基于學科交叉融合的中醫(yī)藥人工智能及實踐課程構建研究*

呂雅麗 許玉龍 朱紅磊

河南中醫(yī)藥大學信息技術學院 鄭州 450046

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，在社會經(jīng)濟、自然科學、人文科學等眾多領域實現(xiàn)了技術落地，引發(fā)了一系列革命性的突破[1]。我國自2015年來，多次將人工智能的發(fā)展和規(guī)劃列入國家政策，逐步確立了人工智能技術在戰(zhàn)略發(fā)展中的重要性。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，“到2030年人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心，智能經(jīng)濟、智能社會取得明顯成效，為躋身創(chuàng)新型國家前列和經(jīng)濟強國奠定重要基礎”。2020年3月，科技部發(fā)布了《關于科技創(chuàng)新支撐復工復產(chǎn)和經(jīng)濟平穩(wěn)運行的若干措施》，在重點舉措的“培育壯大新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式”中，明確提出要大力推動關鍵核心技術攻關，人工智能是其中的一項。2020年1月，教育部、國家發(fā)展改革委和財政部印發(fā)《關于“雙一流”建設高校促進學科融合加快人工智能領域研究生培養(yǎng)的若干意見》，提出要構建基礎理論人才與“人工智能+X”復合型人才并重的培養(yǎng)體系，著力提升人工智能領域研究生培養(yǎng)水平。從政策的發(fā)布可以發(fā)現(xiàn)，我們國家越來越重視人工智能的應用和人工智能基礎層人才與復合型人才的培養(yǎng)。計算機普及性通識課程的開設也成為高等院校人才培養(yǎng)改革的重要內容，其課程建設與教學設計面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。

當前，在中醫(yī)藥領域，人工智能技術發(fā)揮著重大作用，尤其是在挖掘中醫(yī)藥數(shù)據(jù)、輔助鑒別中藥、輔助中醫(yī)診斷、輔助中醫(yī)藥健康管理、輔助中醫(yī)藥教育等領域。順應時代發(fā)展，借助高校通識教育改革，河南中醫(yī)藥大學創(chuàng)建了中醫(yī)藥人工智能及實踐通識課程。該課程是面向大一新生的科普性通識課程，特別適用于中醫(yī)藥類專業(yè)，目前國內兄弟院校尚無此類通識課。該課程講述人工智能的基本原理并介紹具有普適性的算法模型，為學生建立人工智能數(shù)學建模思維奠定基礎[2]。與國內外近似類型課程相比，本課程面向中醫(yī)藥類專業(yè)的實際需求，側重人工智能醫(yī)療系統(tǒng)使用的算法和模型，設置了實際的軟件展示，并提供完整的操作手冊和步驟，讓零基礎的學生能夠參與其中，激發(fā)學習興趣、建立自信。筆者希望經(jīng)過幾年的建設和實踐，該課程能夠在國內中醫(yī)藥類院校得到推廣。

1 課程目標和特色

該課程的構建力求反映人工智能發(fā)展的趨勢和在醫(yī)藥行業(yè)，特別是中醫(yī)藥行業(yè)中的最新應用技術，并且用最直觀的方法讓學生體驗人工智能系統(tǒng)在醫(yī)藥行業(yè)中各個方面的應用，激發(fā)學生學習興趣，開闊學生視野和思路。課程從計算機模擬數(shù)據(jù)智能這一角度來講授人工智能的基本算法和模型，輔以多個中醫(yī)藥應用背景的案例來促進學生對模型的深入了解，幫助學生掌握人工智能脈絡體系，體會具能、使能和賦能中醫(yī)藥的具體含義。通過真實中醫(yī)藥數(shù)據(jù)分析案例的演示和實際操作，使學生深入了解邏輯推理、機器學習、強化學習、博弈對抗等基本模型，明晰人工智能作為手段和方法的應用和在解決中醫(yī)藥實際問題中的作用，從而培養(yǎng)學生的科學與工程思維，促進學生的計算思維與中醫(yī)藥專業(yè)思維交叉融合，形成復合型思維；為各專業(yè)學生今后設計、構造和應用各種計算系統(tǒng)求解學科問題奠定思維基礎；幫助學生提高解讀真實世界系統(tǒng)并解決中醫(yī)藥領域復雜問題的能力。其特色如下。

1）課程建設專注于人工智能在中醫(yī)藥領域的應用，充分體現(xiàn)學科交叉特色。課程內容以前沿人工智能在中醫(yī)藥研究領域的科研成果為主線，通過項目導入、專業(yè)知識介紹、任務分解、程序實現(xiàn)等環(huán)節(jié)，逐步闡述人工智能在中醫(yī)藥領域的應用，并介紹了人工智能軟件的操作實踐，以提高學生的興趣，開闊學生的視野和思路。

2）課程注重基礎普及性教學，充分體現(xiàn)通識課特色。內容上側重培養(yǎng)學生的科學與工程思維--計算思維[3]，促進學生的計算思維與中醫(yī)藥專業(yè)思維交叉融合形成復合型思維，為各專業(yè)學生今后設計、構造和應用各種計算系統(tǒng)求解不同學科問題奠定思維基礎，幫助學生提高解讀真實世界系統(tǒng)并解決中醫(yī)藥范圍復雜問題的能力。

3）課程體現(xiàn)人工智能發(fā)展的趨勢和在醫(yī)藥行業(yè)，特別是在中醫(yī)藥行業(yè)中的最新應用技術，充分體現(xiàn)科學研究的前沿性。課程介紹了自然世界中豐富多彩的“自然智能”和由此啟發(fā)產(chǎn)生的“智能計算”模型與方法，以及形式多樣的“智能系統(tǒng)”與日新月異的“智能前沿”，內容涉及醫(yī)學、生物、社會與智能科技等多學科知識，以提升科學文化素質、開闊學科知識視野、增強科技創(chuàng)新意識為目標。

2 課程內容設置

課程全面而系統(tǒng)地介紹人工智能的理論和在中醫(yī)藥領域的實踐應用，闡述人工智能領域的核心內容，并介紹各個主要的研究方向和應用。整體內容分為8 個知識模塊，理論和實踐相結合，前后融會貫通。第1 部分是人工智能及其應用概述；第2 到第6 部分分別從圖搜索、邏輯回歸、監(jiān)督學習、無監(jiān)督學習、深度學習、強化學習等方面對人工智能技術及其在中醫(yī)藥中的應用進行介紹；第7 部分闡述案例的編程實現(xiàn)；第8 部分介紹人工智能的未來發(fā)展和趨勢。具體內容結構如下。

1）人工智能概述及發(fā)展史。該知識模塊主要是課程簡介，內容包括人工智能技術發(fā)展的背景和過程、可計算思想的起源和發(fā)展、機器學習簡介、深度學習簡介、強化學習簡介等。旨在通過通俗的例子讓學生了解人工智能技術及其實際應用。

2）人工智能在中醫(yī)藥領域中的應用概述。該知識模塊從五個方面簡要介紹人工智能技術在中醫(yī)藥領域的應用，具體為：利用人工智能技術挖掘中醫(yī)藥數(shù)據(jù)、利用人工智能技術輔助鑒別中藥、利用人工智能技術輔助中醫(yī)診斷、利用人工智能技術輔助中醫(yī)藥健康管理、利用人工智能技術輔助中醫(yī)藥教育。這一部分內容是概述也是綜述，通過簡單案例引入、理論知識簡要介紹、現(xiàn)狀分析等環(huán)節(jié)，讓學生了解到人工智能技術在中醫(yī)藥領域應用的方方面面，激發(fā)學生的學習興趣。

3）監(jiān)督學習及其在中醫(yī)藥領域中的應用。該知識模塊從分類和回歸概述、貝葉斯算法原理及其在中醫(yī)證候辨識中的應用、支持向量機原理及其在中醫(yī)藥中的應用、決策樹和隨機森林原理及其在中醫(yī)藥中的應用、人工神經(jīng)網(wǎng)絡基本原理及其在中醫(yī)藥中的應用等方面進行講授。

4）無監(jiān)督學習及其在中醫(yī)藥領域中的應用。該知識模塊從聚類算法及典型案例分析、降維算法及典型案例分析、主成分分析等方面進行教授。

5）深度學習及其在中醫(yī)藥領域中的應用。該知識模塊包括前饋神經(jīng)網(wǎng)絡、反向傳播機制、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、自然語言處理模型、圖像分類、目標檢測和圖像分割，以及深度學習模型在中醫(yī)舌診中的應用等內容。針對舌部圖像特點選取合適的深度學習模型、講解訓練方法、講解驗證方法、講解調參依據(jù)和方法、執(zhí)行分類操作、執(zhí)行分割操作、構建基于深度學習模型應用圖像分類和分割構建舌診系統(tǒng)。

6）強化學習。強化學習是讓計算機通過不斷地嘗試，從錯誤中學習，最后找到規(guī)律，學會達到目的的方法。該知識模塊從馬爾可夫過程、馬爾可夫獎勵過程、馬爾可夫決策過程三方面來逐步描述強化學習的原理，并通過實例介紹動態(tài)規(guī)劃、Sarsa、Q-learning 等經(jīng)典算法思想。

7）案例實現(xiàn)與分析。該模塊主要是案例實現(xiàn)，讓學生從實踐中理解和掌握人工智能技術在中醫(yī)藥領域的應用。其內容包括編程基礎和應用案例編程實現(xiàn)。編程基礎主要介紹程序設計語言概述、程序設計基礎、序列數(shù)據(jù)類型。應用案例編程實現(xiàn)主要包括線性分類模型分析中醫(yī)藥數(shù)據(jù)、k-means 聚類算法分析中醫(yī)藥數(shù)據(jù)、特征降維案例分析等。

8）人工智能未來發(fā)展和趨勢。這一部分是讓學生了解最新的技術方向及其應用領域。

3 教學方法

課程設計上采用“科普講座式的案例教學”，全程以中醫(yī)藥科研成果和科研項目中的分析案例為主線，通過項目導入、專業(yè)知識介紹、任務分解、程序實現(xiàn)等環(huán)節(jié)，逐步闡述人工智能在中醫(yī)藥領域的應用及實踐操作。整個過程融理論知識傳授、能力培養(yǎng)、職業(yè)素質于一體，提高了中醫(yī)藥專業(yè)學生在實際學習中的人工智能方法建模能力，最終實現(xiàn)將科研成果反哺教學、提升教學質量的目的。

4 課程考核

本課程注重信息化素養(yǎng)的培養(yǎng)與綜合能力的提升，以形成性考核方式進行課程考核。考核過程基于課堂派軟件和課程學習平臺開展，主要由四個部分組成。

1）平時作業(yè)（占總分的30%）。根據(jù)課程內容需要，布置作業(yè)。根據(jù)學生完成作業(yè)的次數(shù)和質量評分。

2）學習討論（占總分的20%）。通過課堂派的話題功能，每個章節(jié)設置1 個討論話題，由學生通過手機自由發(fā)言。依據(jù)學生發(fā)言的數(shù)量和質量，進行評分。

3）小組匯報（占總分的20%）。將學生分組，結合章節(jié)的教學內容為每個小組指定研究題目，學生根據(jù)研究題目進行自主研究性學習，并進行匯報。依據(jù)研究成果和匯報情況，進行評分。

4）設計任務（占總分的30%）。建設本課程研究性題目庫，學生自行選擇1 個題目，開展學習研究，撰寫研究報告。依據(jù)研究報告進行評分。

5 結束語

人工智能技術作為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的驅動力，必將帶來巨大的科技革命，并重構生產(chǎn)、分配、交換、消費等經(jīng)濟活動各環(huán)節(jié)，大力推動智慧醫(yī)療、智能制造、無人配送、在線教育等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中醫(yī)藥人工智能及實踐課程的構建既體現(xiàn)了人工智能技術助力智慧醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也順應了復合型人才培養(yǎng)的趨勢，是高校學科發(fā)展的需要。本課程是面向大一新生的科普性通識課程，特別適用于中醫(yī)藥類專業(yè)。該課程已在學校開設了兩個學期，學生選課熱度很高，學習效果很好。后期筆者將繼續(xù)完善教學資源，改進教學方法，促進課程的完善和推廣。