面向醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)方法研究

朱映雪 李麗 劉明友 雷宇 貴州醫(yī)科大學(xué)

一、引言

隨著數(shù)據(jù)信息化和數(shù)據(jù)智能化在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，近年來(lái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)呈爆炸式加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨著“智慧醫(yī)療”[1]和“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)的推進(jìn)產(chǎn)生了大量的具有潛在價(jià)值的數(shù)據(jù)，如何有效地把控?cái)?shù)據(jù)全貌、快速有效地挖掘數(shù)據(jù)背后潛在的信息對(duì)于醫(yī)療甚至是社會(huì)中各行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的背景下，數(shù)據(jù)挖掘已然作為“智慧醫(yī)療”領(lǐng)域強(qiáng)有力的優(yōu)秀技術(shù)，對(duì)于醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的改善、有效降低醫(yī)療成本、強(qiáng)化個(gè)性化健康管理具有重要意義。

醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)屬于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與信息技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的新型工科[2]，基于大數(shù)據(jù)背景及“智慧醫(yī)療”構(gòu)建的條件下，該專業(yè)的發(fā)展方向主要是通過(guò)對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的挖掘分析任務(wù)，有效降低醫(yī)療成本、強(qiáng)化個(gè)性化健康管理以及推動(dòng)“智慧醫(yī)療”的發(fā)展，因此在數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)過(guò)程中更應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，從而提升學(xué)生能夠高效的將所學(xué)的課程知識(shí)合理、創(chuàng)新地應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

本文針對(duì)現(xiàn)行數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃，提出了面向醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的實(shí)踐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)課程教學(xué)方法，讓學(xué)生能夠有效投入到課程學(xué)習(xí)中，提高課程趣味性，讓學(xué)生能夠掌握并熟練應(yīng)用所學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)，從而達(dá)到培養(yǎng)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

針對(duì)不同專業(yè)，任課教師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程進(jìn)行了某些探索和改進(jìn)，劉波等人對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程的實(shí)踐教學(xué)給出了完整的教學(xué)內(nèi)容以及詳細(xì)的評(píng)價(jià)考核方式，并在教學(xué)中獲得較好的效果。關(guān)鵬等人探索了統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以R語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)，通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提升學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[3]。黃浩等人提出在數(shù)據(jù)挖掘課程中通過(guò)案例貫穿教學(xué)和能力拓展比賽等教學(xué)方法提升學(xué)生的數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`和創(chuàng)新能力[4]。但是，數(shù)據(jù)挖掘課程由于教學(xué)任務(wù)重、該領(lǐng)域教師多年形成的科研領(lǐng)域以及課程講授習(xí)慣等原因，老師在數(shù)據(jù)挖掘課程講授過(guò)程中更注重自己講解，特別是理論知識(shí)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的講解，且傾向于模式化的訓(xùn)練，從而在一定程度上使該課程的教學(xué)存在著缺乏交流互動(dòng)、缺乏課程興趣和缺乏實(shí)踐創(chuàng)新等能力的問(wèn)題，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的開(kāi)設(shè)是將醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與信息技術(shù)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行交叉融合，為后續(xù)的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑，與信息化社會(huì)的發(fā)展高度契合。2003年國(guó)家對(duì)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)進(jìn)行宏觀的規(guī)劃，將其列為高等教育專業(yè)目錄外的新工科專業(yè)；2012年又將該專業(yè)劃為特設(shè)專業(yè)。但是目前醫(yī)學(xué)信息專業(yè)人才培養(yǎng)模式尚不成熟，因此招生數(shù)量相對(duì)較少[5]，其涉及到的專業(yè)相關(guān)課程體系設(shè)計(jì)、教學(xué)方式比較滯后，所涉及的課程教學(xué)集中在信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及信息系統(tǒng)管理等方面，部分院校涉及圖書(shū)情報(bào)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)等內(nèi)容，綜上所述可以發(fā)現(xiàn)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的培養(yǎng)方式仍是以傳統(tǒng)的教育模式為主，偏重于理論的學(xué)習(xí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力具有一定的局限。

三、教學(xué)改革方法

（一）理論教學(xué)改革方法

數(shù)據(jù)挖掘是一門新興的交叉融合型學(xué)科，融合了多門學(xué)科的知識(shí)，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、并行計(jì)算和分布式計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等[6]。數(shù)據(jù)挖掘課程的特點(diǎn)是內(nèi)容比較新穎、覆蓋領(lǐng)域廣泛、同其他課程的交叉性較強(qiáng)、課程內(nèi)容難度較大等，尤其對(duì)于醫(yī)學(xué)信息工程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，如何將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是專業(yè)的重要培養(yǎng)目標(biāo)之一，由于數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)內(nèi)容往往偏重于對(duì)算法理論和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行講解和推導(dǎo)，傳統(tǒng)的理論教學(xué)講授方式對(duì)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)內(nèi)容枯燥、課程趣味性低，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

綜上所述，本文從以下兩點(diǎn)進(jìn)行理論教學(xué)方法的改進(jìn)：第一，為了解決內(nèi)容枯燥，課程趣味性低等問(wèn)題，在理論教學(xué)過(guò)程中，以案例貫穿整個(gè)教學(xué)，比如在講到分類器時(shí)，通過(guò)醫(yī)學(xué)診斷病癥（陽(yáng)性，陰性）的案例讓學(xué)生了解到二分類是什么，由于醫(yī)學(xué)信息工程的學(xué)生在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有一定的基礎(chǔ)，通過(guò)案例中的“假陽(yáng)率”讓他們了解到在數(shù)據(jù)挖掘的二分類問(wèn)題中同樣存在誤判的情況，從而引出分類器的評(píng)估問(wèn)題，在引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，激發(fā)他們?nèi)ニ伎?，久而久之，能夠培養(yǎng)出一定的創(chuàng)新思維；第二，為了培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，可以通過(guò)給學(xué)生布置階段大作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如檢索近年來(lái)深度學(xué)習(xí)算法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的優(yōu)秀論文，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，這樣可以更好地讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)合理、創(chuàng)新地應(yīng)用于具體問(wèn)題，同時(shí)一定程度上擴(kuò)展了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的總結(jié)能力，通過(guò)總結(jié)和思考，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)得到了有效提升。

（二）實(shí)踐教學(xué)改革方法

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)中通常傾向于理論講解，學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，尤其對(duì)于醫(yī)學(xué)信息工程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，編程實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，因此學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)合理、創(chuàng)新地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)信息領(lǐng)域比較困難。

為了解決數(shù)據(jù)挖掘課程的實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題，本文提出了以下幾點(diǎn)改進(jìn)：在實(shí)踐過(guò)程中鼓勵(lì)將“站在巨人的肩膀上”和自力更生結(jié)合起來(lái)解決問(wèn)題的教學(xué)模式：（1）讓學(xué)生去搜集當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最常用和最有效的數(shù)據(jù)挖掘算法和工具，關(guān)注其中重要的庫(kù)和算法函數(shù)，例如Python語(yǔ)言中的SKlearn庫(kù)和該庫(kù)中的樸素貝葉斯算法、決策樹(shù)算法、回歸算法等；（2）并且能夠靈活使用編程語(yǔ)言將這些算法進(jìn)行整合和改進(jìn)，做到實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)算法到算法改進(jìn)的有效應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)；（3）使用自己擅長(zhǎng)的編程語(yǔ)言復(fù)述庫(kù)中的經(jīng)典算法；（4）第一，對(duì)于現(xiàn)有庫(kù)中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的算法功能，要能夠使用Java、C++、Python 等語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自己的算法需求；第二，鼓勵(lì)學(xué)生參加數(shù)據(jù)挖掘競(jìng)賽，如KDD CUP，全國(guó)大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新大賽、Kaggle及數(shù)學(xué)建模大賽等，以更好地?cái)U(kuò)展學(xué)生的實(shí)踐能力；第三，可以參照Kaggle等設(shè)計(jì)比賽場(chǎng)景、搭建比賽環(huán)境，從而提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

四、課程考核體系

為了課程教學(xué)培養(yǎng)的有效性實(shí)施，提出了新的課程考核體系。課程考核由兩大部分構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)、期末成績(jī)。對(duì)于平時(shí)成績(jī)，為了有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，除了常規(guī)的平時(shí)練習(xí)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、上課互動(dòng)情況及考勤情況以外，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘?qū)W科特點(diǎn)，加入了能力拓展比賽的成績(jī)考核模式，即結(jié)合課程內(nèi)容和進(jìn)度設(shè)計(jì)實(shí)際的數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題場(chǎng)景，讓學(xué)生以小組形式參加比賽，對(duì)于表現(xiàn)良好的學(xué)生予以一定的成績(jī)作為鼓勵(lì)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生加深自己對(duì)相關(guān)問(wèn)題的分析與思考，改進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題的解決方案，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的積極性、成就感，提升教學(xué)成果。該考核模式有效提升了學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)學(xué)生在比賽中的思考能夠有效的培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，因此該考核模式的加入使得課程的趣味性更強(qiáng)，也更有利于學(xué)生在相對(duì)真實(shí)的環(huán)境中鍛煉并提升數(shù)據(jù)挖掘能力。

五、總結(jié)

隨著醫(yī)療、金融、電商等社會(huì)各領(lǐng)域的信息化數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)，掌握數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)必定是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一。在這樣的背景下，以培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)信息人才為目標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘理論及實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探索和研究。本文從學(xué)科專業(yè)的發(fā)展、課程教學(xué)的發(fā)展等方面出發(fā)，同時(shí)結(jié)合醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)所開(kāi)設(shè)課程的實(shí)際需求，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程的理論和實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行了論述和探索，提出了相關(guān)教學(xué)方法的改進(jìn)方案，對(duì)進(jìn)一步提高面向醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)質(zhì)量和相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)方法探索具有主要的意義。