面向中醫(yī)藥院校的Python高級(jí)應(yīng)用課程教學(xué)模式研究與探索

戴彩艷 佘侃侃 丁有偉

摘要：云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)的興起，為中醫(yī)藥發(fā)展提供了新的動(dòng)力，“智能+中醫(yī)藥”產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，社會(huì)對“智能+中醫(yī)藥”應(yīng)用型人才的需求數(shù)量和能力要求逐年增長，而Python高級(jí)應(yīng)用與這些新興技術(shù)關(guān)聯(lián)密切。在南京中醫(yī)藥大學(xué)的Python高級(jí)應(yīng)用課程教學(xué)開展過程中，存在課程教學(xué)內(nèi)容與中醫(yī)藥特色難以融合、教學(xué)的成果與研究型及應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)沖突、課程體系缺乏系統(tǒng)性以及智能化特征缺失等問題。因此，本研究擬梳理Python高級(jí)應(yīng)用課程的理論教學(xué)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)踐案例，以便將本學(xué)科學(xué)生科技能力的提升與本校優(yōu)勢專業(yè)相結(jié)合，聚焦“智能+中醫(yī)藥”應(yīng)用型人才培養(yǎng)，不斷提升人才實(shí)踐能力，確保培養(yǎng)的“智能+中醫(yī)藥”應(yīng)用型人才能夠具備完善的實(shí)踐知識(shí)體系。通過課程學(xué)習(xí)，并經(jīng)過系統(tǒng)性的實(shí)踐方案訓(xùn)練，使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐能力相結(jié)合，提升自身的競爭力。

關(guān)鍵詞：人工智能；Python高級(jí)應(yīng)用；“智能+中醫(yī)藥”；應(yīng)用型人才

引言

課程的改革和探索是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域老師不斷需要改進(jìn)的地方[1-2]。近年來，Python在高校教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，從基礎(chǔ)到應(yīng)用，不斷推動(dòng)高校人才能力的提高和創(chuàng)新[3]。理工科高校憑借強(qiáng)大的師資力量和行業(yè)背景，逐步建立了人工智能理論研究體系以及面向行業(yè)應(yīng)用的Python教學(xué)體系，為社會(huì)輸出了大量的人工智能科研和應(yīng)用人才，也為醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等各類?？圃盒５娜瞬排囵B(yǎng)提供了基礎(chǔ)[4]。不同模式的教學(xué)方式被應(yīng)用到了Python相關(guān)課程的教學(xué)中[5-6]。但是在中醫(yī)藥院校開展Python高級(jí)應(yīng)用課程學(xué)習(xí)過程中，發(fā)現(xiàn)中醫(yī)藥行業(yè)對新興技術(shù)的敏感度較低，同時(shí)，中醫(yī)藥院校人工智能師資匱乏，導(dǎo)致這些院校處于Python高級(jí)應(yīng)用與人才培養(yǎng)模式結(jié)合的探索階段。

目前各中醫(yī)藥院校不斷完善中醫(yī)藥信息化的人才培養(yǎng)模式，在進(jìn)行“智能+中醫(yī)藥”人才模式探索時(shí)，通常以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，課程培養(yǎng)方案的制訂通常采用兩種方式：一是借鑒知名的理工科高校，二是在自身中醫(yī)藥信息化方案基礎(chǔ)上增補(bǔ)。但是在借鑒其他高校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)過程中，往往存在中醫(yī)藥特色難以融合以及研究型與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)沖突的問題；在自身中醫(yī)藥信息化方案基礎(chǔ)上增補(bǔ)的過程中，存在課程體系缺乏系統(tǒng)性以及智能化特征缺失等問題。同時(shí)，由于中醫(yī)藥行業(yè)特征以及中醫(yī)藥院校人工智能基礎(chǔ)理論師資不足等原因，導(dǎo)致當(dāng)前各中醫(yī)藥高校的“智能+中醫(yī)藥”人才培養(yǎng)存在較多問題，其中實(shí)踐能力培養(yǎng)模式不能支撐應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)問題尤為突出。

而Python高級(jí)應(yīng)用課程作為融合科學(xué)計(jì)算與可視化等技術(shù)的課程，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)模式需要探索和改進(jìn)，使學(xué)生能夠?qū)ython高級(jí)應(yīng)用的理論、實(shí)驗(yàn)與學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)專業(yè)信心。

1. Python高級(jí)應(yīng)用課程教學(xué)問題分析

1.1 Python高級(jí)應(yīng)用教學(xué)中結(jié)合“智能+中醫(yī)藥”的理論實(shí)驗(yàn)銜接不連貫

中醫(yī)藥數(shù)字化發(fā)展多年，已有完善的實(shí)踐知識(shí)體系，但中醫(yī)藥智能化剛剛起步，為了滿足社會(huì)需求，各中醫(yī)藥院校在人才培養(yǎng)方案中強(qiáng)行加入云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能類課程，導(dǎo)致中醫(yī)藥智能化實(shí)踐知識(shí)體系散亂，且與中醫(yī)藥數(shù)字化實(shí)踐知識(shí)體系之間出現(xiàn)明顯的斷層，沒能真正實(shí)現(xiàn)“智能+中醫(yī)藥”實(shí)踐知識(shí)體系的融合。

而Python高級(jí)應(yīng)用是在Python語言基礎(chǔ)上融合了數(shù)據(jù)分析及可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、框架結(jié)構(gòu)等技術(shù)。該課程的教學(xué)中結(jié)合“智能+中醫(yī)藥”的理論實(shí)驗(yàn)銜接不連貫，實(shí)驗(yàn)和理論對應(yīng)性不強(qiáng)，不能成為一個(gè)循序漸進(jìn)的教學(xué)體系，使本就零散的知識(shí)點(diǎn)更不容易凝聚，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，為了完成任務(wù)而學(xué)習(xí)，不能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)他們內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 Python相關(guān)課程實(shí)踐內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)和課程深度耦合

從傳統(tǒng)的中醫(yī)藥信息化到當(dāng)前的中醫(yī)藥智能化之間存在實(shí)踐知識(shí)體系的斷層，即中醫(yī)藥智能化相關(guān)課程之間存在重復(fù)度高和關(guān)聯(lián)性弱的問題，而且此類課程與中醫(yī)藥信息化類課程屬于兩個(gè)獨(dú)立的知識(shí)體系，學(xué)生無法形成完整的“智能+中醫(yī)藥”實(shí)踐知識(shí)體系。而當(dāng)前市面上尚無面向“智能+中醫(yī)藥”的教材，中醫(yī)藥高校通常選擇通用的人工智能類教材，此類教材要么偏重于理論基礎(chǔ)講解，要么面向某種開發(fā)工具或行業(yè)具體應(yīng)用介紹操作流程，甚至存在課程內(nèi)容重復(fù)、技術(shù)工具過時(shí)、技術(shù)工具不兼容、應(yīng)用業(yè)務(wù)不合理等問題，導(dǎo)致同一課程的多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目之間缺乏系列性，多門課程的實(shí)踐內(nèi)容之間缺乏系統(tǒng)性。

由于Python高級(jí)應(yīng)用在中醫(yī)藥智能化使用中起步較晚，并無經(jīng)典的教學(xué)案例，且Python相關(guān)課程較多，而一門課程的實(shí)踐內(nèi)容僅與本課程的教學(xué)目標(biāo)相關(guān)，課程內(nèi)的實(shí)踐項(xiàng)目通常僅與對應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)，呈現(xiàn)出實(shí)踐內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)和課程的深度耦合，但課程之間以及同一課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間實(shí)踐內(nèi)容相互獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生只知其然，而不知其所以然，更不能舉一反三和融會(huì)貫通。在Python大類不同課程，如Python基礎(chǔ)、Python數(shù)據(jù)可視化、Python高級(jí)應(yīng)用等課程開展過程中，當(dāng)這些課程不屬于同一個(gè)老師，而老師們之間沒有及時(shí)進(jìn)行溝通時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)重復(fù)或知識(shí)點(diǎn)獨(dú)立的情況，學(xué)生無法將所學(xué)知識(shí)融合起來。

基于Python高級(jí)應(yīng)用教學(xué)中結(jié)合“智能+中醫(yī)藥”的理論實(shí)驗(yàn)銜接不連貫，Python相關(guān)課程實(shí)踐內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)和課程深度耦合的問題，我們研究并探索了面向中醫(yī)藥院校的Python高級(jí)應(yīng)用課程的教學(xué)模式。

2. 中醫(yī)藥院校Python高級(jí)應(yīng)用教學(xué)模式探索

2.1 梳理Python高級(jí)應(yīng)用課程的理論教學(xué)內(nèi)容

在探索過程中，我們以培養(yǎng)目標(biāo)為核心，以應(yīng)用能力提升為主線，將Python高級(jí)應(yīng)用課程體系中涉及的理論內(nèi)容進(jìn)行分類，同一指標(biāo)為小類、同一大項(xiàng)能力指標(biāo)為大類。每個(gè)大類的能力設(shè)置為同一理論教學(xué)內(nèi)容，包含的不同指標(biāo)點(diǎn)為問題的不同求解目標(biāo)。構(gòu)建以支持度為度量的實(shí)踐內(nèi)容評價(jià)體系，包括每個(gè)實(shí)驗(yàn)對教學(xué)目標(biāo)的支持度、每個(gè)教學(xué)目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支持度、課程對培養(yǎng)目標(biāo)的支持度等，優(yōu)化Python高級(jí)應(yīng)用課程的理論教學(xué)內(nèi)容，保證課程開展過程中理論與實(shí)踐內(nèi)容的延續(xù)性和系統(tǒng)性?，F(xiàn)在很多教材的內(nèi)容有不同，也有相同，通過不同教材內(nèi)容的提取，在Python高級(jí)應(yīng)用課程的理論教學(xué)中，著重安排了科學(xué)計(jì)算常用庫的介紹、數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理的操作方法、數(shù)據(jù)挖掘算法的介紹及使用案例介紹、對挖掘結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化的操作方法、網(wǎng)絡(luò)爬蟲及正則化使用方法的介紹和Python常用框架使用的引導(dǎo)。

其中，常用的第三方科學(xué)計(jì)算庫主要介紹的是numpy、pandas、sklearn及tensorflow；數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理，著重介紹數(shù)據(jù)收集過程中無效數(shù)據(jù)的剔除、缺失數(shù)據(jù)填充、其他類型數(shù)據(jù)向數(shù)值型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法；數(shù)據(jù)挖掘算法，著重介紹回歸、決策樹，其中包括不同方法建立的決策樹的優(yōu)缺點(diǎn)及在此基礎(chǔ)上建立的隨機(jī)森林和XGBoost的使用、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、k-means聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則等；可視化高級(jí)應(yīng)用，著重介紹如何使用matplotlib、seaborn以及Echarts對挖掘的結(jié)果進(jìn)行可視化；正則式與網(wǎng)絡(luò)爬蟲，著重介紹re、requests以及BeautifulSoup庫的使用；在Python框架的使用理論中，主要介紹Flask及Django架構(gòu)。其中涉及的主要理論教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

梳理Python高級(jí)應(yīng)用課程的理論教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)，在理論講解中，可以選取一種中醫(yī)藥數(shù)據(jù)收集整理分析及可視化貫穿始終，便于學(xué)生建立學(xué)習(xí)該課程的信心，提升學(xué)習(xí)興趣。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)踐案例，與本學(xué)科及校優(yōu)勢專業(yè)相結(jié)合

在Python高級(jí)應(yīng)用課程理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要設(shè)計(jì)合理的教學(xué)案例，才能使教學(xué)效果事半功倍。我們考慮設(shè)計(jì)面向課程目標(biāo)的系列實(shí)踐內(nèi)容，保證課程內(nèi)各知識(shí)點(diǎn)實(shí)踐內(nèi)容的連貫性和依賴性。中醫(yī)藥大學(xué)的優(yōu)勢專業(yè)是中醫(yī)和中藥。因此，考慮基于理論教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合中醫(yī)藥數(shù)據(jù)處理展示過程，設(shè)置中醫(yī)藥數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、挖掘、可視化及系統(tǒng)展示，將中醫(yī)藥數(shù)據(jù)及其應(yīng)用封裝為實(shí)踐案例，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

通過不同教材內(nèi)容的提取，在Python高級(jí)應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，著重安排在中醫(yī)藥數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，該數(shù)據(jù)包括名老中醫(yī)治療相關(guān)疾病的病案，如國醫(yī)大師治療甲狀腺的相關(guān)病案、兒童哮喘中醫(yī)診療相關(guān)病案、名老中醫(yī)治療腎病病案等，學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣，結(jié)合自身的能力，選取自己感興趣的相關(guān)中醫(yī)中藥數(shù)據(jù)。在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開展科學(xué)計(jì)算常用庫的操作實(shí)驗(yàn)、中醫(yī)藥數(shù)據(jù)的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)、病機(jī)藥物關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘?qū)嶒?yàn)、藥方中社團(tuán)挖掘?qū)嶒?yàn)、正則化及網(wǎng)絡(luò)爬蟲實(shí)驗(yàn)、挖掘結(jié)果調(diào)整實(shí)驗(yàn)、基于matpltlib及seaborn庫的結(jié)果可視化實(shí)驗(yàn)以及Python框架的使用實(shí)驗(yàn)。其中涉及的主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)的安排，使學(xué)生在原來學(xué)習(xí)Python語言的基礎(chǔ)上，選取自己感興趣的中醫(yī)藥數(shù)據(jù)，使用科學(xué)計(jì)算常用庫進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，以熟悉常用庫在中醫(yī)藥數(shù)據(jù)預(yù)處理中的使用，對其中包含的一些有效信息進(jìn)行挖掘、提取關(guān)鍵屬性等。挖掘過程中，為了提升挖掘結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)一步通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲等方法獲取更多的數(shù)據(jù)，以便補(bǔ)充或者修正數(shù)據(jù)結(jié)果，對挖掘結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。之后，結(jié)合matpltlib及seaborn庫對結(jié)果進(jìn)行可視化。最后，使用Python框架對整個(gè)數(shù)據(jù)的操作流程進(jìn)行展示，并補(bǔ)充用戶注冊、登錄等操作以完善系統(tǒng)。

通過一環(huán)套一環(huán)的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步從數(shù)據(jù)收集處理到數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化、挖掘結(jié)果完善，最終綜合所有步驟，建立完整的交互系統(tǒng)，使學(xué)生在Python高級(jí)應(yīng)用的學(xué)習(xí)過程中，有條理、有目的、有興趣地提升、完善自己的系統(tǒng)，牢牢掌握Python高級(jí)應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)。

結(jié)語

在國家大力推廣中醫(yī)藥與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合發(fā)展的時(shí)代，中醫(yī)藥高校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)肩負(fù)著培養(yǎng)“智能+中醫(yī)藥”綜合型應(yīng)用型人才的重要使命。在中醫(yī)藥院校Python高級(jí)應(yīng)用教學(xué)開展過程中，構(gòu)建數(shù)字化到智能化轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)性知識(shí)體系，有助于后續(xù)課程的設(shè)立、學(xué)生能力的培養(yǎng)；設(shè)置面向課程目標(biāo)和知識(shí)體系的實(shí)踐內(nèi)容，有助于強(qiáng)化課程內(nèi)實(shí)踐內(nèi)容系列性、課程間實(shí)踐內(nèi)容系統(tǒng)性的建設(shè)，使實(shí)踐內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)的耦合度降低，并能夠統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)，降低教學(xué)內(nèi)容重復(fù)度，有助于提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，提高中醫(yī)藥高校的實(shí)踐教學(xué)水平和“智能+中醫(yī)藥”綜合型應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，為中醫(yī)藥信息化發(fā)展和健康中國戰(zhàn)略實(shí)施輸送專業(yè)人才。

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作者簡介：戴彩艷，博士研究生，副教授，研究方向：中醫(yī)藥數(shù)據(jù)分析與挖掘。

基金項(xiàng)目：南京中醫(yī)藥大學(xué)自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目——基于衰減系數(shù)的動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)建模及研究（編號(hào)：NZY61906100）。