PBL教學法在生物醫學工程專業C語言程序設計課程的初步實踐

黃炳升+鄭李韻+趙振富+但果+汪天富+鄧云

摘 要 探討在生物醫學工程專業C語言程序設計課程中運用基于問題學習（PBL）教學法的效果。學生分為實驗組（22名）和對照組（42名），分別采用PBL教學法和傳統授課模式。分析考試結果發現，實驗組教學效果較好，在所有考題上的得分都優于對照組。可見PBL教學法有利于增強學生學習積極性，提高學生的動手能力，但仍需因材施教。

關鍵詞 PBL教學法；生物醫學工程；教學改革；C語言程序設計

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0124-03

Preliminary Application of Problem-based Learning in C Lan-guage Programming of Biomedical Engineering//HUANG Bing-sheng， ZHENG Liyun， ZHAO Zhenfu， DAN Guo， WANG Tianfu， DENG Yun

Abstract The present study focused on the application of Problem-based Learning （PBL） in C Language Programming of Biomedical Engineering. The students were divided into the experimental group （22 students） and the control group （42 students）. PBL was applied in

the experimental group， while the conventional teaching was used in the control group. By analyzing the examination results， we found

that the experimental group showed better performance with higher scores. We concluded that PBL improves the students skills of pro-gramming and the learning initiative. However the lecturers should still make individualized teaching plans in accordance with students aptitude.

Key words PBL teaching method； biomedical engineering； teaching revolution； C Language Programming

1 引言

生物醫學工程（Biomedical Engineering，BME）是一門生物、醫學和工程多學科交叉的新興邊緣學科，其基本任務是運用工程技術手段，研究和解決醫學中的工程問題。生物醫學工程多學科交叉的特點使其有別于生物醫學和純粹的工程學科，它以培養具有較強的醫學與工程知識更新能力、創新能力尤其是動手實踐能力的復合型專業人才為目標[1-2]。傳統教學模式普遍以教師授課為主導，學生以聽課及完成作業的方式完成被動學習，從而逐漸不能適應新形勢下的生物醫學工程的教學目標。因此，如何改革傳統教學模式，以加強對學生的實踐能力和創造能力的訓練，是生物醫學工程教育所要解決的當務之急。

Problem-based Learning（PBL）教學法譯為“基于問題學習”，與傳統的教學模式不同，它是以“任務”或“問題”為引導，其本質是以建構主義為基礎的教學方法[3]。在該教學法中，學生受任務或問題驅動，基于問題主動學習新知識，并在實踐中構建新的知識體系，從而培養清晰的思路、方法和知識的脈絡，提升分析問題、解決問題的能力，并有助于調動學習的積極性和創造性，強化在學習過程中的體驗感和成就感。這一教學法已經成功在臨床醫學和生物醫學工程專業的課程教學中取得成功的應用[4-10]。

C語言程序設計作為生物醫學工程專業的核心課程和計算機軟件開發技術的入門課程，需要學生具有較強的動手能力和分析處理問題的能力。同時，生物醫學工程作為多學科交叉的邊緣學科，需要學生具有較強的創新思維、自主學習能力和團隊協作能力。傳統的教學方法中，教師占據主導地位，學生學習的方式相對被動，或不利于調動學生學習的積極性與創造性，這對C語言程序設計這門課而言尤其不利。因此，嘗試在C語言程序設計課堂上引入PBL教學法，希望借此強化學生在學習過程中的體驗感和成就感。本研究的目的在于探討在生物醫學工程專業C語言程序設計課程教學中運用PBL教學法的效果。

2 對象與課程設計

研究對象 本次課程改革實驗針對深圳大學64名生物醫學工程專業大一學生開展，C語言程序設計是這些學生在大一下學期的必修課。

課程設計 PBL教學法實驗設計在生物醫學工程核心課C語言程序設計課程教學引入“基于問題學習”的教學模式。根據自愿參與原則，在保證兩組學生的學習成績均衡的基礎上，將64位學生劃分為實驗組和對照組，開始時前者包括26名學生，后者包括38名學生。對對照組學生按照傳統教學方式進行課堂授課，并在上機實驗課上完成相應任務；實驗組即參加教學改革的學生無須參加課堂教學活動，而是在教師的指導下，通過自行查找、閱讀資料，并通過成員之間的相互交流等方式，掌握要求掌握的理論內容，同時通過每一章的具體任務加強實踐訓練。這些具體任務的難度通常高于常規作業，主要包括多項編程任務，任由成員選擇完成其中至少三項任務。endprint

實驗組學生可以根據自身實際情況控制學習進度；如果有難以克服的問題，可以與實驗組成員、實驗員以及授課教師在微信微課堂內討論。教師每兩周檢查實驗組學生的學習成果（主要是所分配的任務完成情況），同時在每兩周一次的上機實驗時以小測驗的方式考核學生對基礎知識的掌握程度。通過這些跟蹤指導，還可以及時評估實驗組學生的學習情況，一旦發現學生不符合實驗組參與條件，立即取消其參與資格，以確保其對基礎知識的掌握程度以及教學質量。PBL教改的具體實施流程如圖1所示。

教學效果評價 記錄了這64名學生期末考試的各大題得分及總分作為教學效果評估的依據。本次考試共有基本題和附加題兩種類型。基本題包括四道大題，其中，第一題為考查基礎知識、基本概念的選擇題；第二題為程序填空題，補充若干行代碼以完成一些經典的程序；第三題是程序閱讀題，通過閱讀給出的代碼，判斷程序運行的結果；第四題為程序編寫題，編寫完整的程序實現給出的任務。總分即為基本題得分之和，滿分為100分。附加題內容為難度較大的程序編寫題，滿分為30分，只有得分在18分以上才是有效得分并計入考核結果。

統計分析 對于基本題和總分，根據數據是否為正態分布，決定使用單尾t檢驗或者非參數Mann-Whitney U檢驗來比較兩組學生中總分與各大題成績的均值（若是Mann-Whitney U檢驗則是比較中間值）。對于附加題，主要比較實驗組和對照組的有效得分人數占總人數的比例，所用的統計方法是卡方檢驗。所有統計分析均在SPSS 21.0軟件中完成。顯著性水平設定為0.05，即，若P<0.05，則兩組數據存在顯著差異；否則認為兩者無顯著區別。

3 結果

在具體實施過程中，有4名學生從實驗組退出回到對照組，因此，實驗組最終包括22名學生，對照組有42名學生。教學效果的統計結果具體如表1所示。在所有基本題和總分上，實驗組學生得分均高于對照組學生；尤其在程序編寫題和總分上，實驗組學生得分與對照組學生的得分差異有統計學意義（P<0.05）。另外，附加題得分情況：實驗組共有四人有效得分（分數在18分以上），占總人數的18%，平均分為29.5分；對照組共有六人有效得分，占總人數的14%，且平均分為21.0分。對兩組中有效得分的學生比例做卡方檢驗，得P>0.05，表明這兩組的附加題有效得分比例的差異并不顯著。

4 討論

實驗結果顯示，此次C語言教學改革的PBL效果雖然因人而異，但實驗組的教學效果總體上優于對照組，這一結果印證了類似研究的發現。在這些面向不同專業學生的研究中同樣發現，采用PBL教學法可以有效提高學生的程序理解能力、算法設計能力和實際編程能力[11]；同時，還可以增強學習興趣，提高溝通交流的能力[12-14]。本次實驗結果中，實驗組學生尤其在程序編寫題及總成績的表現上明顯比對照組學生更為出色，說明實驗組學生具有較強的自主編程能力和綜合能力。在附加題的表現上也印證了這一點。附加題是比較難的程序編寫題，實驗組不僅有效得分比例較高，總的平均分也比較高。這個結果是符合預期的，因為PBL教學法的主要目的之一就是提高學生的動手能力和創新能力，并通過互相交流、主動學習提高溝通能力。

有意思的是，在基礎題尤其是選擇題、程序填空題和程序閱讀題上，實驗組學生的得分情況雖然較高，但較對照組學生并無顯著差異。由于這幾個大題主要目的都是考查學生對理論知識的學習效果，因此，這個結果表明PBL教學法對這批學生在基礎知識的掌握方面并無明顯提高。無獨有偶，也有研究發現PBL教學法對于增強學生學習理論知識的效果不太明顯[12]。這個結果一方面與PBL教學法本身的特點以及執行方式有關，也與參與PBL教學法的學生水平有關。PBL教學法本身強調學生的自主學習，尤其是針對具體問題的動手實踐。因此，如果參加PBL教學法的學生不主動、系統地學習理論知識，而主持PBL教學的教師也沒有很好做監督和引導的話，學生對理論知識的掌握不夠系統和深入也就可想而知了。因此，為了增強PBL教學法的理論教學效果，需要教師更要注重這方面的引導，也需要學生能夠主動配合。

綜合兩方面的結果還說明，培養模式的不同導致兩組學生能力側重點的不同。對照組學生按部就班、循序漸進地學習課本知識，在指導教師的詳細講解下，對基礎知識有著系統的理解；而實驗組學生較早投入編程實踐中，在平時接受了更多偏向于動手能力的訓練，故有較強的動手能力、創新能力乃至綜合能力[1，5]。

本研究本身存在一定問題。尤其值得注意的是，雖然在實驗開始時平衡了兩組入選學生的績點，但實驗組學生相對于對照組學生而言，可能對學習C語言更有興趣，因此學習主觀能動性較強，平均學習能力較強，這或許會使實驗結果產生誤差，然而這也從另外一個方面說明因材施教的重要性。另外，上述研究只針對深圳大學生物醫學工程專業的學生，這些發現可能不適用于不同水平、不同層次的高校的學生。最后，教學效果的評估目前只根據考試成績，這種評估方式有一定的局限性。

5 結語

綜上所述，PBL教學法可以在一定程度上提高學生的實踐能力、創新能力，增強學生學習的主動性與積極性，但在理論知識方面的培養效果可能需要教師和學生雙方的投入和改進。生物醫學工程專業的教學者在進行生物醫學工程專業教學改革時，需要因材施教，既要考慮學生自身學習能力與知識水平，也要考慮學生對所學課程的興趣，從而制訂出最適于每個學生的教學方案。

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