新工科背景下計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)交叉的實(shí)踐教學(xué)體系研究

丁平尖 羅凌云 陳銀香

摘? 要： 健康大數(shù)據(jù)與數(shù)字醫(yī)療的出現(xiàn)使得對(duì)復(fù)合型的新工科專(zhuān)業(yè)人才需求更加迫切。要發(fā)展新工科的專(zhuān)業(yè)建設(shè)，必須結(jié)合我國(guó)發(fā)展現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的要求，培養(yǎng)服務(wù)于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才。利用先進(jìn)的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)改造傳統(tǒng)的生命科學(xué)，有助于探索疾病發(fā)病機(jī)制，藥物快速研發(fā)，疾病防疫等。文章討論了發(fā)展生物醫(yī)學(xué)信息化技術(shù)的新內(nèi)涵，研究了建設(shè)生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)交叉的實(shí)踐教學(xué)體系，探討了新型醫(yī)學(xué)信息技術(shù)人才的培養(yǎng)路徑。

關(guān)鍵詞： 實(shí)踐教學(xué)體系; 信息技術(shù); 生命科學(xué); 新工科

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）07-114-03

Research on the practical teaching system of cross-subject specialty of computer

and life science for New Engineering Education

Ding Pingjian， Luo Lingyun， Chen Yinxiang

（School of Computer Science， University of South China， Hengyang， Hunan 421001， China）

Abstract： The emergence of health big data and digital medicine makes the urgent demand for the compound talents in the specialties for New Engineering Education. In order to develop and construct the specialties for New Engineering Education， the requirements of the development of modern medicine should be considered to cultivate professional and technical talents serving modern medicine. Using artificial intelligence and big data technology to transform the traditional life science is helpful to explore the pathogenesis of disease， accelerate drug research and prevent disease， and so on. Therefore， this paper discusses the new connotation of developing biomedical information technology， studies the practical teaching system of cross-subject specialty between computer and life science， and practices the ways of training talents with the new medical information technology.

Key words： practical teaching system; information technology; life science; New Engineering Education

0 引言

2020年5月，我國(guó)著手推動(dòng)高校體制創(chuàng)新，以進(jìn)一步深化、拓展新工科建設(shè)，培養(yǎng)未來(lái)創(chuàng)新科技的領(lǐng)軍人才，從而在未來(lái)科技發(fā)展中搶占先機(jī)。新工科專(zhuān)業(yè)意味著對(duì)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的升級(jí)改造，并以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)為主要手段[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，高素質(zhì)復(fù)合型工科人才應(yīng)具備更強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，在未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)中將更具競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等生命科學(xué)學(xué)科的交叉與融合，醫(yī)學(xué)信息學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生并發(fā)展起來(lái)[2]。如今，基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)，可以對(duì)醫(yī)療信息數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)、分析和管理，從而為藥物使用、臨床決策等提供重要的技術(shù)支持。隨著海量醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)的積累，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的需求[3]。因此，新工科背景下的信息化醫(yī)療將要研究如何利用先進(jìn)信息技術(shù)存儲(chǔ)和分析臨床、化學(xué)、生物等數(shù)據(jù)。

1 計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)交叉融合的現(xiàn)狀及分析

早在2003年，計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)交叉融合誕生的醫(yī)學(xué)信息學(xué)專(zhuān)業(yè)就已經(jīng)被教育部列在高等教育專(zhuān)業(yè)中。各校對(duì)醫(yī)學(xué)信息學(xué)專(zhuān)業(yè)的定位、發(fā)展方向和理念有所不同，大致可以分成硬件和軟件兩大類(lèi)，硬件如醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)，軟件如藥理研究、醫(yī)藥軟件研發(fā)、醫(yī)學(xué)圖像處理等等。

目前，計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)交叉研究仍存在諸多問(wèn)題：科研基金支持和評(píng)價(jià)模式較單一，醫(yī)學(xué)信息的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化鏈尚不明確，醫(yī)信交叉教學(xué)和人才融合培養(yǎng)體系較模糊，各種藥物研究、電子病歷、醫(yī)學(xué)影像等產(chǎn)生的大量醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)還未充分體現(xiàn)出其利用價(jià)值[4-5]。

2 計(jì)算機(jī)+生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的整體目標(biāo)及要求

如今，隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)、醫(yī)療大數(shù)據(jù)等的快速發(fā)展，高素質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)信息人才的匱乏已成為了我國(guó)在進(jìn)行醫(yī)療信息化的過(guò)程中的瓶頸。培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)信息人才是全社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)交叉融合專(zhuān)業(yè)的迫切需求[4]。

新工科尤為強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，其建設(shè)的主要目的在于著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。具體到專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置，特別是支撐新工科要求的實(shí)踐類(lèi)課程體系的設(shè)置，應(yīng)該進(jìn)行深入的研究和改革。本文的主要目的在于：為計(jì)算機(jī)與生命科學(xué)的交叉專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提供有價(jià)值的評(píng)價(jià)體系，并為相關(guān)實(shí)踐課程的教學(xué)改革提供有效的參考依據(jù)。

考慮到新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和新工科的主要目標(biāo)[6]，醫(yī)學(xué)信息類(lèi)等交叉專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)目的為：明白基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)的基本理論，熟悉醫(yī)療機(jī)構(gòu)和藥企等的管理方法，能夠以大數(shù)據(jù)處理、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)為主要手段，完成醫(yī)療數(shù)據(jù)的提取、清洗、分析研究與應(yīng)用，為醫(yī)療發(fā)展提供可靠有力的信息技術(shù)支撐。

3 大數(shù)據(jù)背景下醫(yī)學(xué)信息專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

針對(duì)上述問(wèn)題，來(lái)研究大數(shù)據(jù)背景下服務(wù)于醫(yī)學(xué)信息等交叉專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系。具體地分為基于應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化、基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法和基于項(xiàng)目的實(shí)踐創(chuàng)新三個(gè)方面。

3.1 基于應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化

醫(yī)學(xué)信息交叉專(zhuān)業(yè)是理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生需要同時(shí)具有計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)和醫(yī)學(xué)衛(wèi)生知識(shí)，兩者缺一不可。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以課堂教學(xué)為主，難以激發(fā)學(xué)生興趣和共鳴。因此，為了解決難以深入理解的困境，課程教學(xué)需要結(jié)合理論和應(yīng)用性，從而使得教學(xué)過(guò)程生動(dòng)有趣。

在進(jìn)行課程設(shè)置中，需要優(yōu)化原始課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加有趣的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)的解決能力[7]。同時(shí)，以大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽等為載體，訓(xùn)練學(xué)生提出、分析和解決問(wèn)題的能力，形成課程實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)實(shí)踐外的第三類(lèi)實(shí)踐活動(dòng)，有效地增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練強(qiáng)度，提高了實(shí)踐能力培養(yǎng)水平。

3.2 基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)是指學(xué)生在完成任務(wù)的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，依賴(lài)于老師的幫助，緊密地圍繞一個(gè)任務(wù)，搜索并積極應(yīng)用學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行主動(dòng)摸索、自我學(xué)習(xí)、相互協(xié)作等學(xué)習(xí)模式[8]。該教學(xué)方法的推行，在提高學(xué)生完成既定任務(wù)的能力的同時(shí)，將有利于啟發(fā)學(xué)生積極自主參加相應(yīng)的實(shí)踐活動(dòng)。

因此，我系建立有效的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。在醫(yī)學(xué)信息學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，我們以醫(yī)院大數(shù)據(jù)案例為依托，以搭建一個(gè)醫(yī)療數(shù)據(jù)分析平臺(tái)為任務(wù)開(kāi)展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程包含醫(yī)院調(diào)研、需求分析、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、功能測(cè)試、驗(yàn)收答辯等多個(gè)環(huán)節(jié)，從而提升學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的技巧。

3.3 基于項(xiàng)目的實(shí)踐創(chuàng)新

所謂“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”就是在學(xué)習(xí)過(guò)程中，結(jié)合指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目，搭建不同專(zhuān)業(yè)間的老師和學(xué)生的交流學(xué)習(xí)平臺(tái)，從而促進(jìn)醫(yī)學(xué)和信息學(xué)科的交叉融合，通過(guò)搭建交叉培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)展項(xiàng)目研討會(huì)等方式，實(shí)現(xiàn)資源共享[9]?；诖髷?shù)據(jù)、人工智能等信息思維為生命科學(xué)問(wèn)題提供有效的解決方案，同時(shí)依托生物醫(yī)學(xué)信息項(xiàng)目為相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供高質(zhì)量的實(shí)訓(xùn)條件，最終為計(jì)算機(jī)技術(shù)找到合適的生命科學(xué)應(yīng)用落腳點(diǎn)。

4 實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的實(shí)施路徑

4.1 基于應(yīng)用的實(shí)施路徑

結(jié)合生命科學(xué)的特點(diǎn)，重新編寫(xiě)綜合實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容?？煽紤]將復(fù)雜的實(shí)際的信息工程問(wèn)題劃分為多個(gè)子問(wèn)題，作為實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，由學(xué)生自主以班級(jí)為單位劃分成不同的小組，各自負(fù)責(zé)完成一個(gè)醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用功能模塊，例如醫(yī)院信息系統(tǒng)的藥物數(shù)據(jù)、醫(yī)療圖像數(shù)據(jù)等的應(yīng)用。

以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的實(shí)施路徑可貫穿整個(gè)課程教學(xué)的始終，以便達(dá)到模擬醫(yī)療應(yīng)用開(kāi)發(fā)全過(guò)程的教學(xué)目標(biāo)，完成包括需求分析、目標(biāo)設(shè)定、目標(biāo)分解、方案實(shí)施、功能測(cè)試等的一系列教學(xué)內(nèi)容。

4.2 基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)施路徑

通過(guò)給學(xué)生設(shè)置不同的課程任務(wù)來(lái)進(jìn)一步提升實(shí)踐能力。比如，為了提高學(xué)生對(duì)于醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用的總體認(rèn)識(shí)，可給學(xué)生分配相關(guān)任務(wù)，包括：完成醫(yī)院大數(shù)據(jù)建設(shè)的調(diào)研報(bào)告、醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域發(fā)展的綜述等。制定評(píng)分規(guī)則，然后通過(guò)相關(guān)的口頭報(bào)告進(jìn)行打分，特別設(shè)計(jì)了學(xué)生提問(wèn)加分的機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考，主動(dòng)參與口頭報(bào)告。同時(shí)，舉辦生物醫(yī)學(xué)信息競(jìng)賽也是任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)施的重要方式之一，在參與競(jìng)賽的過(guò)程中，學(xué)生可以全面地提升專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力。各種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)施方式可以使原本抽象的課程知識(shí)變得生動(dòng)形象。在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生將獲得極大的集體榮譽(yù)感和成就感。

通過(guò)重新編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)布置的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生有機(jī)地結(jié)合課程中的抽象理論和具體實(shí)踐，使所學(xué)的計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)應(yīng)用到生命科學(xué)中的軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析等。

4.3 基于項(xiàng)目的實(shí)施路徑

醫(yī)學(xué)信息交叉科研項(xiàng)目是醫(yī)學(xué)信息交叉培養(yǎng)研究生的重要載體。依賴(lài)于指導(dǎo)教師的不同項(xiàng)目建立合適的運(yùn)營(yíng)機(jī)制，從而為交叉培養(yǎng)的研究生設(shè)定個(gè)性化的培養(yǎng)方案。并且，通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的研究輪轉(zhuǎn)，可讓學(xué)生自主選擇合適自己的研究項(xiàng)目。

由于生物醫(yī)學(xué)信息交叉實(shí)驗(yàn)室是以信息技術(shù)和生命科學(xué)交叉為基礎(chǔ)，因此，明確實(shí)驗(yàn)室的主攻目標(biāo)，保障項(xiàng)目資金來(lái)源，是實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)，還需要科研場(chǎng)地、管理人員等方面的支持。此外，與信息科技企業(yè)、醫(yī)院的橫向合作，建設(shè)醫(yī)學(xué)信息創(chuàng)新平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的緊密結(jié)合，將有助于聯(lián)合培養(yǎng)定向人才。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論了新工科背景下計(jì)算機(jī)技術(shù)與生命科學(xué)交叉的醫(yī)學(xué)信息工程等專(zhuān)業(yè)的新內(nèi)涵，探討了在人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展的形勢(shì)下，醫(yī)學(xué)信息工程等交叉學(xué)科的教學(xué)體系構(gòu)建，并闡述了這一體系的具體實(shí)踐路徑，順應(yīng)了新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的發(fā)展需求，有助于培養(yǎng)自主協(xié)作的交叉學(xué)科人才。在探析教學(xué)模式和教育策略的過(guò)程中，還需不斷改革與創(chuàng)新，提高計(jì)算機(jī)和生命科學(xué)交叉相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，進(jìn)而提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)水平。

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