基于创新型人才培养的Python语言程序设计教学方法探讨

李琬　陈丽娜　何月涵　吕俊杰

［摘 要］生物医学工程是一门理工医相结合的交叉学科，在多领域发挥着重要作用。如何培养适应数字化时代的创新型生物医学工程专业人才，已引起人们普遍关注。Python语言程序设计是生物医学工程专业的必修课程，改进该课程的教学方法，采用参与式、TRIZ理论、案例教学方法，重视实验应用，可以提升课程教学质量，培养生物医学工程专业学生进行生物医学大数据分析所需的科学素养，激发学生的创新思维，增强学生的创新能力和解决实际问题的能力。

［关键词］Python语言程序设计；
生物医学工程；
参与式；
TRIZ理论；
案例教学

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0146-03

生物医学工程是兴起于20世纪50年代的一门交叉学科。作为一级学科，它综合物理、化学、数学、计算机和工程学原理，通过在各层次上进行数据处理与分析，对人体系统的状态变化进行生物学、医学、行为学或卫生学的研究，产生从分子水平到器官水平的认识，并运用工程技术手段，开发生物学制品、材料、器械等，用于疾病预防、诊断和治疗。21世纪以来，生物科学迅猛发展，生物医学工程已逐渐成为生命科学领域的重要前沿学科，受到人们的普遍关注。在疫情防控中，从疫苗研发、核酸检测、健康码、“火眼”检测系统到医护助理机器人、5G远程会诊等高新技术的应用，都与生物医学工程密不可分。可以说，生物医学工程在疫情监测分析、病毒溯源、防控救助等诸多方面都发挥了关键作用。

重大传染病和生物安全风险是事关国家安全和发展以及社会大局稳定的重大风险挑战，必须下大气力培养创新型的生物医学工程人才，为疾病的预防、诊断、治疗和人类健康服务。随着大数据技术和人工智能的不断发展，生物医学大数据分析的影响及重要性愈发凸显，只有将生物医学工程专业特点与大数据时代特征有机融合，才能更好地培养出适应数字化时代的创新型生物医学工程专业人才。生物医学工程专业学生处理的生物医学大数据具有量大、结构多样、增长速度快、应用价值高等特点[1]，需要利用计算机和相关软件，对现有生物医学大数据进行挖掘，并发现其在疾病的预防、诊断、治疗中的潜在价值[2]。作为生物医学工程专业核心课程的Python语言具有跨平台、语法简单、可移植等特点，对于培养学生的创新能力，有着举足轻重的作用。本文拟针对Python语言程序设计课程的学科特点和教学现状，探究如何通过理论与实践相结合的教学方法，改进课堂教学，激发学生的创新思维，拓展学生的思维空间，发挥学生的主观能动性，增强学生应用Python语言进行程序设计的能力，从而用所学知识和方法解决实际问题。

一、Python语言的特点与教学现状

Python语言是于20世纪90年代初期由荷兰人吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）开发的开源、面向对象、解释型、跨平台移植的编程语言，具有良好的可读性。因其语法优雅、清晰、简洁、更加接近自然语言，功能强大、编程高效、开源开放，涵盖多种科学计算库、数据处理库以及可视化库等第三方库的诸多显著优势[3]，Python语言已成为数据挖掘以及整个人工智能领域中，许多模型和大部分算法都使用的基础语言，数据的获取、处理、分析、绘图、建模在Python中全都能找到相应的库来进行处理，对学科交叉应用很有帮助。Python语言能快速融合云计算、大数据、人工智能等新型技术，在数据分析、自然语言处理、医学、计算机科学与技术、统计分析、移动终端开发、科学计算可视化、逆向工程与软件分析、图形图像处理、人工智能、游戏设计与策划、网站开发等专业和领域被广泛应用，几乎占领整个数据智能时代，是人工智能和数据分析領域的第一语言，是国际上最受欢迎的程序设计语言。目前，pypi.org网站已提供18万个以上的Python语言项目，从常规的各类软件、Web应用与游戏开发，到高级的科学计算、云计算、操作系统管理与服务器的自动化运维，均可以利用Python语言解决相关应用问题。

Python语言程序设计是生物医学工程专业的必修课程，是该专业学生的必备知识和必须掌握并能熟练运用的技术与技能。Python语言程序设计是一门内容较多、抽象度高、实践性强的课程，要求学生掌握Python语言程序设计基础知识和基本方法；
Python组合数据类型与操作；
Python文件操作；
Python函数和类的定义及调用；
运用第三方库解决实际问题，包括生物医学大数据的获取、处理、分析和可视化等。Python语言程序设计课程可以培养生物医学工程专业学生进行生物医学大数据分析所需的科学素养，促进学生自身专业能力的提升，提高学生应用Python语言程序解决实际问题的能力，增强学生的探索、创新精神，使学生成为适应数字化时代的创新型人才。通过对Python语言程序设计的教学现状和教学实践进行分析，我们发现，目前该课程教学存在以下几个方面的问题。

（一）教学对象

Python语言程序设计课程的教学对象是生物医学工程专业大三学生，这些学生在此之前已经学习过C语言、Java等多种程序设计语言，掌握了基本数据类型、流程控制结构、函数和文件操作等概念。如果仍按部就班依照传统的教学方式授课，很容易使学生陷入语法学习中，不能真正体会并把握Python“轻语法、重应用”的特点，从而缺乏学习兴趣，甚至产生疲倦心理。

（二）教学方式和方法

现有Python语言程序设计的教学多以教师讲授、学生模仿的方式进行，学生习惯于依照教师给出的例子“画瓢”，使其往往只能完成简单的小程序设计，面对较为复杂的实际应用问题时便会束手无策，难以提出有效的解决方案。这种教学方式和方法不利于激发学生的创新思维，使课堂教学效果大打折扣。

（三）教学内容

通常Python语言程序设计教学均以教材章节为主线，“流水线”式简单罗列知识点。实验作业大多是一个一个统一布置的独立的小题目，前后缺乏连续性、整体性[4]，且远离学生的实际应用需要，影响学生将程序设计知识学习转化并升华为程序设计能力。

二、Python语言程序设计教学方法探讨

Python语言程序设计课程实践性强，要求学生掌握的知识点多而杂，学生难以对所学知识融会贯通。Python语言中的创新意识以及创新思维，能够与学生在学习过程中缺失的探索以及自主创新精神互补。如何发挥程序设计语言类课程在生物医学工程专业中的支撑和引领作用，使学生能够利用Python语言有效挖掘、分析和利用生物医学大数据，解决本专业的问题，实现与大数据时代的深度融合，是Python语言程序设计课程面临的挑战。这就促使教师积极探求和改进教学方式和方法，全面提升课堂教学质量，从而达到让学生充分掌握一门程序设计语言的目标。

（一）丰富教学手段

实践证明，采用灵活的教学手段进行课堂教学是提高课堂教学质量的有效途径。教育心理学的相关研究显示，课堂上学生注意力集中的时间是有限的。因此，教师在教学中要善于丰富自己的教学手段，如采用网络、视频、音乐、动画等材料，转换学生的感官体验，增强教学过程中的感性认识，抓取学生的注意力，调动学生的积极性，激发学生的发散思维，引导学生积极主动学习和思考；
借助网络平台的在线教学手段，如国家精品课、微课、MOOC等，使学习变得更加自由和高效；
使用雨课堂等新型智慧教学手段，通过手机微信将教师和学生融为一体，课上实时互动，课下随时交流，可以迅速获取以往需要花费很长时间才能取得的教学反馈，使教师教学更精准，学生学习更便捷。

（二）参与式教学

参与式教学是一种合作式或协作式的教学法，充分体现了以学生为中心的理念，使不同层次的学生都拥有参与和发展的机会。目前，参与式教学常用的方法有头脑风暴法、小组讨论法、角色扮演、案例讨论、影音资料学习、辩论、演讲等。教师可根据课堂规模和教学内容特点选择合适的参与式学习方法，既可以个体参与，也可以团队参与。需要注意的是，不论采取何种方法，都要坚持明确以学习者为中心，积极鼓励学生对疑难问题各抒己见，采用不同的方法解决问题。这种带着问题探求解决方案，让学生有自由思考空间的方法，有利于激发学生学习的积极性、主动性，培养團队协作精神，进而达到使学生充分拥有运用自己智慧的时间和机会，拓展自己的思维空间，增强创新能力的教学效果。

（三）应用TRIZ理论

TRIZ意译为发明问题的解决理论，即通过识别和分类创新解决方案中的模式，使人们获得通常由于专业化或视野狭窄而无法获得的解决方案，是一种非常重要的创新方法的理论体系[5]。TRIZ理论也是一种拓展思维、开阔视野的方法论，目前，TRIZ理论已经被广泛应用于工程领域。在Python语言程序设计的教学过程中，应用TRIZ理论，可加深学生对Python语言知识点的理解，开发学生的创新思维，提升学生的创新意识和创新能力。在Python语言程序设计教学中，教师可运用TRIZ理论分割原理与组合原理，将教学内容与生物医学工程专业学生学过的Java等编程语言的相关内容再组合，将有关联的部分结合起来进行讲授，由浅入深，如由变量到函数、由函数到类、由类到模块，进而进行生物医学大数据的分析处理。在这个过程中，还应让学生不断复习前面所学内容，使其温故知新，进而融会贯通，巩固所学知识内容。

（四）案例教学

案例教学产生于20世纪初[6]，旨在将一系列的实际问题经典型化处理后作为学生的学习案例，供学生讨论、分析和决断，提高学生对知识点的理解和掌握，培养学生的相关能力。实践表明，案例教学是程序设计语言类课程教学的有效方法，在实际教学中被广大教师采用，且收到了良好的教学效果。在Python语言程序设计教学中，教师应选择难度合适、关联性较强的案例，围绕如何应用Python语言进行数据处理、分析、可视化等内容展开教学，在介绍Python语言程序设计基础知识和基本方法时，通过各种小案例的分析演示，加强学生对计算机基础知识以及Python语言基础知识的了解。同时，教师应注意以生物医学工程专业学生的实际需求为导向开展相关教学活动，配合所研讨案例渐进式展开教学，使学生了解生物医学大数据获取、处理、分析和可视化过程中涉及的基本算法及编程思路，避免学生在独立性案例中无法串联相关知识，如对于生物医学工程专业学生常见的表达谱数据，可以采用二维列表、Numpy的Ndarray或Pandas的DataFrame等形式进行存储以及分析，使学生切实掌握Python语言，能够熟练使用常见算法，提高计算思维和创新应用能力以及解决实际问题的能力。

（五）重视实验应用

实验课是程序设计语言类课程的重要环节。Python作为一门实践性较强的计算机编程语言，需要学生将基础理论与实际应用相结合。实验教学设计质量决定学生的实践能力。一个好的实验教学设计，既能帮助学生理解理论知识，又能培养学生的程序设计能力。鉴于Python语言拥有强大的第三方库，教师在教学内容安排上，应将与生物医学工程专业相关的第三方库Numpy、Pandas、Scikit-Learn、Matplotlib、Biopython等作为重点，对数据获取中的Requests、BeautifulSoup和Re等给出简要介绍，实现生物医学大数据的获取、处理、分析及可视化。在实验应用环节，学生可以利用Requests、BeautifulSoup以及Re进行网络数据的获取和解析，或者通过网站的API获取清洗过的数据[7]；
使用Numpy、Pandas、Scikit-Learn、Biopython进行数据处理和分析；
使用Matplotlib绘图展示数据分析结果。同时，教师还要注意鼓励和支持学生通过分析问题、设计算法、编写和调试程序、分析评价结果完成一个自己感兴趣的数据分析工作，选题不作限制，尽量发挥学生的主观能动性，以提高其综合应用能力。

（六）鼓励学生参与学科竞赛和项目开发

在Python语言教学中，教师应注意寻找、善于发现学有余力、有潜质的学生，引导他们踊跃参加各种竞赛活动，如大数据与人工智能竞赛、数学建模竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等赛事或大学生创新创业训练计划项目。研究表明，生物医学工程专业的学生通过参加这些活动，将专业知识和技能付诸实践，有利于知识的融会贯通，进而活跃思维，提高实践应用能力，培养创新能力。

（七）注意教学内容与课程思政的有机融合

Python语言程序设计是专业课程，教师在课堂教学过程中，要紧紧把握立德树人这一目标，在专业课教学中融入和渗透政治思想品德及中华传统文化教育，努力实现知识性与趣味性相结合，功能完善与协调美相结合，格调高雅与积极向上相结合，潜心问道和关注社会相结合，培养学生科学的世界观、人生观、价值观，使学生成为品学兼优的生物医学工程专业人才。

三、结语

随着大数据和人工智能的不断发展，其在生物医学领域的应用也将不断深化。在Python语言程序设计教学中，教师要积极探索有效的教学模式，采用参与式、TRIZ理论、案例教学方法，重视实验应用，将生物医学工程专业教学特点与大数据时代特征有机融合，以提升教学质量，培养生物医学工程专业学生进行生物医学大数据分析所需的科学素养，增强学生的创新能力和解决实际问题的能力，培育出更多适应智能化医疗趋势的创新型生物医学工程专业人才。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘博罕，何昆仑，智光.大数据与人工智能技术对未来医学模式的影响[J].医学与哲学（B），2018，39（11）：1-4.

[2] 王陆，袁睿，杨萌萌，等.大数据背景下关于重症医学研究生培养的思考[J].中国继续医学教育，2019，11（7）：43-45.

[3] 嵩天，黄天羽.Python语言程序设计教学案例新思维[J].计算机教育，2017（12）：11-14.

[4] 王瑞，唐万梅.“MOOC+翻转课堂”的多元化教学模式研究与实践：以《Python语言程序设计》课程为例[J].软件导刊，2019，18（2）：204-207.

[5] 吕立夏，曹金凤，杨文卓，等.TRIZ创新思维对医学生创新创业教育的启示：以同济大学医学院为例[J].创新创业理论研究与实践，2018，1（9）：1-3.

[6] 赵广辉.面向新工科的Python程序设计交叉融合案例教学[J].计算机教育，2017（8）：23-27.

[7] 王婷.大数据采集中常见问题解决策略分析[J].电脑与信息技术，2019，27（6）：36-38.

［责任编辑：刘凤华］

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