關(guān)鍵詞：Python程序設(shè)計；問題解決；教學(xué)方法；智能醫(yī)學(xué)工程；多學(xué)科交叉

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0117-03

0 引言

智能醫(yī)學(xué)工程結(jié)合了計算機(jī)、工程和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的知識，是一門非常重要且前沿的跨學(xué)科專業(yè)。智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生將學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識，并運(yùn)用這些知識來了解智能醫(yī)療設(shè)備和開展基于人工智能的醫(yī)藥和生物研發(fā)等。該專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容涵蓋了醫(yī)學(xué)影像處理、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析、智能診斷與監(jiān)測系統(tǒng)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、生物信息數(shù)據(jù)處理和智能醫(yī)藥等方面的知識。智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生將通過學(xué)習(xí)各種先進(jìn)技術(shù)和工具，如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等，來解決智能醫(yī)療設(shè)備、智能醫(yī)藥和智能生物等領(lǐng)域的復(fù)雜問題。

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的興起，Python 程序設(shè)計已經(jīng)成為人們掌握編程的首選語言[1]。相比其他語言，Python程序設(shè)計具有許多優(yōu)點(diǎn)：免費(fèi)開源、語法簡單、強(qiáng)大的第三方庫和移植性強(qiáng)等[2-3]。作為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，Py?thon程序設(shè)計的教學(xué)效果沒有達(dá)到預(yù)期。為了提升Python程序設(shè)計的教學(xué)效果，許多學(xué)者根據(jù)個人的教學(xué)經(jīng)驗提出了大量先進(jìn)的Python程序設(shè)計教學(xué)方法，例如項目驅(qū)動法[4-8]、趣味案例法[9-12]、線上線下混合法[13-16]和問題驅(qū)動法[17]等。盡管這些教學(xué)方法均取得了較好的教學(xué)效果，但是直接將這些方法用于對智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行Python程序設(shè)計課程的教學(xué)，可能無法達(dá)到預(yù)期的效果。因此，本文針對智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)Python程序設(shè)計課程教學(xué)存在的問題，提出了以問題解決為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法。該方法具有專業(yè)針對性，能夠為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)Python程序設(shè)計課程授課教師提供參考，從而為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)方法陳舊，缺乏專業(yè)針對性

Python程序設(shè)計課程作為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，其授課教師大多來自計算機(jī)學(xué)院，這些教師主要依賴教材，并采用“滿堂灌”、案例分析法以及線上線下混合教學(xué)等方式傳授Python的理論知識。在實(shí)驗課程中，主要采用“一講一練”的驗證性教學(xué)方法。然而，這些教學(xué)方法所涉及的智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)內(nèi)容較少，難以與學(xué)生形成有效的互動和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且不符合智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)際需求。更為嚴(yán)重的是，教師沿用計算機(jī)專業(yè)的教學(xué)流程和內(nèi)容，未能對智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的需求做出有效調(diào)整。大綱、教案和實(shí)驗內(nèi)容與計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生相差不大，缺乏對智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)針對性，教學(xué)效果難以提升。

1.2 學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，缺乏主觀能動性

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)初期，會更多接觸到工程和醫(yī)學(xué)方面的基礎(chǔ)知識，對計算機(jī)的基礎(chǔ)知識了解相對較少，計算機(jī)基礎(chǔ)稍顯薄弱。此外，計算機(jī)學(xué)院的授課教師更注重講授Python程序設(shè)計課程的基礎(chǔ)語法、編程技巧以及問題解決方法，很少深入分析Python程序設(shè)計在智能醫(yī)療設(shè)備、智能醫(yī)藥和智能生物等與智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)密切相關(guān)的領(lǐng)域的應(yīng)用案例。這將導(dǎo)致智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生難以理解Python程序設(shè)計課程在智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中的重要作用，無法將所學(xué)課程與專業(yè)實(shí)際問題聯(lián)系起來，缺乏學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計的積極性。

1.3 實(shí)驗案例與專業(yè)脫節(jié)，解決問題的驅(qū)動力不足

Python程序設(shè)計課程的實(shí)驗案例，通常用于鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識。授課教師會選擇一些經(jīng)典案例讓學(xué)生練習(xí)，提升他們的動手能力。例如，在講解while 循環(huán)時，可能會將求100以內(nèi)奇數(shù)或偶數(shù)之和作為經(jīng)典案例。盡管這些經(jīng)典案例，對于學(xué)生鞏固Python程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識和動手能力有著積極作用，但學(xué)生學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計的主要目的是為了解決學(xué)習(xí)中遇到的實(shí)際問題。因此，僅僅使用經(jīng)典實(shí)驗案例可能會導(dǎo)致他們難以將所學(xué)的知識運(yùn)用到自己的專業(yè)領(lǐng)域，從而缺乏足夠的驅(qū)動力應(yīng)用Python程序設(shè)計解決實(shí)際問題。

1.4 項目經(jīng)驗匱乏，科研創(chuàng)新能力不足

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生通常會在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下參與一些項目，這些項目涉及智能醫(yī)療設(shè)備、智能醫(yī)藥和智能生物等領(lǐng)域的科研問題?；谟嬎銠C(jī)輔助方法，學(xué)生可以利用Python程序設(shè)計來解決這些問題，并逐步參與專業(yè)導(dǎo)師的項目中，積累項目經(jīng)驗，提升自身的科研創(chuàng)新能力。然而，現(xiàn)實(shí)情況是專業(yè)導(dǎo)師希望學(xué)生能夠迅速融入項目，預(yù)處理數(shù)據(jù)、分析和可視化數(shù)據(jù)等，但由于學(xué)生對Python程序設(shè)計知識掌握不足，他們并不清楚如何利用Python來解決專業(yè)導(dǎo)師的問題，導(dǎo)致學(xué)生的參與度不高，并逐步放棄科研項目，難以積累項目經(jīng)驗和提升科研創(chuàng)新能力。

1.5 理論考試為主，考核體系與實(shí)際問題解決脫節(jié)

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的Python程序設(shè)計課程采用以期末考試為主、考勤和實(shí)驗為輔的考核體系。其中，期末考試成績占總成績的70%，而考勤和實(shí)驗等其他條目占比30%。然而，這樣的考核體系導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生在授課期間，并不注重對Python程序設(shè)計基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和編程能力的培養(yǎng)。為了應(yīng)對期末考試，他們往往將注意力集中在期末考試前幾天，通過“死記硬背”的方式掌握一些基礎(chǔ)知識，而沒有將Python 程序設(shè)計作為解決智能醫(yī)療設(shè)備、智能醫(yī)藥和智能生物等領(lǐng)域問題的有力工具進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。由于考核體系與實(shí)際問題解決存在嚴(yán)重脫節(jié)，這種情況難以培養(yǎng)出動手能力強(qiáng)且具備科研創(chuàng)新能力的人才。

2 以問題解決為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法

2.1 聯(lián)合制定Python程序設(shè)計課程大綱和教案

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的Python程序設(shè)計課程的授課教師主要來自具有計算機(jī)背景的專業(yè)教師，但他們大多數(shù)不具備醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)藥和生物等領(lǐng)域的專業(yè)知識。為了更好地滿足課程教學(xué)的實(shí)際需求，Python程序設(shè)計課程授課教師應(yīng)聯(lián)合智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)藥和生物等領(lǐng)域的教師，共同制定Python 程序設(shè)計課程大綱和教案。根據(jù)專業(yè)教師所提供的基礎(chǔ)知識和問題，合理制定Python程序設(shè)計課程的授課案例、綜合項目和科研內(nèi)容，并以問題解決為導(dǎo)向來講解Python程序設(shè)計課程的相關(guān)內(nèi)容。這樣的授課方式將更加貼近專業(yè)實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，同時學(xué)生也能夠順利參與專業(yè)導(dǎo)師的科研課題，積累項目經(jīng)驗，提升自己的科研創(chuàng)新能力。

2.2 帶著問題在線學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計基礎(chǔ)知識

Python程序設(shè)計是目前大多數(shù)高校非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的首選課程。然而，學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)難以完全掌握Python程序設(shè)計的知識點(diǎn)。為此，可以結(jié)合目前較流行的在線學(xué)習(xí)平臺MOOC[19]，采用混合式教學(xué)模式來提高Python程序設(shè)計的學(xué)習(xí)效果。首先，在課前，授課教師可以向?qū)W生發(fā)放與智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)內(nèi)容相關(guān)的問題，要求學(xué)生利用下一節(jié)課的Python 程序設(shè)計基礎(chǔ)知識來解決。隨后，讓學(xué)生在MOOC平臺自學(xué)由北京理工大學(xué)嵩天教授主持講解的《Python語言程序設(shè)計》國家精品課程的相關(guān)知識點(diǎn)，并利用自學(xué)的知識解決授課教師發(fā)放的專業(yè)問題。學(xué)生將編寫的程序結(jié)果發(fā)送給授課教師的助教。最后，在線下授課前，授課教師根據(jù)助教的反饋，適時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。這種混合式教學(xué)模式可以更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和提高學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生以問題解決為導(dǎo)向充分掌握Python程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，并逐步理解Python程序設(shè)計解決專業(yè)問題的方法。

2.3 以解決專業(yè)問題為導(dǎo)向的課堂和實(shí)驗教學(xué)

Python程序設(shè)計課程的授課教師，將根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況，安排線下教學(xué)。首先，授課教師對課前布置的任務(wù)進(jìn)行講解，結(jié)合本節(jié)課的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，詳細(xì)解釋如何利用這些知識點(diǎn)來解決布置的任務(wù)。這樣可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握Python程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，以及如何將其應(yīng)用于實(shí)際問題中。隨后，以難度更高的專業(yè)問題為課堂案例，給學(xué)生深入講解本節(jié)課的Python程序設(shè)計的知識點(diǎn)如何解決這些專業(yè)問題，讓學(xué)生在解決專業(yè)問題當(dāng)中掌握Python 程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識點(diǎn)和在本專業(yè)中的應(yīng)用。最后，在實(shí)驗教學(xué)中，授課教師將結(jié)合智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識，布置實(shí)驗內(nèi)容，手把手地指導(dǎo)學(xué)生利用Python程序設(shè)計知識解決他們專業(yè)課程中遇到的問題，從而進(jìn)一步鞏固所學(xué)的Python程序設(shè)計知識，提升學(xué)生的動手能力和解決專業(yè)問題的能力。

2.4 以解決專業(yè)綜合問題為驅(qū)動的課后作業(yè)

為了鞏固和擴(kuò)展學(xué)生對Python程序設(shè)計知識的學(xué)習(xí)，布置課后作業(yè)是非常重要的環(huán)節(jié)。授課教師需要設(shè)計課后作業(yè)，旨在解決學(xué)生面臨的專業(yè)問題，并且作業(yè)內(nèi)容不僅限于當(dāng)前的課堂教學(xué)內(nèi)容，而是應(yīng)涵蓋之前所學(xué)過的所有知識點(diǎn)。授課教師應(yīng)與學(xué)生的專業(yè)導(dǎo)師合作，共同制定一系列專業(yè)綜合題為課后作業(yè)。這些綜合性的作業(yè)，將為學(xué)生參與導(dǎo)師的項目奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

2.5 以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的團(tuán)隊協(xié)作能力提升

在學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計的過程中，課前、課中和課后的學(xué)習(xí)，僅是為了幫助學(xué)生全面掌握基礎(chǔ)知識和解決簡單問題的能力。然而，有些學(xué)生可能限于學(xué)校環(huán)境，只涉及較為狹窄的知識范圍。部分同學(xué)在任務(wù)中表現(xiàn)出色，可能會誤以為已經(jīng)具備了優(yōu)秀的編程能力和項目經(jīng)驗，這會對他們未來深入學(xué)習(xí)造成誤導(dǎo)。為了引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到學(xué)無止境，我們應(yīng)當(dāng)鼓勵他們積極參與各類競賽，如生物信息數(shù)據(jù)分析、藥物分子篩選、智能醫(yī)療設(shè)備操作等。競賽經(jīng)歷可以為學(xué)生提供實(shí)踐鍛煉的機(jī)會，讓他們將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際問題中，并與其他同學(xué)交流學(xué)習(xí)。這種全方位的學(xué)習(xí)方式，不僅可以提升學(xué)生的編程技能和解決問題的能力，還能夠培養(yǎng)他們的團(tuán)隊合作意識和創(chuàng)新思維。

2.6 以解決前沿科研問題為驅(qū)動的科研能力提升

隨著Python程序設(shè)計課程接近尾聲，智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)具備了利用Python程序設(shè)計解決智能醫(yī)療設(shè)備操作、智能醫(yī)藥和智能生物研發(fā)等領(lǐng)域基礎(chǔ)問題的能力。此時，學(xué)生可以正式與專業(yè)導(dǎo)師建立聯(lián)系。通過利用Python程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，學(xué)生可以幫導(dǎo)師完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析及可視化等任務(wù)，并利用一些專業(yè)庫，如Sklearn（機(jī)器學(xué)習(xí)庫）和ProDy（生物信息處理庫）為導(dǎo)師的科學(xué)研究提供計算機(jī)輔助方法，為下一步進(jìn)行濕實(shí)驗提供數(shù)據(jù)支撐。這種以解決前沿科研問題為驅(qū)動的教學(xué)方法，不僅能夠讓學(xué)生參與專業(yè)導(dǎo)師的科研當(dāng)中，為導(dǎo)師解決科研問題，而且能夠提升學(xué)生的科研能力，為未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2.7 以問題解決能力作為考核體系的核心

以問題解決為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法的考核體系已從以期末理論考試為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥栴}解決能力作為核心評價指標(biāo)。在Python程序設(shè)計課程的期末考核階段，授課教師與專業(yè)導(dǎo)師合作，共同商討出智能醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用、智能醫(yī)藥和智能生物等領(lǐng)域的綜合考核題。學(xué)生可以自主選擇幾道題目作為期末考核內(nèi)容，并在規(guī)定的期限內(nèi)提供解決方案、代碼和結(jié)果。授課教師將與專業(yè)導(dǎo)師聯(lián)合對學(xué)生的考核結(jié)果進(jìn)行打分。這種以問題解決能力為評價考核體系核心的期末考核方式，有效提升了學(xué)生的編程能力和問題解決能力。同時，它有助于學(xué)生對未來的科研或就業(yè)方向的思考，并驅(qū)動他們在自己熱愛的領(lǐng)域深入研究。

3 以問題為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法的教學(xué)效果及反思分析

以問題為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法在培養(yǎng)學(xué)生動手能力、解決問題能力和科研能力等方面取得了較好的效果，為培養(yǎng)智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)緊跟時代發(fā)展的創(chuàng)新人才奠定了基礎(chǔ)。然而，在教學(xué)過程中仍存在一些急需解決的問題：1） 授課教師工作量大，而學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)重；2） 仍存在小部分的學(xué)生掉隊和放棄的情況；3） 經(jīng)常聯(lián)合智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)導(dǎo)師探討教學(xué)、實(shí)驗和科學(xué)案例，難度較大。經(jīng)過智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)Python程序設(shè)計課程授課教師的不斷總結(jié)、反思，為應(yīng)對這些問題提出了一些解決方案：1） 可以考慮選拔研究生作為自己的助教，幫助處理教學(xué)事務(wù)；2） 可以采取學(xué)生組隊的方式來完成教師交給的任務(wù)，以此來促進(jìn)學(xué)生之間的互相協(xié)作和合作精神；3） 可以與專業(yè)導(dǎo)師指定的助教聯(lián)合制定Python程序設(shè)計課程的教學(xué)案例和綜合項目案例。盡管這些解決方案能夠勉強(qiáng)解決目前面臨的困難，但是仍需要在實(shí)踐中不斷調(diào)整和完善。

4 總結(jié)

通過實(shí)施以問題解決為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法，可以有效解決傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的弊端，使得Python程序設(shè)計能夠真正成為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生解決智能醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用、智能醫(yī)藥和智能生物等領(lǐng)域問題的利器。這種教學(xué)方法注重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新思維，通過實(shí)際問題來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)編程，讓他們在解決實(shí)際問題的過程中掌握Py?thon編程技能，從而在未來的智能醫(yī)學(xué)工程實(shí)踐中能夠更加游刃有余地運(yùn)用Python編程技能解決各種復(fù)雜問題。

總的來說，以問題解決為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計教學(xué)方法將為智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生提供更加實(shí)用和有效的學(xué)習(xí)體驗，使他們在面對智能醫(yī)療領(lǐng)域的挑戰(zhàn)時能夠胸有成竹，為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。