人工智能+醫學影像教育新模式的作用與構想

何煉圖 湯慶 湯佳馨 李穎珊 張雨欣

教育是著眼于未來的事業，教育的首要任務就是為未來社會培養相適應的合格人才。隨著人工智能的誕生和發展，我國已經開始將人工智能應用于教育領域，并顯示出人工智能對于彌補當前教育存在的種種缺陷和不足，推動教學現代化和教育發展改革進程起著越來越重要的作用[1]。在現代醫學當中，醫學影像技術是為實用性強、滲透深、普及廣和發展最快的新興學科，尤其是近年來諸如各種造影、介入診斷及治療等新技術的快速發展，醫學影像技術已成為臨床診治不可或缺的重要輔助手段，有望在人工智能發展帶動下率先普及于臨床醫學的重要輔助技術。

1 目前醫學影像教育狀況

多年來，包括超聲、放射、核磁以及核醫學在內的醫學影像學主流教學還是采取傳統的教學模式，具體的體現為：教學地點限于校園內課堂教學，教學形式以課堂講授式教學為主，教學主體是以教師為中心，教學內容課程陳舊、枯燥、抽象，并且單一與相關學科相對孤立；如此教學模式的缺陷和不足是顯而易見的：只重書本知識不重實踐、只重記憶不重能力、只重結果不重過程，因受課程設定的制約，教師授課和學生學習的自主性均受到制約，授課缺乏針對性、靈活性和智能性；一方面教師不了解學生的具體情況，只能提出通常需要注意的問題，另一方面學生在遇到問題時不能及時和教師溝通交流，師生間互動減少；即使使用了計算機輔助教學，但學生受到課件系統固有內容的限制是較為被動的，降低了課件的適用面和效能；尤其是現階段下，影像醫學教學由于缺乏互聯網絡的支持與合理應用，圖像資源較為單一、不新穎，導致培養學生對圖像理解及分析能力不夠，往往出現臨床和理論脫節的現象[2]。

上述醫學影像教學以教師傳授知識、經驗和技能為主的教學模式，已落后于現代影像技術的發展，遠不能滿足醫學影像人才培養的需要。近年來臨床上醫學影像學專業人員的奇缺現狀也說明了問題所在，迫切需要我們引入新的醫學影像醫學教育模式以順應時代發展趨勢。

2 人工智能在醫學影像教育中的創新作用

2.1 人工智能可為醫學影像教學新模式奠定基礎

具備有人工智能內涵意義的智能代理和智能教學系統，可為教學過程的個性化、交互性的實現奠定了技術基礎。智能代理技術是由各種技術支撐并包括許多實用的應用特性的集合，系統利用這些特性來擴展應用的功能，達到自動執行用戶委托任務的目的。它初步具備深度學習的功能，通過主動、高效地從網絡信息空間獲取用戶所需信息從而解決使用關鍵字匹配查詢、搜索引擎引起的問題：即大量無關信息的涌現和信息檢索精確度較低等，應用在教學過程中，可使師生雙方在教與學當中知識選取效率得以大幅提高，師生們可以廣泛使用智能代理技術進行搜索、導引來查詢有效知識[3]，交互學習和自主學習能力也可得以加強。例如，南京醫科大學超聲教研室自主研發了基于網絡的超聲影像學虛擬學習平臺，該智能化平臺包含超聲科室漫游、虛擬超聲儀器操作、人體虛擬超聲檢查、虛擬超聲病例圖像庫、超聲課程中心和在線超聲考核等智能模塊，學生可進入上述各模塊進行模擬臨床場景式學習，從而訓練超聲檢查技巧，并激發學生對超聲的學習興趣，進而培養臨床辯證思維和診斷能力，取得了良好的教學效果[4]。

2.2 人工智能的應用可提高教學的質量和效率

人工智能通過計算機可為學生提供圖文并茂的豐富信息和數據，一方面加強了學生的感性認識，加強了對所學知識的理解和掌握，從而提高了教學質量。同時，人工智能可幫助教師完成繁雜的、需適應各種教學的教學課程、課件等設計，使教師將更多的精力專注于學與教的行為和過程，從而提高教學效率。正如前面所述例子，智能網絡模塊化學習平臺可使超聲影像教學擺脫以往對于示教病例的依賴和超聲儀器的限制，拓展了學生們的學習空間和時間，可極大地提高影像醫學學習效率和教學質量。

2.3 人工智能可提高學生的思維能力

在體驗、認知過程中，人工智能技術讓學生獲得對非結構化或者是半結構化問題的解決方案的了解，從而起到培養學生多維角度思維的作用，并可模擬人類專家解決復雜問題的思路，提高學生邏輯思維能力的培養[5]。例如學生可以向智能化專家系統提出諸如“為什么（Why）”“如何（How）”等各種問題，系統接指令后，可即時根據推理的邏輯進程將答案實時告訴學生，如同教師與學生在面對面地進行教與學。在整個過程中，學生們可以充分體驗智能化人類專家的求解思路和推理風格，有助于培養和提高學生們的分析、判斷和思維能力[6]。

3 人工智能時代下醫學影像教育新模式的幾點構想

教育與人工智能相結合將會創新教育方式和理念。北京師范大學何克抗教授在《當代教育技術的研究內容與發展趨勢》中提到當代教育技術的五大發展趨勢之一就是“愈來愈重視人工智能在教育中應用的研究”[7]。結合上述人工智能在醫學影像教育中的創新作用，下面就人工智能結合醫學影像學教育新模式提出一些構想。

3.1 樹立影像醫學教育新概念、新理念

首先應變革以往學習限于校園內進行的學校教育觀念，應充分利用網絡、虛擬世界平臺進行學習，學習將不再僅限于校園，而是處處可學并且是時時可學了。并應重新認識并定義教育、知識和學習的本質。

3.2 轉變教育培養目標

改變以往只傳授書本知識、只重記憶不重能力、只重結果不重過程的教育方式和過程。現已邁進知識經濟并且是科技日益創新的時代，我們的醫學影像教學目標也應該是培養學生的批判性、創造性，成為具有實踐能力的創新人才。

3.3 轉化教育培養方式

教育培養需注重課程內容的變化、更新與整合，注重師生關系的改變，教師不再是知識傳授的唯一載體，注重個性化、個別化學習，需對每個學生設計個性化的計劃，課程及方式的多樣化，以取得更好的學習效果。

3.4 構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系

根據以上教學新模式變革的原則，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系甚為關鍵，可以預期人工智能將在醫學影像教育中的應用主要有以下幾類：（1）智能教學系統（intelligent tutoring system，ITS），ITS由專家模塊（知識庫）、學生模塊、教學模塊和智能接口四部分組成[8]。專家模塊（知識庫）屬于教學內容的模塊，關于“教什么”的問題，包含相關領域的教學知識，具備問題解答的能力，對系統生成及學生提出的問題能自動生成正確的答案，而且還能與學生給出的答案相比較，根據比較的結果更新系統的學生模型；學生模塊屬于學生知識狀態的模型，關于“誰在學”的問題。學生模型可以描述學生對教學內容理解、掌握的程度，然后ITS根據學生模型的具體情況調整教學策略并提供適當的反饋；教學模塊屬于教學過程與整個系統的控制模塊，關于“如何教”的問題；智能接口是系統和用戶之間信息交流的橋梁，整個ITS依靠這個模塊把教學內容呈現給用戶，隨時接受用戶的輸入，并向用戶提供反饋信息。（2）智能化考試系統（intelligent examination system，IES），是基于專家系統的考試系統，該考試系統能讓考試真正實現智能化，真實地反映每個學生的情況[9]。（3）智能教學代理（animated pedagogical agent）在教學系統中擔當像人類教師那樣處理教學過程的角色。智能教學代理能根據學生不同的知識基礎、學習行為和學習風格及一些不確定因素進行不同的處理[10]。（4）虛擬現實教學（virtual instruction），是一種雙向交互式教與學的教學形式，參與者與“模擬環境”互相交互進行教學與學習，主要應用形式包括：利用虛擬技術進行知識學習、探究性學習、虛擬實驗、技能訓練及網絡化教學[11]。

總體上看，目前我們仍處于“弱人工智能”向“類人工智能”邁進的階段，人工智能在教育領域的應用研究已初步展開，種種跡象表明人工智能在教育領域應用方面將有著天然的契合[12]。希望并且相信，隨著人工智能包括情感、行為到認知等多維度技術不斷成熟與深化，勢必會給傳統教育與學習方式帶來很大的改革，甚至被顛覆，使教育更加有質量和效率，讓學生有更加開闊的思維能力和更好的綜合能力，人工智能將開啟醫學影像學教育新模式。