基于计算思维的医学生“数据结构”课程教学研究*

武文芳 陈 卉* 杜 菁 李 宁

[文章编号] 1672-8270(2015)09-0028-04 [中图分类号] R192 [文献标识码] A

基于计算思维的医学生“数据结构”课程教学研究*

武文芳①陈 卉①*杜 菁②李 宁②

[文章编号] 1672-8270(2015)09-0028-04 [中图分类号] R192 [文献标识码] A

目的：为加强医学生计算思维的培养，对“数据结构”课程的教学进行探索研究。方法：在教学内容中增加了算法设计和分析，以及软件工程的知识，并加强了课程各章节内容与医学专业的联系，将传统的考核方式改革为小组期末大作业的形式。结果：通过教学内容的拓展、课堂实践的加深及课程考核方式的改革，更加注重学生实践能力的培养。结论：通过教学研究激发了学生的学习兴趣，提高了医学生的计算思维。

计算思维；医学生；数据结构；计算机

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

随着计算机及其应用技术的飞速发展，计算机在医学领域中的应用越来越广泛，掌握计算机基础知识和应用技能，已成为现代医学人才必备的基本素质。而对于医学院校的学生，除了掌握专业的医学知识和技能，在当今信息化高速发展的时代，海量医学信息的分析处理是医学生进入临床工作所要面临的巨大难题。如何培养医学生用科学的思维方式去解决医学问题，是基础阶段教育需要思考的问题。

2006年，美国卡内基·梅隆大学教授阐述了计算思维，2010年中国科学技术大学“第六届大学计算机课程报告论坛”倡议将计算思维引入大学计算机基础教学中[1]。2012年教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会联合全国高等学校计算机教育研究会和中国计算机学会教育专业委员会召开了主任(理事长)会议，形成了“积极研究和推进计算思维能力的培养”的意见，计算思维在国内计算机基础教育领域得到了广泛重视[2-4]。

计算思维是一种科学思维，与理论思维和实验思维一起构成了推动人类发展的三大思维，是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计及人类行为理解等一系列思维活动[5-6]。要想很好地求解实际问题，构建出一个“好”的系统，必须分析待处理对象的特性及各个处理对象之间存在的关系，这就是“数据结构”这门课程所讲授的内容[7-9]。而“数据结构”是一门关于计算思维方法的课程，是典型的计算思维课程，涉及大量的数据逻辑结构、存储结构及数据算法的研究[10-11]。因此，本研究在新的形势下，为了培养全面发展的复合型医学人才，提升其计算思维能力，对“数据结构”课程的教学进行探索研究。

1 教学内容的研究

为了培养医学生的计算思维，将知识的讲授与素养的培养贯穿于“数据结构”课程的整个教学过程中，在课程内容上增加了算法设计和分析的内容，以及软件工程的知识，通过简单的求最大公约数的实例引入算法描述工具(流程图、N-S图)的知识，使医学生了解如何用简单明了的方法来描述实际问题，使其将来在临床工作中遇到复杂问题时能够使用通俗易懂的流程来描述，提高其专业素养。

通过算法分析内容的讲解，使学生明白不同的算法其时间效率和空间效率是不同的，在临床工作中要兼顾时间和空间最佳地设计治疗方案以及开展科研工作。通过软件工程知识的讲授，让学生明白一套软件系统从开始筹备到实际的应用、维护的整个软件生存周期包括问题定义、可行性研究、需求分析、总体设计、详细设计、编码和单元测试、综合测试、正确维护、适应性维护以及完善性维护诸多环节，每个环节有其各自的描述工具和分工，让学生进入临床后能理性地使用医院的各个软件系统，规范地操作临床医疗设备，更好地与临床工程师沟通，并在科研工作中凝练出更加科学的临床问题[12](如图1所示)。

图1 软件生存周期分工示意图

在对医学生讲授各章内容时，不只是让学生学习课本上的典型例题，更多的是结合医学专业讲授各部分内容。在讲“线性表”时通过医院信息系统(hospital information system，HIS)中患者信息表的建立、插入、删除及更新等操作讲授线性表的知识，并通过实例演示线性顺序表和线性链表的存储和操作算法的不同，对比不同链表的优缺点(见表1)。

表1 各种链表的比较

在对医学生讲授“队”的知识时引入医院挂号系统的操作流程来讲解入队(排在队尾等待挂号)、出队(挂号成功)、显示队中元素及长度(前面还有多少人在等待)的操作。讲授“栈”的内容时引入HIS中物流管理环节中对药品库的操作，通过讲解药品的入库、出库、查询及显示库存来讲解栈的存储和各项操作。讲授“树”的知识时，引入医院行政系统的管理模式来讲授从树根到叶节点的建立、遍历等操作。通过远程医疗网络系统的示例来讲授如何在最短时间或最短路途的情况下从“图”中找到最优路径以便获得最佳的医疗资源。

当每章内容讲授完毕会给医学生布置课后作业，让同学自己查找生活中数据结构的实际应用以及会用到哪些操作，如果学生想用算法去实现此应用会用哪种存储结构，目的是引导学生探究问题求解的思路和方法，提高计算机素质和思维。

2 考核方法的改革

由于医学生的课业任务重，而开设的“数据结构”课程不是考试课，为了避免课程内容多而杂，实践性又强，学生容易感到内容难以理解，算法难以设计，从而对本课程失去学习信心，本研究将该课程的考核形式由传统的笔试考试改为期末综合大作业，要求学生可以3人一小组，结合实际生活完成一个问题的求解，包括问题的描述、采用的数据结构和存储结构、算法流程图以及结果运行情况，并要求按照论文的格式书写，其作业要求模板如图2所示。

图2 “数据结构”期末作业模板图

将优秀的作业装订成册发给学生观摩学习，将学生的期末大作业和平时成绩按一定比例(7∶3)计算后给出5分制的最终成绩。通过大作业的完成，使学生对问题的求解全过程有了深刻的认识，能够将数据结构的理论知识应用到实践中，激发学习兴趣，增加成就感，提高医学生的计算思维。

3 科研工作中的应用

本研究不仅在课程学习中注重学生对理论的理解，培养学生的抽象思维和创新能力，还将老师科研中与课程知识相关的内容引入到学生的学习中，指导学生参与到老师的科研中，使其通过更加实际的科研工作夯实和拓展课堂知识，提高学生的实际动手能力，培养学生高效地组织、存储和处理数据的思维方法，指导其设计出结构清晰、正确易读及高质量的算法，从而为后续课程的学习以及未来工作开展打下坚实的理论和实践基础。

本研究与学校附属临床医院合作，指导学生将所学知识应用到本科生科研训练中，开发了肝病预警平台(如图3所示)。

图3 用户平台界面图

在系统开发过程中，学生在老师指导下运用所学的知识对系统进行了问题定义、可行性研究及需求分析，明确了临床医生的需求，对临床数据进行了数据结构分析，确定了数据模型，建立了后台网络数据库，并运用动态服务器页面(active server page，ASP)技术开发了肝病预警网络平台，通过该平台，用户可以了解到关于肝病治疗方面的最新研究进展，医生可以随时查询和建立患者的病历信息；同时还可为患者提供治疗和康复的建议；全国各地医生也可以直接在网上进行交流讨论；患者及其家属也可以随时查询和建立患者的病历信息，进行肝病分级测试，同时还能向医生咨询(如图4所示)。

图4 “用户登录”界面图

4 结论

“数据结构”是学习计算机及相关专业的重要理论基础课程，是学好计算机程序设计的理论和技术基础，数据结构课程的主要目标是培养学生的数据抽象能力和程序设计能力[13]。但由于其内容抽象难懂，传统的教学很难使学生较好的掌握该门课程的内容，尤其是一些难点内容，学生更是感到晦涩难懂[14]。针对教学中发现的各种问题，本研究在教学过程中不断改革探索，调整了教学内容，改革了考核方式，增加了与医学实践相结合的知识内容，经过三届的数据结构教学改革实践，取得了良好的教学效果，学生不仅学习了理论知识，还学会了通过查找资料、小组讨论及实践等多种方式进行自主学习，培养了学生的主动学习能力。同时学生清楚了数据结构的重要性，提高了学生的数据抽象能力和程序设计能力，使得学生能够理论联系实际，根据实际问题编写出好的算法和程序[15]。同时，本研究在学生的科研训练中引入数据结构的知识帮助学生分析研究对象，作出合理的需求分析，采用科学的数据结构及算法来存储分析医学数据，获得满意的研究成果，使得科研工作取得事半功倍的效果。进入临床阶段的医学生反映，学完“数据结构”这门课程后在临床工作中遇到困难时不再没有头绪，会用“数据结构”所学的知识去分析各种信息以及各种软硬件系统的操作流程，从而加快了临床技能的培养与学习。

“数据结构”课程的教学研究表明，教师不仅是知识的传递者，而且是学生学习的激发者，为了大力提高学生的实践能力和知识应用能力，仍需要不断更新教学手段，在教学中真正将知识作为载体，实现思想和方法的传授。

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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。首都医科大学生物医学工程学院生物医学信息学系计算机教研室，从事计算机科学与技术工作。

2015-03-24

北京市青年拔尖人才培养计划(CIT&TCD201304178)“基于数据挖掘技术的重型肝炎肝衰竭预后判断模型及治疗决策网络系统的研究”

①首都医科大学生物医学工程学院生物医学信息学系计算机教研室 北京 100069

②首都医科大学生物医学工程学院计算机实验室 北京 100069

*通讯作者：chenhui@ccmu.edu.cm

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.09.009