基于計算思維的醫學生“數據結構”課程教學研究*

武文芳 陳 卉* 杜 菁 李 寧

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0028-04 [中圖分類號] R192 [文獻標識碼] A

基于計算思維的醫學生“數據結構”課程教學研究*

武文芳①陳 卉①*杜 菁②李 寧②

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0028-04 [中圖分類號] R192 [文獻標識碼] A

目的：為加強醫學生計算思維的培養，對“數據結構”課程的教學進行探索研究。方法：在教學內容中增加了算法設計和分析，以及軟件工程的知識，并加強了課程各章節內容與醫學專業的聯系，將傳統的考核方式改革為小組期末大作業的形式。結果：通過教學內容的拓展、課堂實踐的加深及課程考核方式的改革，更加注重學生實踐能力的培養。結論：通過教學研究激發了學生的學習興趣，提高了醫學生的計算思維。

計算思維；醫學生；數據結構；計算機

[First-author’s address] School of Biology Medical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China.

隨著計算機及其應用技術的飛速發展，計算機在醫學領域中的應用越來越廣泛，掌握計算機基礎知識和應用技能，已成為現代醫學人才必備的基本素質。而對于醫學院校的學生，除了掌握專業的醫學知識和技能，在當今信息化高速發展的時代，海量醫學信息的分析處理是醫學生進入臨床工作所要面臨的巨大難題。如何培養醫學生用科學的思維方式去解決醫學問題，是基礎階段教育需要思考的問題。

2006年，美國卡內基·梅隆大學教授闡述了計算思維，2010年中國科學技術大學“第六屆大學計算機課程報告論壇”倡議將計算思維引入大學計算機基礎教學中[1]。2012年教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會聯合全國高等學校計算機教育研究會和中國計算機學會教育專業委員會召開了主任(理事長)會議，形成了“積極研究和推進計算思維能力的培養”的意見，計算思維在國內計算機基礎教育領域得到了廣泛重視[2-4]。

計算思維是一種科學思維，與理論思維和實驗思維一起構成了推動人類發展的三大思維，是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計及人類行為理解等一系列思維活動[5-6]。要想很好地求解實際問題，構建出一個“好”的系統，必須分析待處理對象的特性及各個處理對象之間存在的關系，這就是“數據結構”這門課程所講授的內容[7-9]。而“數據結構”是一門關于計算思維方法的課程，是典型的計算思維課程，涉及大量的數據邏輯結構、存儲結構及數據算法的研究[10-11]。因此，本研究在新的形勢下，為了培養全面發展的復合型醫學人才，提升其計算思維能力，對“數據結構”課程的教學進行探索研究。

1 教學內容的研究

為了培養醫學生的計算思維，將知識的講授與素養的培養貫穿于“數據結構”課程的整個教學過程中，在課程內容上增加了算法設計和分析的內容，以及軟件工程的知識，通過簡單的求最大公約數的實例引入算法描述工具(流程圖、N-S圖)的知識，使醫學生了解如何用簡單明了的方法來描述實際問題，使其將來在臨床工作中遇到復雜問題時能夠使用通俗易懂的流程來描述，提高其專業素養。

通過算法分析內容的講解，使學生明白不同的算法其時間效率和空間效率是不同的，在臨床工作中要兼顧時間和空間最佳地設計治療方案以及開展科研工作。通過軟件工程知識的講授，讓學生明白一套軟件系統從開始籌備到實際的應用、維護的整個軟件生存周期包括問題定義、可行性研究、需求分析、總體設計、詳細設計、編碼和單元測試、綜合測試、正確維護、適應性維護以及完善性維護諸多環節，每個環節有其各自的描述工具和分工，讓學生進入臨床后能理性地使用醫院的各個軟件系統，規范地操作臨床醫療設備，更好地與臨床工程師溝通，并在科研工作中凝練出更加科學的臨床問題[12](如圖1所示)。

圖1 軟件生存周期分工示意圖

在對醫學生講授各章內容時，不只是讓學生學習課本上的典型例題，更多的是結合醫學專業講授各部分內容。在講“線性表”時通過醫院信息系統(hospital information system，HIS)中患者信息表的建立、插入、刪除及更新等操作講授線性表的知識，并通過實例演示線性順序表和線性鏈表的存儲和操作算法的不同，對比不同鏈表的優缺點(見表1)。

表1 各種鏈表的比較

在對醫學生講授“隊”的知識時引入醫院掛號系統的操作流程來講解入隊(排在隊尾等待掛號)、出隊(掛號成功)、顯示隊中元素及長度(前面還有多少人在等待)的操作。講授“棧”的內容時引入HIS中物流管理環節中對藥品庫的操作，通過講解藥品的入庫、出庫、查詢及顯示庫存來講解棧的存儲和各項操作。講授“樹”的知識時，引入醫院行政系統的管理模式來講授從樹根到葉節點的建立、遍歷等操作。通過遠程醫療網絡系統的示例來講授如何在最短時間或最短路途的情況下從“圖”中找到最優路徑以便獲得最佳的醫療資源。

當每章內容講授完畢會給醫學生布置課后作業，讓同學自己查找生活中數據結構的實際應用以及會用到哪些操作，如果學生想用算法去實現此應用會用哪種存儲結構，目的是引導學生探究問題求解的思路和方法，提高計算機素質和思維。

2 考核方法的改革

由于醫學生的課業任務重，而開設的“數據結構”課程不是考試課，為了避免課程內容多而雜，實踐性又強，學生容易感到內容難以理解，算法難以設計，從而對本課程失去學習信心，本研究將該課程的考核形式由傳統的筆試考試改為期末綜合大作業，要求學生可以3人一小組，結合實際生活完成一個問題的求解，包括問題的描述、采用的數據結構和存儲結構、算法流程圖以及結果運行情況，并要求按照論文的格式書寫，其作業要求模板如圖2所示。

圖2 “數據結構”期末作業模板圖

將優秀的作業裝訂成冊發給學生觀摩學習，將學生的期末大作業和平時成績按一定比例(7∶3)計算后給出5分制的最終成績。通過大作業的完成，使學生對問題的求解全過程有了深刻的認識，能夠將數據結構的理論知識應用到實踐中，激發學習興趣，增加成就感，提高醫學生的計算思維。

3 科研工作中的應用

本研究不僅在課程學習中注重學生對理論的理解，培養學生的抽象思維和創新能力，還將老師科研中與課程知識相關的內容引入到學生的學習中，指導學生參與到老師的科研中，使其通過更加實際的科研工作夯實和拓展課堂知識，提高學生的實際動手能力，培養學生高效地組織、存儲和處理數據的思維方法，指導其設計出結構清晰、正確易讀及高質量的算法，從而為后續課程的學習以及未來工作開展打下堅實的理論和實踐基礎。

本研究與學校附屬臨床醫院合作，指導學生將所學知識應用到本科生科研訓練中，開發了肝病預警平臺(如圖3所示)。

圖3 用戶平臺界面圖

在系統開發過程中，學生在老師指導下運用所學的知識對系統進行了問題定義、可行性研究及需求分析，明確了臨床醫生的需求，對臨床數據進行了數據結構分析，確定了數據模型，建立了后臺網絡數據庫，并運用動態服務器頁面(active server page，ASP)技術開發了肝病預警網絡平臺，通過該平臺，用戶可以了解到關于肝病治療方面的最新研究進展，醫生可以隨時查詢和建立患者的病歷信息；同時還可為患者提供治療和康復的建議；全國各地醫生也可以直接在網上進行交流討論；患者及其家屬也可以隨時查詢和建立患者的病歷信息，進行肝病分級測試，同時還能向醫生咨詢(如圖4所示)。

圖4 “用戶登錄”界面圖

4 結論

“數據結構”是學習計算機及相關專業的重要理論基礎課程，是學好計算機程序設計的理論和技術基礎，數據結構課程的主要目標是培養學生的數據抽象能力和程序設計能力[13]。但由于其內容抽象難懂，傳統的教學很難使學生較好的掌握該門課程的內容，尤其是一些難點內容，學生更是感到晦澀難懂[14]。針對教學中發現的各種問題，本研究在教學過程中不斷改革探索，調整了教學內容，改革了考核方式，增加了與醫學實踐相結合的知識內容，經過三屆的數據結構教學改革實踐，取得了良好的教學效果，學生不僅學習了理論知識，還學會了通過查找資料、小組討論及實踐等多種方式進行自主學習，培養了學生的主動學習能力。同時學生清楚了數據結構的重要性，提高了學生的數據抽象能力和程序設計能力，使得學生能夠理論聯系實際，根據實際問題編寫出好的算法和程序[15]。同時，本研究在學生的科研訓練中引入數據結構的知識幫助學生分析研究對象，作出合理的需求分析，采用科學的數據結構及算法來存儲分析醫學數據，獲得滿意的研究成果，使得科研工作取得事半功倍的效果。進入臨床階段的醫學生反映，學完“數據結構”這門課程后在臨床工作中遇到困難時不再沒有頭緒，會用“數據結構”所學的知識去分析各種信息以及各種軟硬件系統的操作流程，從而加快了臨床技能的培養與學習。

“數據結構”課程的教學研究表明，教師不僅是知識的傳遞者，而且是學生學習的激發者，為了大力提高學生的實踐能力和知識應用能力，仍需要不斷更新教學手段，在教學中真正將知識作為載體，實現思想和方法的傳授。

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Research on data structure based on computational thinking in medical university/WU Wen-fang, CHEN Hui, DU Jing, et al// China Medical Equipment,2015,12(9)∶28-31.

Objective∶ To improve computational thinking of the medical students, teaching of the "data structure" course were explored. Methods∶ The knowledge points including analysis of algorithms and software engineering were increased in the teaching content, and the relation was strengthened between the curriculum and medical profession. Examination mode was reformed to final assignment in order to pay more attention to the student’s practical ability. Results∶By expanding of teaching content, deepening of classroom practice and reforming of course examination, student’s interest in learning is stimulated. Conclusion∶ The sense of achievement is increased so as to improve the computational thinking of medical students.

Computational thinking; Medical students; Data structure; Computer

武文芳,女,(1973- ),博士，副教授。首都醫科大學生物醫學工程學院生物醫學信息學系計算機教研室，從事計算機科學與技術工作。

2015-03-24

北京市青年拔尖人才培養計劃(CIT&TCD201304178)“基于數據挖掘技術的重型肝炎肝衰竭預后判斷模型及治療決策網絡系統的研究”

①首都醫科大學生物醫學工程學院生物醫學信息學系計算機教研室 北京 100069

②首都醫科大學生物醫學工程學院計算機實驗室 北京 100069

*通訊作者：chenhui@ccmu.edu.cm

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.09.009