焦 純，盧虹冰，張國(guó)鵬，常小紅，見偉平，王 偉

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程是理、工、醫(yī)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科。從事該專業(yè)的本科生一方面需要具有生命科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)；另一方面還需具備醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)研究能力。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的交叉性和綜合性對(duì)其人才培養(yǎng)提出了更高、更全面的能力素質(zhì)要求。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)于計(jì)算教育和計(jì)算思維（computational thinking）的新認(rèn)識(shí)，將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)與信息化教學(xué)模式相結(jié)合，闡述對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程本科教學(xué)進(jìn)行改革的必要性和主要措施。

1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求及教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求

生物醫(yī)學(xué)工程作為一門新興交叉學(xué)科，興起于20世紀(jì)60年代。它是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來(lái)的，涉及生物醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、材料、藥學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等眾多學(xué)科及領(lǐng)域，具有知識(shí)結(jié)構(gòu)交叉跨度大、綜合性較強(qiáng)、各種高新技術(shù)交叉融合、發(fā)展速度快等特點(diǎn)[1-2]。這就對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了較高要求。我國(guó)教育部高等學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)要求本專業(yè)的本科生應(yīng)具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論、寬廣的知識(shí)面、較強(qiáng)的實(shí)踐能力和較高的綜合素質(zhì)，能夠滿足醫(yī)學(xué)電子儀器、醫(yī)學(xué)信息工程、生物材料、醫(yī)學(xué)影像等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)人才。可見，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生應(yīng)具有復(fù)合型的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)和較高的綜合能力素質(zhì)。

1.2 國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科教學(xué)現(xiàn)狀

我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科教育起始于20世紀(jì)70年代末[1，3]，近年來(lái)已有110余所高校開設(shè)了生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)所有開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的高校均已設(shè)定了符合學(xué)科專業(yè)發(fā)展要求和特色的人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建了比較完善的人才培養(yǎng)體系，基本形成了各具特色的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)模式。無(wú)論是理工類院校還是醫(yī)科院校，都能結(jié)合自身的學(xué)科優(yōu)勢(shì)和教學(xué)資源，設(shè)定“重基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、重素質(zhì)”的人才培養(yǎng)模式。同時(shí)，經(jīng)過(guò)近十幾年的教學(xué)改革和探索，目前國(guó)內(nèi)各高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的課程設(shè)置已經(jīng)較為合理，既注重了本學(xué)科復(fù)合型、交叉型知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求，又兼顧了各校自身的教學(xué)資源特色。2006年，我國(guó)還成立了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，從人才培養(yǎng)、教學(xué)內(nèi)容與要求、教學(xué)質(zhì)量控制、教學(xué)評(píng)估及教學(xué)改革等方面指導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科教學(xué)，為本專業(yè)本科教學(xué)的規(guī)范化發(fā)展及改革提供了很好的信息交流平臺(tái)[3]。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)工程本科教育已經(jīng)走過(guò)了初創(chuàng)期，形成了自身的專業(yè)特色和培養(yǎng)模式。

1.3 國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科教學(xué)存在的問題

雖然國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科保持了快速發(fā)展，其本科教育也取得了較好成績(jī)。但是，還應(yīng)看到目前國(guó)內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)工程本科教學(xué)存在以下問題：（1）對(duì)教學(xué)模式和教學(xué)方法的改革不夠深入，教學(xué)方法比較傳統(tǒng)[1]；（2）對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)不夠重視，導(dǎo)致本專業(yè)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的后勁不足。

由于生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)人才需要具有較寬的知識(shí)面和復(fù)合型的知識(shí)結(jié)構(gòu)，因此，國(guó)內(nèi)高校對(duì)其本科教學(xué)一直比較重視課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容方面的改革，但對(duì)如何將新的現(xiàn)代教育理論與本學(xué)科特色相結(jié)合，以進(jìn)一步提升本專業(yè)的教育內(nèi)涵方面還需加強(qiáng)。另一方面，對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生思維能力的訓(xùn)練及培養(yǎng)一直是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，也直接影響了本專業(yè)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的后勁。

2 加強(qiáng)計(jì)算教育，使計(jì)算思維能力培養(yǎng)在本專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用

自從1946年人類歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算科學(xué)已成為推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?005年，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)撰寫了一份題為《Computational Science：Ensuring America Competitiveness》的報(bào)告，報(bào)告著重強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和計(jì)算科學(xué)的重要性，認(rèn)為其能解決21世紀(jì)科學(xué)及經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域最重要和最有前景的前沿研究。為此，2007年以后，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)先后推出了3個(gè)促進(jìn)計(jì)算教育的計(jì)劃，即“振興大學(xué)計(jì)算教育的途徑”（CPATH）計(jì)劃、“計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”（CDI）計(jì)劃及“21世紀(jì)的計(jì)算教育”（CE21）計(jì)劃，這3個(gè)計(jì)劃都專門投入資金推進(jìn)美國(guó)的計(jì)算教育，以加強(qiáng)計(jì)算思維的培養(yǎng)[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的很多知名學(xué)者也對(duì)計(jì)算思維的重要性給予了充分肯定。如孫家廣院士認(rèn)為計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)科學(xué)界的最基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的思想[4，6]。劉克教授也強(qiáng)調(diào)了大學(xué)中進(jìn)行計(jì)算思維能力培養(yǎng)的必要性[4，7]。

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Jeannette Wing教授對(duì)計(jì)算思維的定義進(jìn)行了詳細(xì)描述。她認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來(lái)完成問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并包括涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)范疇的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化[4，8]。

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，計(jì)算科學(xué)早期擔(dān)負(fù)著數(shù)值計(jì)算及生理系統(tǒng)仿真建模等功能。進(jìn)入21世紀(jì)以后，計(jì)算科學(xué)與生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算醫(yī)學(xué)、健康物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域開始逐漸交叉融合。與此相對(duì)應(yīng)，計(jì)算思維也逐漸成為適用于這些生物醫(yī)學(xué)工程交叉領(lǐng)域的通用思維模式，并在學(xué)科發(fā)展中發(fā)揮出日益重要的作用。由此可見，計(jì)算科學(xué)的發(fā)展以及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程的學(xué)科建設(shè)也具有重要意義。

計(jì)算思維是人類三大科學(xué)思維模式之一，它是一種基本的思維方式，其不僅具有通識(shí)教育的特征，而且在生物醫(yī)學(xué)工程的諸多交叉領(lǐng)域中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，在本專業(yè)教學(xué)中加強(qiáng)計(jì)算教育，融入并強(qiáng)化計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，既是當(dāng)前高校通識(shí)教育的重要內(nèi)容，又是提高本專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)的有效途徑，也是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)和教育改革向深層次發(fā)展的應(yīng)有之意和必然選擇。

3 將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)與信息化教學(xué)模式相結(jié)合，開展教學(xué)改革

在生物醫(yī)學(xué)工程本科教學(xué)中突出計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，需要轉(zhuǎn)變?nèi)握n教師的教學(xué)理念，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，將計(jì)算思維能力培養(yǎng)這一主線與信息化教學(xué)模式深度融合?？梢灾攸c(diǎn)從適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的信息化教學(xué)模式的構(gòu)建、教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)的改革及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)等方面進(jìn)行教學(xué)改革。目的是在打牢基礎(chǔ)、拓寬知識(shí)結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)化應(yīng)用能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)之上，進(jìn)一步加強(qiáng)和突出學(xué)生計(jì)算思維能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，使他們能更深刻地感受、理解及模仿計(jì)算及計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維形式，培養(yǎng)其應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決本領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)問題的思維習(xí)慣和應(yīng)用能力。

在生物醫(yī)學(xué)工程本科教學(xué)中突出計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，并不是要推翻現(xiàn)有的教學(xué)模式和內(nèi)容，而是將當(dāng)前國(guó)內(nèi)外教育界關(guān)于計(jì)算教育及計(jì)算思維的最新理論成果和教學(xué)理念與生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)要求相結(jié)合，進(jìn)一步提升本專業(yè)學(xué)生的能力素質(zhì)，增強(qiáng)他們可持續(xù)發(fā)展的后勁，也便于今后與國(guó)際接軌。

3.1 構(gòu)建適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的信息化教學(xué)模式

信息化教學(xué)模式以現(xiàn)代建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，是以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的“雙主”教學(xué)模式。此教學(xué)模式中，學(xué)生不是被灌輸知識(shí)的對(duì)象，而是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的主動(dòng)建構(gòu)者，是信息加工的主體；教師不是知識(shí)的灌輸者，而是整個(gè)教學(xué)過(guò)程和環(huán)節(jié)的幫助者、引導(dǎo)者與促進(jìn)者。顯而易見，信息化教學(xué)模式是一種具有先進(jìn)的教學(xué)理論支撐、適應(yīng)信息時(shí)代背景下素質(zhì)教育要求的現(xiàn)代教學(xué)模式。

計(jì)算思維本身包含了結(jié)構(gòu)化、層次化、程序化的基本含義，是以抽象和自動(dòng)化為手段，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，本質(zhì)上是一種構(gòu)造思維。計(jì)算思維的2個(gè)核心要素是計(jì)算環(huán)境和問題求解，在對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行訓(xùn)練的教學(xué)過(guò)程中，需專門對(duì)能突出計(jì)算思維流程的場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)這一點(diǎn)，基于現(xiàn)代建構(gòu)主義理論的信息化教學(xué)模式具有根本上的優(yōu)勢(shì)。

在構(gòu)建適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的信息化教學(xué)模式的過(guò)程中，應(yīng)注意滿足培養(yǎng)計(jì)算思維的2個(gè)核心要素，即計(jì)算環(huán)境和問題求解。應(yīng)以各種現(xiàn)代教學(xué)媒體、各種信息資源構(gòu)建適合訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)環(huán)境。結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中的不同環(huán)節(jié)及不同實(shí)施方式，可采用不同的信息化教學(xué)模式，各教學(xué)模式之間還可以互相穿插、相互融合，以更好地滿足不同教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的需要。如理論授課中，可以采用講授型教學(xué)模式和討論型教學(xué)模式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以采用合作式教學(xué)模式和研究型教學(xué)模式；在課后學(xué)習(xí)及課外第二課堂中，則可以采用個(gè)別指導(dǎo)教學(xué)模式、自主型教學(xué)模式及研究型教學(xué)模式。在整個(gè)課程的教學(xué)活動(dòng)中，信息化教學(xué)手段要應(yīng)用到課前準(zhǔn)備、課堂授課、課后輔導(dǎo)以及課程考核等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生、教師、教學(xué)信息資源及學(xué)習(xí)環(huán)境4個(gè)要素相互作用，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

需要注意的是，計(jì)算思維的培養(yǎng)更需要學(xué)生具有自主、開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境。在構(gòu)建適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的信息化教學(xué)模式的過(guò)程中，應(yīng)注重突出學(xué)生的主體地位，教師是引導(dǎo)和幫助者，應(yīng)圍繞學(xué)生進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)和建構(gòu)。同時(shí)要重視各種教學(xué)資源的整合，如課程的各種教學(xué)信息資源和可供教學(xué)及學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)，使教學(xué)信息資源和網(wǎng)絡(luò)信息條件圍繞教學(xué)活動(dòng)有機(jī)融合，構(gòu)建適合學(xué)生自主、開放式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)環(huán)境和平臺(tái)。

3.2 探索適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)

綜合來(lái)說(shuō)，在生物醫(yī)學(xué)工程課程中開展信息化教學(xué)模式應(yīng)以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”和“問題解決”作為學(xué)習(xí)和研究活動(dòng)的主線，可以包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)及課外第二課堂等多種教學(xué)形式。應(yīng)著重增加與訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維密切相關(guān)的實(shí)例，尤其是“啟發(fā)式”的應(yīng)用實(shí)例，并將啟發(fā)式教學(xué)法、基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)法（problem-based learning，PBL）教學(xué)法及案例教學(xué)法作為課堂授課的主要教學(xué)方法。

教學(xué)過(guò)程中要突出教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)圍繞訓(xùn)練計(jì)算思維的計(jì)算環(huán)境構(gòu)建和問題求解過(guò)程，專門設(shè)計(jì)適合計(jì)算思維訓(xùn)練的教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)。通過(guò)引入合適的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例及案例，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行抽象，并將著眼點(diǎn)放在問題求解和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上[9-10]。計(jì)算思維是研究如何通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真，將一個(gè)復(fù)雜或困難的問題分解并化簡(jiǎn)為如何求解它的思維方法；是利用啟發(fā)式推理尋求解答的思維方法；是采用抽象和分解的方法來(lái)控制復(fù)雜任務(wù)或大型系統(tǒng)的思維方法[4，8]。因此應(yīng)針對(duì)計(jì)算思維的抽象和自動(dòng)化過(guò)程進(jìn)行專門的教學(xué)設(shè)計(jì)和引導(dǎo)，使學(xué)生能夠反復(fù)訓(xùn)練計(jì)算思維，并應(yīng)用計(jì)算思維來(lái)完成數(shù)據(jù)處理及問題求解。

3.3 構(gòu)建適于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐平臺(tái)

實(shí)踐是訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的最佳方式。應(yīng)結(jié)合本專業(yè)人才培養(yǎng)要求、課程教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分層設(shè)計(jì)。一般可將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為3大類：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和拓展或研究型實(shí)驗(yàn)。這3類實(shí)驗(yàn)也體現(xiàn)了由淺入深的3個(gè)層次?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)用于鞏固課堂所學(xué)知識(shí)及訓(xùn)練基本技能；強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)則更側(cè)重于應(yīng)用能力的訓(xùn)練，同時(shí)融入計(jì)算思維的初步訓(xùn)練；拓展或研究型實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)研究探索，培養(yǎng)其靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)和設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用能力，并主要用于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[10]。此類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)適合進(jìn)行問題抽象及求解思路的訓(xùn)練，能突出計(jì)算思維的構(gòu)建流程；同時(shí)應(yīng)適當(dāng)結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)應(yīng)用，具有一定的趣味性；還需具備一定的難度、深度和廣度，有創(chuàng)新性。

可以采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)和真實(shí)項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程相結(jié)合的方式，構(gòu)建適合計(jì)算思維能力訓(xùn)練及培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)突出對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)問題的抽象和求解過(guò)程及方法，強(qiáng)化計(jì)算思維的構(gòu)建和訓(xùn)練流程，最終能引導(dǎo)學(xué)生逐層深入地解決問題。如可以開設(shè)與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)的獨(dú)立研究型實(shí)驗(yàn)，突出利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)問題的計(jì)算環(huán)境構(gòu)建，及利用計(jì)算思維的基本思維方法解決專業(yè)問題的流程。也可以結(jié)合課程的學(xué)習(xí)，開設(shè)與計(jì)算思維訓(xùn)練相關(guān)的選做實(shí)驗(yàn)，通過(guò)本專業(yè)常涉及的計(jì)算工具（如常用編程開發(fā)軟件、Matlab、LabView、SPSS等）進(jìn)行編程或建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)問題的求解。還可以鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程的學(xué)習(xí)或課外科研任務(wù)的需求，設(shè)計(jì)并開展自選實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算科學(xué)跨學(xué)科交融的深入，在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的人才培養(yǎng)中加強(qiáng)計(jì)算教育已成為一種必然趨勢(shì)。因此將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)與信息化教學(xué)模式相結(jié)合，開展教學(xué)改革，有助于增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的能力素質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的后勁，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展、提升教育內(nèi)涵的一項(xiàng)有益嘗試。

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