探討醫(yī)藥專業(yè)大學(xué)生的“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)

華琳 鄭衛(wèi)英

摘要：21世紀(jì)是生物醫(yī)學(xué)發(fā)展迅猛的時(shí)代，當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，全面培養(yǎng)高素質(zhì)的具有創(chuàng)新精神和科研能力的新型生物醫(yī)藥人才是醫(yī)科大學(xué)的首要任務(wù)。因此，開設(shè)“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程對提高當(dāng)代大學(xué)生的大數(shù)據(jù)分析能力有著十分重要的作用，而如何讓醫(yī)藥專業(yè)的學(xué)生理解大數(shù)據(jù)時(shí)代下的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并能夠應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘軟件解決實(shí)際問題是該課程教學(xué)的重要任務(wù)。本文旨在探討“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)過程，以期使學(xué)生從該課程中獲益。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘;醫(yī)藥專業(yè)大學(xué)生;案例教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）07-0082-03

引言

當(dāng)前，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，在臨床醫(yī)療工作流程中也產(chǎn)生了大量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化文本、影像、基因測序、電生理等數(shù)據(jù)，這些海量數(shù)據(jù)越來越多地被醫(yī)院信息系統(tǒng)收集和存儲。其中不僅包含醫(yī)囑、護(hù)理記錄、藥物使用等診療數(shù)據(jù)，還包括所有醫(yī)患角色、醫(yī)療設(shè)備、管理和服務(wù)人員在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代醫(yī)院信息化管理的電子化、信息化、數(shù)據(jù)化、智能化要求下，醫(yī)療大數(shù)據(jù)存儲量已可用PB級來計(jì)量。由于醫(yī)療數(shù)據(jù)本質(zhì)上與疾病病理相關(guān)，存在極為復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)和相互依存的關(guān)系，因此利用大數(shù)據(jù)分析簡化這種復(fù)雜性和建立智能的關(guān)聯(lián)性識別將會有重大意義。目前，大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)所能提供的智能學(xué)習(xí)算法、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法技術(shù)等對臨床連續(xù)性數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和推理均能達(dá)到很好的應(yīng)用效果。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，對于不同層面的數(shù)據(jù)類型，已發(fā)展了不少統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)方法和生物信息學(xué)方法對各類型醫(yī)療大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。例如，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和生物信息學(xué)方法融入不同的分子生物學(xué)理論，通過海量數(shù)據(jù)挖掘?qū)膊∠嚓P(guān)生物標(biāo)記進(jìn)行提取，從而制訂個(gè)性化治療方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究。醫(yī)藥專業(yè)的大學(xué)生更應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展，學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)的相關(guān)知識?！搬t(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程正是基于這樣的背景開設(shè)的，目的是提高醫(yī)學(xué)生對大數(shù)據(jù)的認(rèn)識，使其學(xué)會掌握常見的數(shù)據(jù)挖掘方法，并能夠應(yīng)用于自己的研究中。由于筆者所在的是醫(yī)科院校，學(xué)生們未來將要深入臨床和科研一線。而隨著生物科技的迅猛發(fā)展及大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，高通量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生需要學(xué)生盡可能多地掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。因此，開設(shè)本課程，一方面是讓學(xué)生了解基本及復(fù)雜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，掌握必要的統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提高學(xué)生數(shù)據(jù)分析處理的能力，另一方面也為學(xué)生的臨床實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助。

當(dāng)前，現(xiàn)代化的教學(xué)模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的以教為主轉(zhuǎn)化為以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的雙主教學(xué)模式。這種新型教學(xué)設(shè)計(jì)模式結(jié)合了以教為主和以學(xué)為主兩種教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)，是我國教育技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者在教育實(shí)踐研究中已經(jīng)證明的非常有效的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模式。[1]而數(shù)據(jù)挖掘課程更是一門實(shí)踐的學(xué)科，需要學(xué)生除了掌握基本統(tǒng)計(jì)知識和數(shù)據(jù)挖掘理論之外，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析實(shí)踐，將此作為學(xué)習(xí)課程的必要補(bǔ)充。數(shù)據(jù)分析實(shí)踐對醫(yī)藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生未來從事科研活動有著重要的實(shí)際意義。由于高年級學(xué)生已經(jīng)熟悉了大學(xué)學(xué)習(xí)的方式和方法，有了高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，且具備穩(wěn)定的內(nèi)部學(xué)習(xí)動機(jī)和明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，因此，他們對教師的教學(xué)方法和手段就會有一定的要求，需要教師深入地挖掘授課方式方法和手段。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法會使學(xué)生感到無趣，而統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)據(jù)挖掘理論中繁瑣的計(jì)算也會使學(xué)生感到厭煩。因此，筆者在本課程中采用了案例教學(xué)的模式，該模式充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的廣泛性，它不僅涉及面廣，而且還包含了各種計(jì)算機(jī)軟件[2]，從而達(dá)到簡化計(jì)算，靈活運(yùn)用統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘理論的目的，這大大提高了學(xué)生對數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的理解，并有效地培養(yǎng)了他們應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。

筆者結(jié)合教學(xué)過程中的心得體會，圍繞案例教學(xué)進(jìn)行的“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”的教學(xué)和實(shí)踐活動，開展數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用分析案例教學(xué)實(shí)踐，幫助學(xué)生樹立面向?qū)嶋H的觀念，提高解決實(shí)際問題的能力。[3]

下面，筆者就以“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程為例探討案例教學(xué)在培養(yǎng)21世紀(jì)的新型生物醫(yī)藥學(xué)人才中的重要作用。

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

筆者對“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即先以講座的形式讓學(xué)生了解醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的相關(guān)知識。接著，通過講座和學(xué)生自學(xué)的形式使其學(xué)會使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘軟件工具（如SPSS軟件、R軟件、plink軟件等）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)上重點(diǎn)講述決策樹、隨機(jī)森林、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、聚類等常見的數(shù)據(jù)挖掘方法，并要求學(xué)生學(xué)會用這些方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)分析思路，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將方法和結(jié)果及相應(yīng)的解釋進(jìn)行總結(jié)，撰寫研究報(bào)告。通過這樣的課程教學(xué)，真正提高學(xué)生在數(shù)據(jù)分析上思考問題和解決問題的能力。該課程的主要內(nèi)容具體如下：

1.以講座的形式講授醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的相關(guān)知識

①醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的科研設(shè)計(jì);

②醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的收集及共享數(shù)據(jù)庫;

③醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的下載。

2.以講座的形式講授數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

①決策樹和隨機(jī)森林分析法;

②貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法;

③關(guān)聯(lián)規(guī)則分析法;

④聚類分析方法。

3.學(xué)生實(shí)際操作訓(xùn)練

①提供一套數(shù)據(jù);

②學(xué)生根據(jù)閱讀的相關(guān)文獻(xiàn)及自己對數(shù)據(jù)的理解，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析思路;

③學(xué)習(xí)使用統(tǒng)計(jì)學(xué)及數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)的軟件，并選擇適合的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法及應(yīng)用軟件工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理;

④總結(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，撰寫研究報(bào)告，如果有可能，爭取發(fā)表論文。

課程設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如下頁圖所示。

教學(xué)成效

“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程在開展兩輪后，取得了一定的教學(xué)成效，學(xué)生在數(shù)據(jù)處理分析方面取得了很大的進(jìn)步。另外，通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘理論及數(shù)據(jù)挖掘軟件的使用，初步達(dá)到了提高學(xué)生綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競爭力的培訓(xùn)目的。通過該課程的教學(xué)，讓學(xué)生們嘗到了學(xué)以致用的樂趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，同時(shí)也促使有興趣的學(xué)生去拓展自己的知識寬度，提高自己的思維能力和解決實(shí)際問題的能力。該課程的主要教學(xué)成果體現(xiàn)在：學(xué)生能夠獨(dú)立地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析思路，并使用統(tǒng)計(jì)軟件及數(shù)據(jù)挖掘軟件處理相應(yīng)的一些數(shù)據(jù)，解釋相應(yīng)的結(jié)果，撰寫研究報(bào)告。這對學(xué)生將來的科研活動很有益處，甚至有的學(xué)生還在期刊上發(fā)表了論文，在本科階段就初嘗了發(fā)表論文的快樂。

筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在課程結(jié)束后對該課程深有體會。例如，有的學(xué)生提到：“面對一個(gè)課題，如引起糖尿病的因素有哪些，我們會調(diào)查出一份數(shù)據(jù)，包含糖尿病、年齡、糖尿病家族史、高血壓史、吸煙史、飲酒史、身高、體重、腰圍、臀圍、收縮壓、舒張壓等，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)去判斷哪些因素是糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，這就需要選擇合適的統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法（如多因素回歸、關(guān)聯(lián)規(guī)則、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等），并選取統(tǒng)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)挖掘工具予以實(shí)現(xiàn)。此外，流行病學(xué)研究中有很多課題，如PM2.5與心血管疾病之間是否有關(guān)系？很多隊(duì)列參與研究，獲得了大量的數(shù)據(jù)，但從這些數(shù)據(jù)中并不能直接看出變量之間是否存在關(guān)系，而通過數(shù)據(jù)挖掘就可以在一定概率下判斷兩者之間的相關(guān)性。”還有的學(xué)生表示：“通過學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘課程，基本掌握了運(yùn)用常用統(tǒng)計(jì)軟件和R軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?！边€有的學(xué)生提到：“通過醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘課程的學(xué)習(xí)，使自己了解和掌握了主要的數(shù)據(jù)挖掘方法，也使日后的科研工作有了更多的新思路?！睂W(xué)生們在學(xué)習(xí)該課程后，驚嘆于醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘的魅力，該課程為學(xué)生提供了很好的實(shí)踐練習(xí)機(jī)會，為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯提供更廣闊的思路。

結(jié)語

對醫(yī)藥專業(yè)大學(xué)生開設(shè)“醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘”課程，提高了本科生的科研創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了他們的科研素質(zhì)，為其進(jìn)一步攻讀研究生和進(jìn)行科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。學(xué)生們通過該課程了解了醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的相關(guān)知識，通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)際操作，掌握了大數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計(jì)軟件（特別是R軟件）的使用，能夠設(shè)計(jì)清晰的分析思路，并能夠應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對結(jié)果進(jìn)行合理地闡述及撰寫研究報(bào)告。

筆者采用案例教學(xué)正是為了發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高他們解決實(shí)際問題的能力。當(dāng)然，目前對該課程的研究還處于探索階段，還要不斷加強(qiáng)師資隊(duì)伍的建設(shè)，教師要積極參與教學(xué)改革，整合各種教學(xué)手段和信息技術(shù)，豐富知識儲備，從而成為學(xué)生真正的良師益友。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳疆.現(xiàn)代教育技術(shù)教程：第三版[D].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]華琳，李林.醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)挖掘案例與實(shí)踐[D].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[3]楊華，張振軍，賈學(xué)龍.淺談開展數(shù)學(xué)建模教育的作用[J].中國輕工教育，2006（2）：46-47.

作者簡介：華琳，博士，首都醫(yī)科大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯锝y(tǒng)計(jì)與生物信息學(xué)，發(fā)表科研論文30余篇，出版教材多部，獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)多項(xiàng)。