新工科背景下計算機(jī)與生命科學(xué)專業(yè)交叉的實踐教學(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)使得對復(fù)合型的新工科專業(yè)人才需求更加迫切。要發(fā)展新工科的專業(yè)建設(shè)，必須結(jié)合我國發(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)與計算機(jī)交叉的實踐教學(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： 實踐教學(xué)體系; 信息技術(shù); 生命科學(xué); 新工科

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：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，我國著手推動高校體制創(chuàng)新，以進(jìn)一步深化、拓展新工科建設(shè)，培養(yǎng)未來創(chuàng)新科技的領(lǐng)軍人才，從而在未來科技發(fā)展中搶占先機(jī)。新工科專業(yè)意味著對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，并以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)為主要手段[1]。相對于傳統(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)新能力和實踐能力，在未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)中將更具競爭力。

隨著計算機(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)等多個交叉學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生并發(fā)展起來[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)存儲和分析臨床、化學(xué)、生物等數(shù)據(jù)。

1 計算機(jī)與生命科學(xué)專業(yè)交叉融合的現(xiàn)狀及分析

早在2003年，計算機(jī)與生命科學(xué)專業(yè)交叉融合誕生的醫(yī)學(xué)信息學(xué)專業(yè)就已經(jīng)被教育部列在高等教育專業(yè)中。各校對醫(yī)學(xué)信息學(xué)專業(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，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，計算機(jī)與生命科學(xué)專業(yè)交叉研究仍存在諸多問題：科研基金支持和評價模式較單一，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)出其利用價值[4-5]。

2 計算機(jī)+生命科學(xué)專業(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在進(jìn)行醫(yī)療信息化的過程中的瓶頸。培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型生物醫(yī)學(xué)信息人才是全社會對計算機(jī)與生命科學(xué)交叉融合專業(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)新能力和實踐能力。具體到專業(yè)的課程設(shè)置，特別是支撐新工科要求的實踐類課程體系的設(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：為計算機(jī)與生命科學(xué)的交叉專業(yè)人才培養(yǎng)提供有價值的評價體系，并為相關(guān)實踐課程的教學(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)信息類等交叉專業(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)信息專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建

針對上述問題，來研究大數(shù)據(jù)背景下服務(wù)于醫(yī)學(xué)信息等交叉專業(yè)的實踐教學(xué)體系。具體地分為基于應(yīng)用的實驗內(nèi)容優(yōu)化、基于任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法和基于項目的實踐創(chuàng)新三個方面。

3.1 基于應(yīng)用的實驗內(nèi)容優(yōu)化

醫(yī)學(xué)信息交叉專業(yè)是理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要同時具有計算機(jī)專業(yè)和醫(yī)學(xué)衛(wèi)生知識，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)過程生動有趣。

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

3.2 基于任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法

基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)是指學(xué)生在完成任務(wù)的強(qiáng)烈動機(jī)的驅(qū)動下，依賴于老師的幫助，緊密地圍繞一個任務(wù)，搜索并積極應(yīng)用學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行主動摸索、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，將有利于啟發(fā)學(xué)生積極自主參加相應(yīng)的實踐活動。

因此，我系建立有效的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式。在醫(yī)學(xué)信息學(xué)課程教學(xué)過程中，我們以醫(yī)院大數(shù)據(jù)案例為依托，以搭建一個醫(yī)療數(shù)據(jù)分析平臺為任務(wù)開展相關(guān)教學(xué)活動。整個教學(xué)過程包含醫(yī)院調(diào)研、需求分析、系統(tǒng)實現(xiàn)、功能測試、驗收答辯等多個環(huán)節(jié)，從而提升學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的技巧。

3.3 基于項目的實踐創(chuàng)新

所謂“項目驅(qū)動”就是在學(xué)習(xí)過程中，結(jié)合指導(dǎo)教師的科研項目，搭建不同專業(yè)間的老師和學(xué)生的交流學(xué)習(xí)平臺，從而促進(jìn)醫(yī)學(xué)和信息學(xué)科的交叉融合，通過搭建交叉培養(yǎng)實驗室、開展項目研討會等方式，實現(xiàn)資源共享[9]。基于大數(shù)據(jù)、人工智能等信息思維為生命科學(xué)問題提供有效的解決方案，同時依托生物醫(yī)學(xué)信息項目為相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供高質(zhì)量的實訓(xùn)條件，最終為計算機(jī)技術(shù)找到合適的生命科學(xué)應(yīng)用落腳點。

4 實踐教學(xué)體系構(gòu)建的實施路徑

4.1 基于應(yīng)用的實施路徑

結(jié)合生命科學(xué)的特點，重新編寫綜合實訓(xùn)、課程設(shè)計等內(nèi)容。可考慮將復(fù)雜的實際的信息工程問題劃分為多個子問題，作為實訓(xùn)內(nèi)容，由學(xué)生自主以班級為單位劃分成不同的小組，各自負(fù)責(zé)完成一個醫(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)動的實施路徑可貫穿整個課程教學(xué)的始終，以便達(dá)到模擬醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)全過程的教學(xué)目標(biāo)，完成包括需求分析、目標(biāo)設(shè)定、目標(biāo)分解、方案實施、功能測試等的一系列教學(xué)內(nèi)容。

4.2 基于任務(wù)驅(qū)動的實施路徑

通過給學(xué)生設(shè)置不同的課程任務(wù)來進(jìn)一步提升實踐能力。比如，為了提高學(xué)生對于醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用的總體認(rèn)識，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。制定評分規(guī)則，然后通過相關(guān)的口頭報告進(jìn)行打分，特別設(shè)計了學(xué)生提問加分的機(jī)制，鼓勵學(xué)生自主思考，主動參與口頭報告。同時，舉辦生物醫(yī)學(xué)信息競賽也是任務(wù)驅(qū)動實施的重要方式之一，在參與競賽的過程中，學(xué)生可以全面地提升專業(yè)技術(shù)能力。各種任務(wù)驅(qū)動的實施方式可以使原本抽象的課程知識變得生動形象。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生將獲得極大的集體榮譽(yù)感和成就感。

通過重新編寫課程設(shè)計布置的任務(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踐，使所學(xué)的計算機(jī)技術(shù)知識應(yīng)用到生命科學(xué)中的軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)分析等。

4.3 基于項目的實施路徑

醫(yī)學(xué)信息交叉科研項目是醫(yī)學(xué)信息交叉培養(yǎng)研究生的重要載體。依賴于指導(dǎo)教師的不同項目建立合適的運(yùn)營機(jī)制，從而為交叉培養(yǎng)的研究生設(shè)定個性化的培養(yǎng)方案。并且，通過學(xué)科交叉實驗室內(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目。

由于生物醫(yī)學(xué)信息交叉實驗室是以信息技術(shù)和生命科學(xué)交叉為基礎(chǔ)，因此，明確實驗室的主攻目標(biāo)，保障項目資金來源，是實施項目教學(xué)的重點，同時，還需要科研場地、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，從而實現(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

本文主要討論了新工科背景下計算機(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踐路徑，順應(yīng)了新經(jīng)濟(jì)時代的發(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程中，還需不斷改革與創(chuàng)新，提高計算機(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)生的專業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 周劍峰，韓民.新工科專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2017.44：109-110

[2] 胡尚連，龍治堅，任鵬，陳紅春，曹穎，黃艷.多學(xué)科交叉融合下實踐教學(xué)體系的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2019.36：210-213

[3] 趙玉暉.醫(yī)學(xué)信息學(xué)教育在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的變革研究[J].中國當(dāng)代醫(yī)藥，2019.26：185-187

[4] 王元強(qiáng)，郝尚富，張曉.醫(yī)學(xué)信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀分析[J].河北北方學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2014.1：108-112

[5] 檀旦，王孝寧，趙玉虹.衛(wèi)生信息人才教育研究現(xiàn)狀分析[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志，2012.33：2-7

[6] 丁明，孫蘭萍，高善春，王艷春，劉春景，張自軍，李宗群[J].新經(jīng)濟(jì)背景下地方院校新工科建設(shè)的探索與實踐 蚌埠學(xué)院學(xué)報，2020.9（50）：100-102

[7] 孫文彬.整合實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化實驗教學(xué)安排[J].陜西教育（高教），2009.7：198

[8] 張穎，張繼平，宋巖.基于“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法的實驗教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索，2013.32（11）：167-170

[9] 時麗芳，呂超飛，左偉，袁永旭.基于項目驅(qū)動教學(xué)法構(gòu)建醫(yī)學(xué)信息交叉學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式[J].中華醫(yī)學(xué)圖書情報雜志，2017.26（12）：73-78