种教学形式。应着重增加与训练学生计算思维密切相关的实例，尤其是“启发式”的应用实例，并将启发式教学法、基于问题学习的教学法（problem-based learning，PBL）教学法及案例教学法作为课堂授课的主要教学方法。

教学过程中要突出教学设计，应围绕训练计算思维的计算环境构建和问题求解过程，专门设计适合计算思维训练的教学互动环节。通过引入合适的生物医学工程专业领域内的应用实例及案例，引导学生针对实际问题进行抽象，并将着眼点放在问题求解和系统实现上[9-10]。计算思维是研究如何通过约简、嵌入、转化和仿真，将一个复杂或困难的问题分解并化简为如何求解它的思维方法；是利用启发式推理寻求解答的思维方法；是采用抽象和分解的方法来控制复杂任务或大型系统的思维方法[4，8]。因此应针对计算思维的抽象和自动化过程进行专门的教学设计和引导，使学生能够反复训练计算思维，并应用计算思维来完成数据处理及问题求解。

3.3 构建适于计算思维能力培养的实验及实践平台

实践是训练和培养学生计算思维能力的最佳方式。应结合本专业人才培养要求、课程教学目标、实验内容等方面开展实验项目的分层设计。一般可将实验项目分为3大类：基础实验、强化实验和拓展或研究型实验。这3类实验也体现了由浅入深的3个层次。基础实验用于巩固课堂所学知识及训练基本技能；强化实验则更侧重于应用能力的训练，同时融入计算思维的初步训练；拓展或研究型实验鼓励学生主动研究探索，培养其灵活运用所学知识进行独立开发和设计的综合应用能力，并主要用于计算思维能力的培养[10]。此类实验的实验内容应适合进行问题抽象及求解思路的训练，能突出计算思维的构建流程；同时应适当结合生物医学工程的专业应用，具有一定的趣味性；还需具备一定的难度、深度和广度，有创新性。

可以采用任务驱动和真实项目开发过程相结合的方式，构建适合计算思维能力训练及培养的实验及实践平台。实验项目的设计应突出对生物医学工程领域内的专业问题的抽象和求解过程及方法，强化计算思维的构建和训练流程，最终能引导学生逐层深入地解决问题。如可以开设与生物医学工程专业学习相关的独立研究型实验，突出利用计算机解决专业问题的计算环境构建，及利用计算思维的基本思维方法解决专业问题的流程。也可以结合课程的学习，开设与计算思维训练相关的选做实验，通过本专业常涉及的计算工具（如常用编程开发软件、Matlab、LabView、SPSS等）进行编程或建模，实现对专业问题的求解。还可以鼓励学生结合生物医学工程专业课程的学习或课外科研任务的需求，设计并开展自选实验。