醫學決策分析課程中的視覺認知教學

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1 醫學決策分析課程教學現狀

數字技術與學科課程整合已經成為教育信息化進程中的一個熱點和發展趨勢[1-2]，醫學決策分析是一門理論抽象、方法較多以及應用十分廣泛的課程[3]。面對醫學大數據和大數據醫療政務的緊迫應用需求，目前教學過程中普遍存在課時少、重點難和內容繁多等教學問題。

“醫學決策分析”方法是醫學生進行數據分析輔助決策和實踐的重要工具，是醫學生衛生統計課程的重要補充和拓展[4]。大數據時代，掌握決策分析的知識和技能已經成為國內外公認的醫學信息類專業和預防醫學專業畢業生必備的基本素質。學習決策分析的主要目的是培養計算思維能力，掌握基本的醫學信息決策分析方法，并能夠借助計算機軟件分析數據，充分利用和正確理解近30年來各種醫藥衛生信息系統中沉積的海量數據。

然而，目前較為普遍的教學方式仍是教師課堂講解，分析模型用數學公式表達，學生被動理解。加上課時相對較少，決策分析的模型和概念抽象、邏輯推理又很強，“決策分析課程”已成為各醫藥院校公認的難教且難學的課程。教師的時間和精力主要花費在教學內容的多班次重復講授，難以分身研究學生的具體學習問題，課程中答疑解惑的有效時間相對較少；對學生而言，決策分析的概念和方法繁多且較為抽象，課程中的被動聽課狀態使得學生自主學習的能力沒有得到充分鍛煉[5]。學習效果有待提高，學生對分析模型的理解有待加強，對自己的學習過程難以進行客觀評價和查漏補缺。

為此，需要對“醫學決策分析”課程的教學內容和教學模式進行深刻變革，以更好地滿足對人才培養的要求。動畫作為信息技術中的重要組成部分，具有善于表現抽象內容、“以形喻理”和“深入淺出”等特點。在醫學決策分析教學過程中運用教學動畫等能提高知識傳授的有效性。

2 抽象概念的動畫設計在醫學決策分析課程中的應用

按照教學大綱的要求，醫學決策分析課程中較為抽象的核心概念和教學重點是聚類分析與決策、關聯分析和決策樹分類決策[6]。

教師若能將以上內容進行可視化轉換，通過flash動畫技術，采用文本、圖形和動畫相結合的方式，將抽象概念形象化，使其更為直觀易懂，通過視覺認知強化教學效果；能夠激發學生的學習興趣，加深對抽象模型的領悟，有利于學生在短時間內對知識點進行理解和記憶[7]。

2.1 聚類分析二維三維動畫

以“聚類分析”為例，參見圖1(a)和圖1(b)，從對二維散布點的隨機聚類中心點尋找開始，圖1(a)中的三個五角星是假定要聚成三類的初始中心位置，通過點之間的距離計算，中心點不斷移動和迭代計算，到得出局部最優解結束圖1(b)，使學生對劃分方法中的k-means聚類算法的尋優過程有直觀的了解。該聚類動畫過程使學生對隨機中心點選擇和算法尋優的數學過程有進一步的理解。

圖1 (a) 隨機聚類中心點尋找 (b) 聚類尋優結束后的結果

以某市衛生監督所對該市六個區醫療衛生服務機構檢查評分結果聚類，三維坐標代表3個指標，它們分別是檢查扣分、區人均產值和區醫技人數，如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 (a) 隨機聚類中心點尋找 (b) 聚類尋優結束后的結果

從圖2可看出，被扣分數少的區人均產值和區醫技人數情況均較好；被扣分數多的區人均產值和區醫技人數情況均比較差。此結果為市衛生監督所制定醫療衛生服務機構檢查合格指標提供了依據。

三維動畫的聚類過程展示，能很好地調動學生視覺認知潛能，提升從二維空間到多維聚類空間的抽象思維想象能力，上課時學生會要求重復播放這段動畫，直到充分理解為止。

2.2 關聯規則和決策樹教學動畫

關聯規則計算最基本的一項工作是計算頻繁項集，為此需要逐層搜索迭代。圖3是Apriori算法的迭代過程中的一步，它用不同顏色代表一個患者同時患有的不同病癥，通過動畫將頻繁項集為1、2、3、4…項逐一展現，關聯的特性會一目了然，例如圖3中的肥胖現象很明顯地與各種慢性病“共存”。

圖3 關聯規則頻繁項集計算過程之一

決策樹算法是一種逼近離散函數值的方法。首先對數據進行處理，利用歸納算法生成可讀的規則和決策樹，然后使用決策樹對新數據進行分析[8]。根據計算G值逐層剪枝，剪掉一些G值較小的沒用的分支，決策樹剪枝結果如圖4所示。

用動畫表現決策分析的數學方法的最大特點是生動明確地分層展示計算數學中的每個迭代過程，使原本對醫學生晦澀難懂的集約型數學公式按其計算順序層層展開，視覺認知使抽象的概念形象化[9]。

圖4 決策樹的剪枝過程之一

3 醫學決策分析課程動畫教學效果

計算機數據分析大多存在迭代計算的過程，用動畫來解說迭代計算概念，視覺展示“淋漓盡致”。將這些演繹基本決策分析概念的動畫作品放入相應知識點的拓展資源中，拓展了學生的學習視角[10]。

我校本學期的動畫教學試點在視覺認知、迭代過程剖析和教學探究等3個層面上，針對醫學決策分析教學重點講解，合理進行了教學認知的二次設計，實現了知識的直觀傳遞。教師將豐富的教學經驗和精髓體現于教學動畫的剖析過程中，積極引導學生主動發現、分析和解決問題，有助于培養學生的計算思維能力和自主學習意識。視覺認知教學對于信息化環境下的教學改革具有積極的促進作用。

對醫藥院校學生講授數學模型和計算機算法在醫學數據分析中的應用，數學的高度抽象性往往是教學的難點。本文在教學媒體和策略方面做了一些探索，受到學生歡迎。但僅有3個動畫模型，豐富性和全面性還很不夠，且受限于制作者對模型的理解和制作腳本的設計水平，還需要不斷地優化和完善。