張帆　鄒顯春

關(guān)鍵詞：大學計算機基礎(chǔ);計算思維;生物信息學;Python

中圖法分類號：TP391 文獻標識碼：A

當今，生物技術(shù)是關(guān)鍵的前沿技術(shù)之一。隨著基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展和測序數(shù)據(jù)的大量獲取，生物技術(shù)科學已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代。面對海量的生物數(shù)據(jù)，運用計算機技術(shù)分析數(shù)據(jù)和找出基因、蛋白質(zhì)編碼信息等問題的生物信息學（Bioinformatics）應(yīng)運而生。同時，這也對生物信息學專業(yè)學生的計算機知識和技能提出了更高的要求，特別是要求其具有一定的編程基礎(chǔ)和編程能力，能根據(jù)自己的需要使用程序表達式在生物數(shù)據(jù)庫中查找和定位基因信息、改寫或?qū)懗鲞m合自己需要的數(shù)據(jù)處理程序。

大學新生入學后必修的一門計算機課程就是“大學計算機基礎(chǔ)”，其作為大學新生的計算機入門課程，不僅要普及計算機技術(shù)知識，還應(yīng)加強計算機在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，最終達到讓學生利用計算機來解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力。在生物專業(yè)新生的“大學計算機基礎(chǔ)”課程中引入Python程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識和技巧，可以在一定程度上滿足該專業(yè)學生對計算機程序設(shè)計的需求，為他們將來在生物信息學方向的發(fā)展打下初步的和編程基礎(chǔ)。本文針對生物專業(yè)的大學新生，通過在“大學計算機基礎(chǔ)”課程中引入Python編程，希望借此實現(xiàn)對生物信息學人才的培養(yǎng)。

1計算思維與Python程序設(shè)計

“大學計算機基礎(chǔ)”（Fundamentals of Computers）是根據(jù)教育部計算機基礎(chǔ)教學指導(dǎo)委員會的要求開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程，是大學各專業(yè)新生的第一門計算機課程，也是本科各專業(yè)學生必修的公共基礎(chǔ)課程?！按髮W計算機基礎(chǔ)”課程的發(fā)展經(jīng)歷了“計算機文化基礎(chǔ)”“大學計算機基礎(chǔ)”到計算機基礎(chǔ)課建設(shè)的熱點———隨著“計算思維”的演變，教學內(nèi)容從最初的計算機操作，發(fā)展到計算機原理、解決問題和編程學習。早期的“大學計算機基礎(chǔ)”課程主要講授一些和計算機相關(guān)的軟硬件基礎(chǔ)知識，以基本應(yīng)用為主，并沒有過多涉及程序設(shè)計的內(nèi)容。但在2010年九校聯(lián)盟（C9）發(fā)布“計算機基礎(chǔ)教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”之后，為了能在課程中向?qū)W生傳遞計算思維的理念，在“大學計算機基礎(chǔ)”課堂上適當增加基礎(chǔ)程序設(shè)計內(nèi)容已經(jīng)是各大高校的共識，借此培養(yǎng)學生使用簡單的程序設(shè)計語言來描述問題、解決問題等計算思維理念?！坝嬎闼季S”的概念是卡內(nèi)基梅隆大學的周以真（JeannetteM.Wing）教授提出并加以解釋的。當前，把培養(yǎng)學生的計算思維能力作為目標，已經(jīng)成為大學計算機教育工作者的共識，而培養(yǎng)計算思維的最好方式就是學習編程。

《大學計算機基礎(chǔ)課程教學基本要求》（2016版）指出：計算思維的核心概念是經(jīng)過高度概括和理論總結(jié)的思維，其培養(yǎng)要滲透在傳授學科知識、訓(xùn)練應(yīng)用能力的過程中。長期以來，高校對非計算機專業(yè)學生開設(shè)的程序設(shè)計課程普遍是C語言，教學內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)類型、函數(shù)、指針和控制結(jié)構(gòu)等知識。由于非計算機專業(yè)學生不具備計算機體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，C語言課程在教學中會出現(xiàn)一些問題，也給學生帶來一定的學習難度———學習的入門周期相對長、門檻相對高，無法短期滿足非計算機專業(yè)學生在后續(xù)計算機應(yīng)用中繼續(xù)使用C語言來方便、快速地解決問題。所以，對于低年級大學生，尤其非計算機專業(yè)的學生，選擇一門入門難度低、學習難度曲線適中、功能強大、應(yīng)用范圍廣的程序設(shè)計語言非常重要。

Python程序設(shè)計由于語法簡潔、清晰、易讀，具有豐富的類庫，是一種非常適合低年級及非計算機專業(yè)大學生學習、培養(yǎng)其計算思維能力的編程語言。目前，Python程序設(shè)計擁有超過十萬個類庫，涵蓋各專業(yè)，應(yīng)用非常廣泛。這些豐富的類庫使Python程序設(shè)計在教學中適用于各專業(yè)、各層次的學生，可以降低學生學習程序設(shè)計的難度，提高學習興趣，所以用Python程序設(shè)計替代非計算機專業(yè)學生學習C語言是程序設(shè)計課程發(fā)展的必然趨勢。另外，Python程序設(shè)計是一種解釋性編程語言，其特點是輕語法、重解決問題。運用Python程序設(shè)計，可以讓非計算機專業(yè)學生利用各種類庫提供的工具模塊快速編寫程序，確保其將更多的精力放在要解決的問題上，而不是將大量的時間耗費在學習編程的語法知識及編寫不必要的代碼上，這更利于解決實際問題，也能更好地服務(wù)于專業(yè)。

根據(jù)教育部高等學校教學指導(dǎo)委員會提出的“‘大學計算機基礎(chǔ)課程教學基本要求”，以Python程序設(shè)計課程教學目標為指導(dǎo)，在面向生物專業(yè)的“大學計算機基礎(chǔ)”課程教學中，增加Python程序設(shè)計內(nèi)容，確定“以思維培養(yǎng)為主體，以培養(yǎng)解決問題能力為核心，以服務(wù)專業(yè)為目標”的課程教學定位，突出生物專業(yè)的自身特點與需求，學會用Python程序設(shè)計來模擬和解決生物學中的一些問題，讓學生能將所學編程知識轉(zhuǎn)化為能力，以達到培養(yǎng)學生計算思維的能力，讓學生真正掌握利用計算機解決專業(yè)問題的通用方法。

2Python程序設(shè)計在生物信息學人才培養(yǎng)中的建構(gòu)與實踐

2.1教學建構(gòu)路徑

以西南大學的“大學計算機基礎(chǔ)”課程為例，總課時分為：理論40課時、實驗36課時。根據(jù)課程定位與目標，我們對“大學計算機基礎(chǔ)”課程的教學內(nèi)容和課時分配做了部分調(diào)整，將其分為“計算機基礎(chǔ)知識”和“Python程序設(shè)計入門”兩部分。其中，“計算機基礎(chǔ)知識”的課時占比為3/5，“Python程序設(shè)計入門”的課時占比為2/5。

面對學生入校時計算機水平不同的問題，“計算機基礎(chǔ)知識”部分的教學內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)、辦公數(shù)據(jù)處理、計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等。這部分可以根據(jù)內(nèi)容的不同，對學生加以區(qū)分和采取不同策略。從教學要求出發(fā)，課程內(nèi)容可分為需了解的與需掌握的內(nèi)容;從學習內(nèi)容難易出發(fā)，課程內(nèi)容可分為可自學的內(nèi)容、需講解的內(nèi)容;在課程內(nèi)容組織的過程中，對于了解性的、可自學的、概念型、資源豐富的內(nèi)容，簡化課堂內(nèi)容，以課外自學為主;對于需講解和總結(jié)的內(nèi)容，以課堂重點講解相關(guān)知識為主，課外學習和擴展為輔，這樣就能高效、充分利用課時完成“計算機基礎(chǔ)知識”部分的內(nèi)容學習。余下的課時，則分配到“Python程序設(shè)計入門”部分。

Python程序設(shè)計作為“大學計算機基礎(chǔ)”課程的一部分，進行學習時不同于單獨的程序設(shè)計課程，其學習的主要內(nèi)容涉及Python的安裝、基礎(chǔ)語法、程序控制結(jié)構(gòu)、基本算法、組合數(shù)據(jù)類型及文件讀寫等;根據(jù)生物專業(yè)的特點，講解和編寫生物信息方面的實例和程序，讓學生結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)知識綜合地開展Python程序設(shè)計學習。這樣不僅有利于編程在生物專業(yè)中的教學，還有利于學生理解Python程序設(shè)計的知識點，以及在本專業(yè)的實際應(yīng)用，達到學以致用的目的;遵循循序漸進的原則，讓學生逐步提高編寫Python程序的能力、提高使用計算機解決問題的能力。

2.2教學內(nèi)容實例化

程序設(shè)計是一門實踐性很強的課程，整個教學過程需要充分體現(xiàn)理論教學融于實例、實例貫穿教學等理念。在學習理論知識后，學生需要在課后和實驗課中上機實踐，以練習來鞏固對知識點的理解。這樣能夠及時解答學生對教學內(nèi)容的疑問，使教師更容易開展Python程序設(shè)計的互動教學活動，也使學生在學習和能力培養(yǎng)兩方面都受益。教學重點是讓學生將所學的編程知識轉(zhuǎn)化為解決問題的能力，從而培養(yǎng)學生的計算思維能力，真正掌握利用計算機解決問題的通用方法。

在教學的過程中，要圍繞以培養(yǎng)生物信息學專業(yè)人才為目標，根據(jù)教學內(nèi)容和生物學的特點精心選取并設(shè)計教學案例，以實例引導(dǎo)學生由淺入深地逐步解決問題;充分利用Python程序設(shè)計的優(yōu)勢，讓學生感受到Python程序設(shè)計的簡單和易懂，培養(yǎng)學生的編程興趣，提升學生解決問題的能力;以解決專業(yè)問題的教學實例來講解Python程序設(shè)計的語句、控制結(jié)構(gòu)等，更能激發(fā)學生對Python程序設(shè)計課程的興趣。

例如，利用Python程序設(shè)計的字符串切片功能String[：：[k]]，可以編寫出切取DNA序列中的一個片段或者對DNA序列進行逆序排列，這正好反應(yīng)出生物專業(yè)上對DNA序列鏈進行局部切取或得到DNA的反鏈：

DNA轉(zhuǎn)錄是遺傳學中的一個重要過程，這是信息從DNA流向RNA的過程。當DNA轉(zhuǎn)錄為RNA時，就是把DNA中核苷酸的T（胸腺嘧啶）替換為U（尿嘧啶），轉(zhuǎn)錄功能很容易使用Python字符串的replace（old，new）方法來實現(xiàn)：

生物學上需要對一條DNA鏈做某些統(tǒng)計分析，比如需要記錄核苷酸中A（腺嘌呤），G（鳥嘌呤），C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）堿基的個數(shù)，可以采用for?in循環(huán)來統(tǒng)計出一條DNA鏈中核苷酸的個數(shù)：

以上都是通過生物信息學知識來講解Python程序設(shè)計的實例，可以看出Python語句簡單易懂，對非計算機專業(yè)學生來說難度較小。這些程序?qū)嵗粌H結(jié)合了專業(yè)知識，而且由淺入深地使用了Python程序設(shè)計語言的基本語句和語法結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學生理解和掌握程序設(shè)計在生物信息領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步培養(yǎng)通過編程來解決問題的理念和能力。

3教學效果分析

將Python程序設(shè)計引入“大學計算機基礎(chǔ)”課程中，特別是以圍繞解決生物信息學的專業(yè)問題來設(shè)計的Python程序設(shè)計實例，提高了非計算機專業(yè)學生學習編程的興趣，增加了教與學雙方的互動。通過對學生進行問卷調(diào)查———共發(fā)放和收集了108份問卷，問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果顯示，88%的學生之前沒學過任何程序設(shè)計語言;3.7%的學生以前接觸過Python程序設(shè)計;78.7%的學生認為能在學習Python程序設(shè)計的編程中幫助自身增加和鞏固生物信息學中的一些專業(yè)知識;69.4%的學生對用Python程序設(shè)計來解決生物信息學中的問題（如DNA鏈互補、核苷酸計數(shù)等）感興趣;88%的學生覺得有必要在“大學計算機基礎(chǔ)”課程中引入Python程序設(shè)計知識為將來的生物信息類專課程學習或更進一步學習編程做鋪墊。

用專業(yè)問題進行實例化來引導(dǎo)學生學習Python程序設(shè)計，從基本語句開始、到逐步深入的程序結(jié)構(gòu)和控制以及問題的解決，對學習程序設(shè)計有很大的幫助。這種圍繞專業(yè)知識問題來學習程序設(shè)計的教學模式，能有效提升學生的主動學習能力和問題求解能力，也更能體現(xiàn)計算機學科和生物學科之間的學科交叉和相互貫通。

4結(jié)束語

因程序設(shè)計自身具有邏輯嚴謹、實踐性強的特點，適合作為培養(yǎng)學生計算機思維能力的課程，適合學生依托程序設(shè)計來解決專業(yè)問題，培養(yǎng)和提高自身的創(chuàng)新能力。在生物專業(yè)的“大學計算機基礎(chǔ)”課程中加入程序設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容，并以Python程序設(shè)計圍繞專業(yè)知識進行實例化編程的教學更容易激發(fā)學生的學習興趣和求知欲，能更好地理解程序設(shè)計如何具體解決本專業(yè)的問題，能培養(yǎng)學生使用計算機來解決問題和處理問題的理念和能力。但是由于課時限制，也有少數(shù)學生反應(yīng)學習Python程序設(shè)計有困難，這個問題可以在以后的教學內(nèi)容和進度中加以調(diào)整來解決，或在后期通過單獨的Python程序設(shè)計選修課來解決。雖然本文是通過Python程序設(shè)計為生物信息學人才培養(yǎng)進行的探索和實踐，但也希望可作為“大學計算機基礎(chǔ)”課程在其他專業(yè)人才培養(yǎng)中的一個參考與借鑒。

作者簡介：

張帆，男，講師，研究方向：計算機教育、教育技術(shù)。