基于學(xué)科交叉融合的中醫(yī)藥人工智能及實(shí)踐課程構(gòu)建研究*

呂雅麗 許玉龍 朱紅磊

河南中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 鄭州 450046

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，在社會經(jīng)濟(jì)、自然科學(xué)、人文科學(xué)等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)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(shù)在戰(zhàn)略發(fā)展中的重要性?！缎乱淮斯ぶ悄馨l(fā)展規(guī)劃》提出，“到2030年人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心，智能經(jīng)濟(jì)、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(jì)強(qiáng)國奠定重要基礎(chǔ)”。2020年3月，科技部發(fā)布了《關(guān)于科技創(chuàng)新支撐復(fù)工復(fù)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的若干措施》，在重點(diǎn)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(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，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(guān)于“雙一流”建設(shè)高校促進(jìn)學(xué)科融合加快人工智能領(lǐng)域研究生培養(yǎng)的若干意見》，提出要構(gòu)建基礎(chǔ)理論人才與“人工智能+X”復(fù)合型人才并重的培養(yǎng)體系，著力提升人工智能領(lǐng)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(yīng)用和人工智能基礎(chǔ)層人才與復(fù)合型人才的培養(yǎng)。計算機(jī)普及性通識課程的開設(shè)也成為高等院校人才培養(yǎng)改革的重要內(nèi)容，其課程建設(shè)與教學(xué)設(shè)計面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，在中醫(yī)藥領(lǐng)域，人工智能技術(shù)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(lǐng)域。順應(yīng)時代發(fā)展，借助高校通識教育改革，河南中醫(yī)藥大學(xué)創(chuàng)建了中醫(yī)藥人工智能及實(shí)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(nèi)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(xué)生建立人工智能數(shù)學(xué)建模思維奠定基礎(chǔ)[2]。與國內(nèi)外近似類型課程相比，本課程面向中醫(yī)藥類專業(yè)的實(shí)際需求，側(cè)重人工智能醫(yī)療系統(tǒng)使用的算法和模型，設(shè)置了實(shí)際的軟件展示，并提供完整的操作手冊和步驟，讓零基礎(chǔ)的學(xué)生能夠參與其中，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、建立自信。筆者希望經(jīng)過幾年的建設(shè)和實(shí)踐，該課程能夠在國內(nèi)中醫(yī)藥類院校得到推廣。

1 課程目標(biāo)和特色

該課程的構(gòu)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(yīng)用技術(shù)，并且用最直觀的方法讓學(xué)生體驗人工智能系統(tǒng)在醫(yī)藥行業(yè)中各個方面的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生視野和思路。課程從計算機(jī)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(yīng)用背景的案例來促進(jìn)學(xué)生對模型的深入了解，幫助學(xué)生掌握人工智能脈絡(luò)體系，體會具能、使能和賦能中醫(yī)藥的具體含義。通過真實(shí)中醫(yī)藥數(shù)據(jù)分析案例的演示和實(shí)際操作，使學(xué)生深入了解邏輯推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、博弈對抗等基本模型，明晰人工智能作為手段和方法的應(yīng)用和在解決中醫(yī)藥實(shí)際問題中的作用，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)與工程思維，促進(jìn)學(xué)生的計算思維與中醫(yī)藥專業(yè)思維交叉融合，形成復(fù)合型思維；為各專業(yè)學(xué)生今后設(shè)計、構(gòu)造和應(yīng)用各種計算系統(tǒng)求解學(xué)科問題奠定思維基礎(chǔ)；幫助學(xué)生提高解讀真實(shí)世界系統(tǒng)并解決中醫(yī)藥領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力。其特色如下。

1）課程建設(shè)專注于人工智能在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，充分體現(xiàn)學(xué)科交叉特色。課程內(nèi)容以前沿人工智能在中醫(yī)藥研究領(lǐng)域的科研成果為主線，通過項目導(dǎo)入、專業(yè)知識介紹、任務(wù)分解、程序?qū)崿F(xiàn)等環(huán)節(jié)，逐步闡述人工智能在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，并介紹了人工智能軟件的操作實(shí)踐，以提高學(xué)生的興趣，開闊學(xué)生的視野和思路。

2）課程注重基礎(chǔ)普及性教學(xué)，充分體現(xiàn)通識課特色。內(nèi)容上側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)與工程思維--計算思維[3]，促進(jìn)學(xué)生的計算思維與中醫(yī)藥專業(yè)思維交叉融合形成復(fù)合型思維，為各專業(yè)學(xué)生今后設(shè)計、構(gòu)造和應(yīng)用各種計算系統(tǒng)求解不同學(xué)科問題奠定思維基礎(chǔ)，幫助學(xué)生提高解讀真實(shí)世界系統(tǒng)并解決中醫(yī)藥范圍復(fù)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(yīng)用技術(shù)，充分體現(xiàn)科學(xué)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(nèi)容涉及醫(yī)學(xué)、生物、社會與智能科技等多學(xué)科知識，以提升科學(xué)文化素質(zhì)、開闊學(xué)科知識視野、增強(qiáng)科技創(chuàng)新意識為目標(biāo)。

2 課程內(nèi)容設(shè)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(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，闡述人工智能領(lǐng)域的核心內(nèi)容，并介紹各個主要的研究方向和應(yīng)用。整體內(nèi)容分為8 個知識模塊，理論和實(shí)踐相結(jié)合，前后融會貫通。第1 部分是人工智能及其應(yīng)用概述；第2 到第6 部分分別從圖搜索、邏輯回歸、監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方面對人工智能技術(shù)及其在中醫(yī)藥中的應(yīng)用進(jìn)行介紹；第7 部分闡述案例的編程實(shí)現(xiàn)；第8 部分介紹人工智能的未來發(fā)展和趨勢。具體內(nèi)容結(jié)構(gòu)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(nèi)容包括人工智能技術(shù)發(fā)展的背景和過程、可計算思想的起源和發(fā)展、機(jī)器學(xué)習(xí)簡介、深度學(xué)習(xí)簡介、強(qiáng)化學(xué)習(xí)簡介等。旨在通過通俗的例子讓學(xué)生了解人工智能技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用。

2）人工智能在中醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用概述。該知識模塊從五個方面簡要介紹人工智能技術(shù)在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，具體為：利用人工智能技術(shù)挖掘中醫(yī)藥數(shù)據(jù)、利用人工智能技術(shù)輔助鑒別中藥、利用人工智能技術(shù)輔助中醫(yī)診斷、利用人工智能技術(shù)輔助中醫(yī)藥健康管理、利用人工智能技術(shù)輔助中醫(yī)藥教育。這一部分內(nèi)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(xué)生了解到人工智能技術(shù)在中醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的方方面面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3）監(jiān)督學(xué)習(xí)及其在中醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)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(yīng)用、支持向量機(jī)原理及其在中醫(yī)藥中的應(yīng)用、決策樹和隨機(jī)森林原理及其在中醫(yī)藥中的應(yīng)用、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理及其在中醫(yī)藥中的應(yīng)用等方面進(jìn)行講授。

4）無監(jiān)督學(xué)習(xí)及其在中醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)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(jìn)行教授。

5）深度學(xué)習(xí)及其在中醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。該知識模塊包括前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反向傳播機(jī)制、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理模型、圖像分類、目標(biāo)檢測和圖像分割，以及深度學(xué)習(xí)模型在中醫(yī)舌診中的應(yīng)用等內(nèi)容。針對舌部圖像特點(diǎn)選取合適的深度學(xué)習(xí)模型、講解訓(xùn)練方法、講解驗證方法、講解調(diào)參依據(jù)和方法、執(zhí)行分類操作、執(zhí)行分割操作、構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)模型應(yīng)用圖像分類和分割構(gòu)建舌診系統(tǒng)。

6）強(qiáng)化學(xué)習(xí)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)是讓計算機(jī)通過不斷地嘗試，從錯誤中學(xué)習(xí)，最后找到規(guī)律，學(xué)會達(dá)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(qiáng)化學(xué)習(xí)的原理，并通過實(shí)例介紹動態(tài)規(guī)劃、Sarsa、Q-learning 等經(jīng)典算法思想。

7）案例實(shí)現(xiàn)與分析。該模塊主要是案例實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生從實(shí)踐中理解和掌握人工智能技術(shù)在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。其內(nèi)容包括編程基礎(chǔ)和應(yīng)用案例編程實(shí)現(xiàn)。編程基礎(chǔ)主要介紹程序設(shè)計語言概述、程序設(shè)計基礎(chǔ)、序列數(shù)據(jù)類型。應(yīng)用案例編程實(shí)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(xué)生了解最新的技術(shù)方向及其應(yīng)用領(lǐng)域。

3 教學(xué)方法

課程設(shè)計上采用“科普講座式的案例教學(xué)”，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(dǎo)入、專業(yè)知識介紹、任務(wù)分解、程序?qū)崿F(xiàn)等環(huán)節(jié)，逐步闡述人工智能在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用及實(shí)踐操作。整個過程融理論知識傳授、能力培養(yǎng)、職業(yè)素質(zhì)于一體，提高了中醫(yī)藥專業(yè)學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)中的人工智能方法建模能力，最終實(shí)現(xiàn)將科研成果反哺教學(xué)、提升教學(xué)質(zhì)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(jìn)行課程考核?？己诉^程基于課堂派軟件和課程學(xué)習(xí)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(nèi)容需要，布置作業(yè)。根據(jù)學(xué)生完成作業(yè)的次數(shù)和質(zhì)量評分。

2）學(xué)習(xí)討論（占總分的20%）。通過課堂派的話題功能，每個章節(jié)設(shè)置1 個討論話題，由學(xué)生通過手機(jī)自由發(fā)言。依據(jù)學(xué)生發(fā)言的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)行評分。

3）小組匯報（占總分的20%）。將學(xué)生分組，結(jié)合章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容為每個小組指定研究題目，學(xué)生根據(jù)研究題目進(jìn)行自主研究性學(xué)習(xí)，并進(jìn)行匯報。依據(jù)研究成果和匯報情況，進(jìn)行評分。

4）設(shè)計任務(wù)（占總分的30%）。建設(shè)本課程研究性題目庫，學(xué)生自行選擇1 個題目，開展學(xué)習(xí)研究，撰寫研究報告。依據(jù)研究報告進(jìn)行評分。

5 結(jié)束語

人工智能技術(shù)作為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的驅(qū)動力，必將帶來巨大的科技革命，并重構(gòu)生產(chǎn)、分配、交換、消費(fèi)等經(jīng)濟(jì)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(shí)踐課程的構(gòu)建既體現(xiàn)了人工智能技術(shù)助力智慧醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也順應(yīng)了復(fù)合型人才培養(yǎng)的趨勢，是高校學(xué)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(xué)校開設(shè)了兩個學(xué)期，學(xué)生選課熱度很高，學(xué)習(xí)效果很好。后期筆者將繼續(xù)完善教學(xué)資源，改進(jìn)教學(xué)方法，促進(jìn)課程的完善和推廣。