军医大学Python课程教学模式的改革与探索

刘静乐 常小红 见伟平 李改霞 张国鹏

关键词：程序设计课程；项目和任务驱动法；评价机制；实践模式

当今是一个信息化的时代，计算机技术已广泛应用在医学领域，比如医学图像处理、计算机辅助诊断、医学数据分析等。医学生除了掌握专业知识外，还需要具备一定的计算机知识和能力，基于此，空军军医大学开设了Python程序设计课程，该课程是所有医学相关专业的一门必修课，具有概念多，逻辑性强、实践性强的特点，该课程的教学目标旨在培养学生掌握程序设计的基本思想和方法，具备编程的技能，会用计算机解决以后专业实际问题。然而，对于医学院校，该课程在一年级开设，后续没有其他的程序设计类课程，是一门相对孤立的课程，学生在后续学习专业课时，程序设计课程所学知识和技能大多遗忘，很难将其应用在专业课领域。通过学期末的调查问卷，相当一部分学生反映程序设计课程难度很大，认为程序设计课程对以后的学习工作意义不大；在和学生交流中，部分学生反映理论课上知识点也能听懂，但是一到实训课就不知如何下手；我们在教学中也发现一些问题，上课打瞌睡的现象此起彼伏，课堂中，学生大多被动接受，不善于主动思考。

本文从教学方法、实践教学模式、教学评价三方面进行了详细的剖析，针对其存在的问题进行了改革研究，目的在于激发学生的学习兴趣，发挥学生的主观能动性，提升教学效果。

1 Python 程序设计课程教学问题分析

1.1 教学内容设置不合理，教学方法陈旧单一

Python程序设计课程归属于大学计算机基础课程的一部分，内容多、课时量少，一共44学时，其中理论课18个学时，实践课26个学时，选修本门课程的学生大概400多人，由于教室规模限制，理论课分3个轨道教学，每班大约100多人，为了在有限的学时内覆盖所有的知识点，理论课通常采用满堂灌的方式，先讲解每个知识点的语法语义，之后再举例说明，课堂上学生大多被动接受，师生间互动少，严重剥夺了学生思考问题与分析问题的时间，不利于发挥学生的主观能动性，违背了以学生为中心的教育理念；其次，课堂上所举案例往往是为了验证语法知识点，各个案例之间是独立的，随着学习的深入，学生会对前面知识点有所遗忘，从而丧失兴趣，产生畏难情绪，不利于培养学生系统分析问题，解决问题的能力；此外，课堂上所讲案例和学生实际专业学习关联性不大，以至于后续学生在专业课学习过程中很难有意识地应用计算机来解决学科问题，而计算机与学科知识的交叉融合正是新工科建设的必需途径和潜在要求[1]。

1.2 实践教学模式陈旧落后

Python程序设计课程是一门实践性很强的课程， 学生只有通过大量的上机实践练习才能将知识内化， 掌握编写程序和调试程序的方法和技能，然而传统的实践教学模式存在以下问题：

1）实践管理落后，严重制约教学效果

由于学生人数多，受机房条件的限制，实训课共分为4个轨道，每个轨道100个学生左右，共4个老师辅导，学生课堂所学理论知识和机房上机实践时间往往存在一定距离，会出现理论和实践脱节情况。每次上机实训前，老师会带领学生回顾实训所需知识点，然后布置本次实训的题目，学生在机房进行编程练习，老师帮忙答疑，受时间地点的限制，学生上机时间非常有限；其次，学生提交作业后，由于学生人数多而教师人工批改效率低，评价结果不能及时反馈给学生，达不到“以评促学”的目的。

2）实践案例与实际应用结合不足

实训课上布置的作业以认知和验证型为主，和实际应用结合不足，比如判断一个数是否是素数，为什么要编写这样一个程序、如何编写、有没有更好的解决办法，学生很少主动去思考，单纯为了完成作业被动编程。这种实践教学模式不足以培养学生分析实际问题、解决问题的能力，不利于激发学生的创新精神。课程改革后，所设计的实践案例以设计型和创新型为主，贴近学生的实际生活，和学科专业的实际需求相结合。

1.3 评价模式不科学

加德纳倡导的多智元理论强调，考核不應是检测学习者记住了多少知识，而应考核学习者获取知识和运用知识的能力[2]，传统的考核主要包括平时上机实训作业和期末纸质卷考试，平时实训作业成绩占比55%，期末考试成绩占比45%，期末考试题型包括判断和选择题，这种纸质卷考试变相鼓励学生死记硬背知识点，很难考查学生的真实编程水平，从而出现考分高的学生不一定编程能力强，编程能力强的学生不一定考分高，而军医大学学习程序设计课程的目标旨在培养学生用计算机解决医学领域相关问题的信息素养，而这种考核方式和教学目标是相背离的，所以急需改革。

2 教学模式改革

2.1 采用项目和任务驱动的教学方法

1）项目和任务驱动教学法概述

项目和任务驱动教学法都以学生为中心，重在引导学生自主发现问题、分析问题、解决问题[3]。

项目驱动教学法是利用项目驱动学生学习的一种教学方法与策略，重在项目的设计上。首先，所设计的项目须具有综合性、真实性、实践性，贴近学生的实际学习生活，这样才能激发学生的学习兴趣和主观能动性；其次，所设计项目能将相关知识点串联起来，要求学生运用所学知识点逐步完成一个完整的项目，提升学生综合分析问题和解决问题的能力[3]。

任务驱动教学法是利用任务驱动学生学习的一种教学方法与策略。它将传统的以传授知识为主的教学理念，代之以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理[4-5]，所采用的教学方式不再按照教材中各个知识点的先后顺序讲解，而是精心设计一个完整的案例或项目，将案例或项目分解成一个个任务，各任务之间相互衔接，层层递进，每节课老师引导学生完成一个或若干个任务，在完成任务的过程中讲解任务所涉及的知识点，学生在解决一个个任务过程中，理解了知识点如何应用，提升了用计算机解决问题能力，逐步培养了计算思维。

2）项目和任务驱动法在理论课程中的具体探索和实施

在实际的理论课教学中，项目和任务驱动法是相辅相成的，如何选取合适的项目案例以及如何将其分解成一个个任务成为了改革的关键[6]，考虑到军校的学生每年都要进行体能测试，体能测试项目包括BMI 计算、三公里、引体向上、蛇形跑等，每次统计所有学生的考核成绩需要耗费大量的人力，因此引导学生思考能否用Python实现体测成绩管理系统。由于该项目贴近学生实际生活并有一定的实践价值，学生普遍比较感兴趣。为了实现完整的系统，首先可以将其分解成多个功能，而每一个功能相当于一个任务，引导学生用Python程序实现， 各个任务之间由易到难，循序渐进，在完成任务的过程中采用递进的方式引出一个个相关知识点，从而给学生构建了一个完整系统的知识体系，使得学生明白知识点之间的关联以及如何应用。

学生体测成绩管理系统共包含8个任务： （1）打印学生的信息;（2）计算学生BMI指数;（3）计算任一个学生的成绩等级;（4）学生成绩排序;（5） 学生成绩统计;（6） 输出所有学生的最终综合体测成绩等级;（7） 对统计结果进行可视化展示;（8） 实现完整的学生体测成绩管理系统。具体如表1所示，每次课程会引导学生完成1-2 个任务，任务之间是由浅入深、循序渐进的，每个任务所涉及的新知识点是1-3个，符合学生的认知规律，学生在完成一个个任务的过程中掌握知识点如何应用， 不断增强自信心和成就感， 最终实现完整的学生体测成绩管理系统，从而实现对知识点的融会贯通，提升综合分析问题和解决问题的能力。

比如第三个任务是“计算任一个学生的成绩等级”，任务要求：输入任一个学生的各个项目成绩，输出相应的成绩等级， 其中，优秀（>90），良好（80-90），中等（70-80），及格（60-70），不及格（<60）。首先引导学生主动思考并画出具体的流程图，之后如何将流程图转换成Python代码，则需要用到分支结构，最后讲解分支结构的语法以及注意事项，并鼓励学生动手实践操作，从而加深对知识点的理解。

从近两年的教学效果可以看出，学生对该项目兴趣浓厚，在完成项目中各个任务的过程中，学生积极思考，逻辑思维和综合分析解决的问题能力有了较大提高。

2.2 改革实践教学模式

1）采用在线评判系统进行实践练习，提高实践效率

空军军医大学自主研发了在线评判系统，老师在上面布置实训作业和日常练习题，学生只需要一台电脑，可以不受时间地点的限制，随时在线练习，提交之后，系统会给出具体错误提示，学生在作业截止日期前可以多次修改提交，大大的提高了学习效率；此外，学生提交的实训作业通过系统实时批改，将老师从繁重的作业批改中解放出来，提升了教学效果。

2）巧设实践案例，与学生学科专业相结合

传统的验证性实验主要培养学生对知识点的掌握，而学习程序设计重在应用，改革后，在实践案例的选取中以设计型和综合型实验为主，兼顾趣味性和实用性，重在培养学生的综合运用知识分析问题和解决问题的能力。考虑军医大学学生专业主要是医学相关，所以精心设计的实训题目主要和医学结合，比如在Python文件部分实训时，题目为医学数据分析案例，该案例包括多个数据文件，每个数据文件中都包含了某医院检验科几千条的血常规数据，其中包含病人的病人编号（ID），性別（Gender），红细胞计数（RBC） 和白细胞计数（WBC），血红蛋白（Hb）和淋巴细胞计数（LY）共6列数据。题目要求对用户输入的指定数据文件，分别统计男/女人数、男/女的RBC、WBC平均值共6个统计指标，将统计结果写入文件。学生在做此类题目时，主观能动性得到了发挥，用计算机技术解决医学领域问题的能力也得到了锻炼。

2.3 调整教学评价模式

高效合理的考核方式除了检验学生的学习效果外，还可以有效的培养学生正确的学习方式、激发学习的主动性和积极性，为了激发学生编程的内驱力和切实提高实践能力，期末考试摒弃传统的纸质卷考试，全部采用机考，题型包括代码段填空和案例编程题，考试时学生可以查阅资料，因为程序设计课程重点要培养学生的编程思想和方法，而不是对语法点的死记硬背。考核方式的改革实现了从知识考核到能力考核的转变，体现了程序设计课程实践性的重要性，鼓励学生平时学生多动手上机编程。

3 实践应用效果

自2021年春季学期Python程序设计课程改革以来，取得了明显的教学效果。

1）形成性考核成绩明显提升

将改革前2020年的成绩和改革后2021年、2022 年的成绩进行了分析对比，其中形成性成绩为平时9 次实训作业成绩的平均值，占比55%，期末考核全部采用机试，占比45%，统计结果如表2所示。

从表中可以看出，改革后，学生形成性成绩的平均分有了明显提升，表明采用新的实践模式后，学生学习兴趣浓厚，主动实践练习的机会增多；而期末成绩有所下降，是因为改革前为纸质卷考试，存在一批学生考前突击，效果显著，而改革后全是机试，主要取决于学生平时的上机实践积累，有利于反向激励学生把功用在平时。此外，改革后学生的各项成绩（尤其是形成性成绩）的标准差有了下降，表明成绩更加稳定，两极分化的趋势趋于平缓，是因为学生通过在线评判系统作答作业时，在截止日期前可以多次提交，每次提交后都有错误反馈，便于学生不断完善，在这个过程中不断提升编程能力。实践证明，改革后的教学模式在发挥学生主观能动性、提升动手实践能力方面效果显著。

2）学生对课程实用性的认可度有了较大提高

2022年春季学期课程前后，对342份有效问卷调查进行了统计，统计结果如图1所示，开课前，只有8%的学生接触过编程，6%的学生在一定的帮助下可以完成具体任务的程序编写，而经过一个学期的学习后，73%的学生能完成程序编写；开课前只有47%的学生认为Python对以后学习工作的实用性，而开课后，则93%学生认为是有用的。由此可见，改革后学生的观念、动手编程能力确实有了较大提升。

4 结束语

通过教学模式的改革，Python程序设计课程在实践教学中取得了良好的教学效果，学生对程序设计课程产生了浓厚的兴趣，提升了实践创新能力和计算机应用能力，值得广大老师借鉴，但在实践过程中，仍然发现有一些问题需要解决，比如：大班教学中，学生的基础参差不齐，如何对学生做到因材施教，如何设计大量和专业相结合的实践案例，这些是需要进一步研究和探索的，以不断提升教学效果。