芻議應(yīng)答教學(xué)聯(lián)合智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

韓一麾,尹曉南,蔡兆倫,張 波

四川大學(xué)華西醫(yī)院胃癌中心普外科, 成都 610041

應(yīng)答教學(xué)(responsive teaching)是由英國(guó)教師Fletcher-Wood提出的[1],強(qiáng)調(diào)以學(xué)生認(rèn)知反饋為中心,注重課程中形成性評(píng)價(jià)(formative evaluation)的作用,著重于解決暴露出的問題的一種教學(xué)法,是一個(gè)綜合性的教學(xué)理念。其關(guān)鍵在于將學(xué)生和問題緊密結(jié)合在一起,幫助學(xué)生通過對(duì)課堂知識(shí)的理解分析、綜合運(yùn)用,最終嘗試解決實(shí)際問題,從而更好地掌握課堂知識(shí)?，F(xiàn)今,智能技術(shù)日新月異,包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、可穿戴設(shè)備等研發(fā)中或已經(jīng)投入應(yīng)用的智能技術(shù),已深度滲透于社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面,改變著當(dāng)今社會(huì)的運(yùn)行模式。在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域,教育人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等智能技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié),獲得較好反響[2]。文章著力于對(duì)醫(yī)學(xué)教學(xué)與智能技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的思考,探討如何借助智能技術(shù)手段,豐富應(yīng)答教學(xué)的內(nèi)涵,使二者互補(bǔ)缺陷、疊加優(yōu)勢(shì),為提升醫(yī)學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量提供參考。

1 現(xiàn)有醫(yī)學(xué)課程教學(xué)存在的不足

在醫(yī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)過程中,理論與實(shí)踐是相互依托、密不可分的。然而,在前期課程教學(xué)階段,多數(shù)學(xué)生缺乏臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),很難全面掌握臨床課程的知識(shí)點(diǎn)并準(zhǔn)確理解。例如,在人體解剖學(xué)的教學(xué)過程中,如果使用單一傳統(tǒng)的教學(xué)手段進(jìn)行課程教學(xué),學(xué)生較易掌握某器官的功能結(jié)構(gòu),但很難厘清該器官系膜和血管的出入分布、淋巴的回流路線、周圍組織的毗鄰與影響等,導(dǎo)致前期課程教學(xué)與后續(xù)臨床實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。因此,豐富課程教學(xué)手段,聯(lián)合應(yīng)用多種技術(shù),完整立體地呈現(xiàn)人體結(jié)構(gòu),成為提高該課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

現(xiàn)行的醫(yī)學(xué)課程教學(xué)一般緊扣教學(xué)大綱,突出重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容,但這些內(nèi)容已經(jīng)不能充分滿足學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的需求。如何在保證學(xué)生掌握課程教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的同時(shí),在有限的課堂時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)、豐富知識(shí)面、了解學(xué)科最新進(jìn)展,是醫(yī)學(xué)課程教學(xué)中面臨的一大難題。從臨床教學(xué)的視角來看,多數(shù)完成醫(yī)學(xué)本科教育的學(xué)生都存在諸如理論與實(shí)踐銜接不緊,對(duì)臨床相關(guān)基礎(chǔ)概念理解膚淺或有誤等問題。2011—2020年,中國(guó)醫(yī)學(xué)院校應(yīng)屆本科生執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試通過率僅為66%[3],也暴露出本科階段培養(yǎng)質(zhì)量欠佳、結(jié)構(gòu)欠優(yōu)的問題。究其原因,固然存在醫(yī)學(xué)生的主觀因素,如學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、自學(xué)能力弱等,但同時(shí)也反映出當(dāng)下醫(yī)學(xué)課程教學(xué)的形式和方法存在諸多不足。因此,在設(shè)計(jì)應(yīng)答教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容時(shí),亟須提升對(duì)智能技術(shù)的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用[4],利用多種先進(jìn)教學(xué)技術(shù)手段,彌補(bǔ)醫(yī)學(xué)課程教學(xué)存在的不足。

2 應(yīng)答教學(xué)聯(lián)合智能技術(shù)提升授課質(zhì)量

應(yīng)答教學(xué)注重以問題導(dǎo)向來回應(yīng)學(xué)生的需求,將“以問題導(dǎo)向回應(yīng)學(xué)生”貫穿于全課程始終,包括展示重點(diǎn)、制定目標(biāo)、設(shè)計(jì)題目、及時(shí)判斷教學(xué)情況、提供課后清晰反饋等一系列流程。任何一門學(xué)科的學(xué)習(xí),最重要的都不是掌握瑣碎知識(shí)(尤其是事實(shí)性知識(shí)),而是在獲取知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)知識(shí)進(jìn)行組織與應(yīng)用。應(yīng)答教學(xué)首先從認(rèn)知科學(xué)的角度了解學(xué)生如何學(xué)習(xí),然后在此基礎(chǔ)上,將教學(xué)計(jì)劃與教學(xué)實(shí)際相結(jié)合,并通過形成性評(píng)價(jià)判定學(xué)生學(xué)習(xí)效果,進(jìn)而做出調(diào)整。這種教學(xué)方法以學(xué)生學(xué)習(xí)問題為導(dǎo)向,致力于在課堂教學(xué)中解決這些問題,打造以學(xué)生為中心的互動(dòng)式、啟發(fā)式與探究式課堂。

如果將智能技術(shù)融入應(yīng)答教學(xué),使兩者有機(jī)結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),將能有效解決現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)課程教學(xué)存在的不足。

2.1 利用智能技術(shù)明確教學(xué)重難點(diǎn)與學(xué)習(xí)目標(biāo)

明確授課重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)習(xí)目標(biāo)是應(yīng)答教學(xué)的先提條件,這決定了授課內(nèi)容的主體。醫(yī)學(xué)理論存在不少“基礎(chǔ)知識(shí)”,如“休克”的定義與臨床休克患者實(shí)際表現(xiàn)的區(qū)別,腹股溝管解剖與腹股溝疝成因及手術(shù)方法的選擇等,這些皆處于學(xué)習(xí)與理解的最優(yōu)先位置。既往教學(xué)中,重點(diǎn)的確定多依賴教學(xué)內(nèi)容大綱或知識(shí)結(jié)構(gòu)圖,而今利用智能技術(shù)可以大大提升此環(huán)節(jié)的質(zhì)量與速度。

課前使用AI學(xué)情分析系統(tǒng),基于既往學(xué)生的反饋數(shù)據(jù),分析、預(yù)測(cè)學(xué)生可能存在的知識(shí)盲區(qū),幫助教師在備課階段確定講解要點(diǎn)[5];或利用基于AI的深度學(xué)習(xí)算法,通過文本識(shí)別分析、關(guān)鍵詞抽取、實(shí)體鏈合算法形成重點(diǎn)分明、關(guān)系明確的可視化知識(shí)圖譜[6],以此清晰地展示教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)間的相互聯(lián)系,為學(xué)生設(shè)定出明確的學(xué)習(xí)目標(biāo);教師還可利用數(shù)字化認(rèn)知診斷模型(cognitive diagnosis model,CDM),通過分析學(xué)科內(nèi)已有認(rèn)知結(jié)構(gòu),推算往常學(xué)習(xí)者未掌握的知識(shí)盲點(diǎn),以此指導(dǎo)學(xué)習(xí)路徑的設(shè)定、規(guī)劃認(rèn)知負(fù)荷[7];此外,利用AI備課系統(tǒng),可根據(jù)教師風(fēng)格、學(xué)生特點(diǎn)等,基于大量既往教學(xué)方案比較后提供合適的教學(xué)方案[8],提升備課的速度與質(zhì)量。

2.2 利用智能技術(shù)擴(kuò)展授課形式

傳統(tǒng)課堂多為單中心模式,即以教師講述為核心的“演講式”授課。應(yīng)答教學(xué)法強(qiáng)調(diào)授課形式的改進(jìn),包括如自由互動(dòng)式與探討式的多中心課堂等。但在以高知識(shí)密度、大班教學(xué)為主的國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)課堂難以推行。隨著線上教學(xué)的大量開展,數(shù)字化智能技術(shù)與課堂的融合進(jìn)入了絕佳的發(fā)展時(shí)期。在授課形式中融入智能技術(shù),可以改變傳統(tǒng)課堂形式,提升授課質(zhì)量。

VR技術(shù)作為一種數(shù)字模擬技術(shù),通過光學(xué)外設(shè)構(gòu)建三維視圖,使用立體圖像模擬真實(shí)環(huán)境為使用者提供臨場(chǎng)感。疫情防控期間的線上教學(xué)過程中,利用VR教室授課,學(xué)生能重新“見到”教師和其他學(xué)生,不僅部分恢復(fù)了線下授課的沉浸感,VR特有的高交互性還能誘導(dǎo)課堂積極性的提升,在此前一些VR授課的錄像中已有體現(xiàn)[9]。在外科技能實(shí)習(xí)課中,使用VR訓(xùn)練室進(jìn)行操作演練,能突破場(chǎng)地、安全和物質(zhì)要求,在加強(qiáng)操作流程記憶的同時(shí),拓展學(xué)生課下練習(xí)空間[10],還能建立如虛擬化病理實(shí)驗(yàn)室、應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)等多種教學(xué)模式。在外科手術(shù)的虛擬仿真訓(xùn)練中,人工智能程序(如Touch系統(tǒng)、Lahystotrain系統(tǒng)和EchoComJ系統(tǒng))都運(yùn)用AI技術(shù)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)部分信息的呈現(xiàn),使其操作真實(shí)性與訓(xùn)練性最大化,增強(qiáng)外科的知識(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)[11]。同時(shí),基于VR技術(shù)的操作錄像可提供360°的視角展示與回放,不僅能在課堂上用于展示標(biāo)準(zhǔn)的操作流程,在課后亦能作為學(xué)生復(fù)習(xí)資料,在此前的一些課堂實(shí)踐中取得了大量學(xué)生(93%)的支持[12]。

此外,將AI算法與VR技術(shù)結(jié)合,還能基于傳統(tǒng)數(shù)字資料構(gòu)建VR資源。如利用病人腦血管CTA和頭部MRI數(shù)據(jù),對(duì)患者頭部進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)圖像重建,則可以立體顯示動(dòng)脈瘤空間形態(tài)及其周圍結(jié)構(gòu),有利于學(xué)生掌握病變部位的解剖結(jié)構(gòu)與組織之間的空間關(guān)系[13]。后續(xù)還可以將生成的VR資源導(dǎo)入VR練習(xí)室,利用切割、移動(dòng)等虛擬工具學(xué)習(xí)體驗(yàn)手術(shù)過程,通過模擬真實(shí)的顯微神經(jīng)外科手術(shù)的定位過程,形成內(nèi)容創(chuàng)建到內(nèi)容使用的良性循環(huán),大大豐富外科學(xué)講授中的病例資料及其練習(xí)價(jià)值。

2.3 利用智能技術(shù)跟蹤授課質(zhì)量、反饋進(jìn)度

通過動(dòng)態(tài)反饋及時(shí)跟蹤學(xué)生的理解程度并以此調(diào)整教學(xué)進(jìn)度,是應(yīng)答教學(xué)的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)中,實(shí)現(xiàn)這一目的通常依靠當(dāng)堂提問或等待學(xué)生主動(dòng)提問。國(guó)內(nèi)課堂教學(xué)班級(jí)人數(shù)眾多,在課堂教學(xué)中頻繁提問、等待回答并解釋的方式有諸多缺陷,如代表性不強(qiáng)、容易打斷授課節(jié)奏、無標(biāo)準(zhǔn)化解答等,總體反饋價(jià)值有限。

基于微信等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能助教程序提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的當(dāng)堂反饋方式。通過提供簽到、答題、實(shí)時(shí)解答等功能,此類軟件很好地?fù)?dān)負(fù)起助教作用,減輕課堂簽到等程序所花費(fèi)的人力與時(shí)間[14]。此外,通過對(duì)參與答題學(xué)生的答題時(shí)長(zhǎng)、錯(cuò)解構(gòu)成比等數(shù)據(jù)的分析,授課教師能從提前設(shè)置的選擇題中即時(shí)了解學(xué)生對(duì)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的理解程度,錯(cuò)解、誤解方向與課堂參與度,從而實(shí)時(shí)調(diào)整授課進(jìn)度,并有針對(duì)性地重復(fù)講解,以此提升授課質(zhì)量。

如需進(jìn)一步提高當(dāng)堂反饋的要求,基于深度學(xué)習(xí)算法的課堂行為分析系統(tǒng)可以提供方向,即此類系統(tǒng)通過圖像采集和人臉識(shí)別錄入聽課學(xué)生當(dāng)前的狀態(tài),通過深度學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比過程完成學(xué)生表情識(shí)別和實(shí)時(shí)分析,實(shí)現(xiàn)考勤、課堂專注度等數(shù)據(jù)的呈現(xiàn),可以有效提升課堂監(jiān)管效率與質(zhì)量[15]。聽課教師也可通過查看全體學(xué)生的分段專注度以檢查當(dāng)前教學(xué)方式是否合適有效。此外,還能針對(duì)個(gè)別學(xué)生提供個(gè)性化的數(shù)據(jù)反饋,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋、量化反饋、精確化反饋的目標(biāo),顯著提升課堂教學(xué)中的反饋效率。

2.4 利用智能技術(shù)豐富客觀評(píng)價(jià)成果

課后評(píng)價(jià)作為課堂教學(xué)的最終一環(huán),為學(xué)習(xí)者提供修正性反饋以進(jìn)一步完善授課內(nèi)容,在以往課程中一般由課后作業(yè)完成。在醫(yī)學(xué)課堂教學(xué)中,很多則以章節(jié)主題相關(guān)的論文為主。既往教學(xué)中,約80%的學(xué)生沒有收到有效的修正性反饋[16]。而今,利用智能技術(shù)能提供大量高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化、反饋可量化分析的案例,對(duì)于醫(yī)學(xué)生的課后練習(xí)自查、復(fù)習(xí)補(bǔ)漏皆有幫助。

AI輔助系統(tǒng)可以輔助任課教師對(duì)課后、課終評(píng)價(jià)計(jì)劃的設(shè)計(jì),基于大數(shù)據(jù)分析結(jié)果提升其準(zhǔn)確性、有效性[17]。醫(yī)學(xué)人工智能程序如沃森(Watson)、Hanover系統(tǒng)等,可以使用智能算法,在實(shí)時(shí)獲取基于互聯(lián)網(wǎng)的最新醫(yī)學(xué)證據(jù)的同時(shí),通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)推理等技術(shù)手段,提供相關(guān)疾病的臨床決策支持[11]。這可以作為醫(yī)學(xué)生重要的課后練習(xí)程序與復(fù)習(xí)資源。其證據(jù)溯源功能、邏輯呈現(xiàn)功能,可以很好地幫助學(xué)生在病例練習(xí)后復(fù)盤思路,查缺補(bǔ)漏[18]。臨床思維訓(xùn)練及評(píng)測(cè)系統(tǒng)(diagnosis &reasoning clinician,DxR Clinician)可以通過算法,利用教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與真實(shí)臨床病例數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)造模擬的標(biāo)準(zhǔn)化病人(standardized patient,SP),為醫(yī)學(xué)生的臨床思維訓(xùn)練提供案例,并已經(jīng)在此前的教學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的實(shí)用性和易用性[19]。學(xué)生通過對(duì)虛擬病人的問診、模擬查體和輔助檢查,進(jìn)而提出診斷、治療方案并接受反饋。在課后練習(xí)中自發(fā)學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)對(duì)課堂知識(shí)的理解應(yīng)用。此外,網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(如Brainly、Quora)等傳統(tǒng)學(xué)習(xí)答疑平臺(tái),現(xiàn)今通過升級(jí)人工智能相關(guān)算法,可以提供如制定個(gè)性化學(xué)習(xí)方案,根據(jù)用戶畫像推薦相關(guān)問題、相關(guān)領(lǐng)域用戶等功能,為每一個(gè)學(xué)生定制學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)流程[20],極大地充實(shí)學(xué)生的課后評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)資源。

2.5 利用智能技術(shù)助力醫(yī)學(xué)思政教育

在新時(shí)代背景下,技術(shù)更迭、思想革新層出不窮。為培養(yǎng)品德優(yōu)良、思想健康的醫(yī)學(xué)人才,各高?？沙浞掷肁I技術(shù)進(jìn)行輔助,及時(shí)更新醫(yī)學(xué)人文與思政教育方式。如構(gòu)建AI思政云平臺(tái),綜合思政學(xué)習(xí)資源與考核反饋形式,提供在線學(xué)習(xí)平臺(tái);建立AI校史、院史文化館,利用多媒體資料傳遞前輩醫(yī)學(xué)精神、奮斗精神;建立AI青協(xié)中心,利用同輩榜樣的力量引導(dǎo)學(xué)生良好道德觀的形成;此外,還有如AI成長(zhǎng)檔案、AI講述人等形式[21],以此拓展思政教學(xué)場(chǎng)景,提供質(zhì)量高、吸引力強(qiáng)的思政人文課程和課程思政素材。

醫(yī)師的人文關(guān)懷教育,如患者溝通等方面,也可利用人工智能虛擬咨詢應(yīng)用(virtual counseling application using artificial intelligence,VCAAI)提供有效幫助。VCAAI是一個(gè)應(yīng)用AI技術(shù)進(jìn)行臨床溝通技能訓(xùn)練的智能程序[22],可以利用病歷信息,通過AI算法形成具備人類特征的標(biāo)準(zhǔn)化病人,表現(xiàn)為可視化的3D頭像的形式。使用者可以與其對(duì)話互動(dòng),模擬門診過程。對(duì)話結(jié)束后,軟件提供量化分析的結(jié)果,同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供溝通技巧的反饋[23]。類似技術(shù)將有效促進(jìn)醫(yī)學(xué)生人文關(guān)懷意識(shí)與能力。目前,智能技術(shù)與思政教育的融合還處于起始階段,其發(fā)展尚需大膽探索、不斷創(chuàng)新。

3 結(jié)束語

當(dāng)前,中國(guó)教育體系與新興智能技術(shù)的聯(lián)合已進(jìn)入創(chuàng)新聯(lián)合階段,課程教學(xué)已經(jīng)逐步向多形式、多維度的綜合學(xué)習(xí)流程發(fā)展。政府對(duì)智能技術(shù)的投資和建設(shè)力度亦與日俱增,目前已經(jīng)出臺(tái)多項(xiàng)有關(guān)智能技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育的政策和計(jì)劃[24-26]。隨著智能化產(chǎn)業(yè)的完善、發(fā)展,傳統(tǒng)教育理念聯(lián)合新興智能技術(shù)的教育方式將會(huì)愈加普遍。如應(yīng)答教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法、案例學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等經(jīng)典教育方式也可在與新興技術(shù)的結(jié)合互補(bǔ)中彌補(bǔ)短板,煥發(fā)新生,體現(xiàn)新的時(shí)代價(jià)值。當(dāng)前智能技術(shù)與教學(xué)的融合中,不乏如人員硬件缺乏、初始投入大、技術(shù)不成熟、管理能力不足、地區(qū)資源不平衡、需求端乏力等問題,在將來的進(jìn)一步結(jié)合中,也存在隱私數(shù)據(jù)泄露、教育倫理、教師轉(zhuǎn)向技術(shù)依賴等等倫理問題[2,4]。為解決這些問題,完善頂層規(guī)劃,出臺(tái)相關(guān)管理措施,提升各層面重視程度,培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才、開發(fā)相關(guān)軟硬件設(shè)施,加速革新等仍待加強(qiáng)實(shí)施。

醫(yī)學(xué)教育中,基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)階段是為將來從業(yè)建立底層知識(shí)體系的關(guān)鍵時(shí)期,其對(duì)醫(yī)師職業(yè)培養(yǎng)過程的重要性不言而喻。醫(yī)學(xué)教育應(yīng)積極探索將新興技術(shù)融入教學(xué)方法,不斷提升授課質(zhì)量,才能為國(guó)家培養(yǎng)更高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)人才,為全民健康事業(yè)做出貢獻(xiàn)。