游晚芳 李妤馨 吳海燕

(1. 四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院；2. 四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院藥理教研室，四川 成都 610041)

1 人工智能(Artificial intelligence, AI)概念

人工智能(Artificial intelligence，AI)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)等多種學(xué)科互相滲透而發(fā)展起來的一門綜合性的交叉學(xué)科和前沿學(xué)科[1]。隨著醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，其中仍有大量尚待解決的問題，以及醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中對(duì)探索分析的需要都在不斷增長，“著醫(yī)學(xué)醫(yī)療”的產(chǎn)業(yè)化提速已成為不可阻擋的趨勢。2003年，教育部頒布的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，將AI列為選修課程，由此開啟了AI與教育相結(jié)合的時(shí)代[2]。而“2D醫(yī)療”是人工智能與醫(yī)療相結(jié)合的一種新形勢，當(dāng)前隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能和醫(yī)療結(jié)合已經(jīng)是大勢所趨。

先進(jìn)的AI技術(shù)不僅可以用于提高醫(yī)療水平和質(zhì)量[3]，更可以用于醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)。在藥理學(xué)中，我們依然有很多未被查明的藥理過程、有許多藥物尚待發(fā)掘，AI可以在短時(shí)間內(nèi)精確篩選出符合條件的化學(xué)物質(zhì)或者藥理過程，并通過其強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能力來一一進(jìn)行無用排除。假如對(duì)藥理學(xué)教學(xué)過程中引進(jìn)AI，既可以增強(qiáng)學(xué)生的探索能力與發(fā)散性思維，亦能提升學(xué)生的動(dòng)手能力。因此，本文以藥理學(xué)教育為例，通過結(jié)合教育人工智能(Educational artificial intelligence，EAI)，討論EAI與藥理學(xué)教育的結(jié)合運(yùn)用。

2 EAI的概念

教育人工智能(EAI)，是AI與學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合而形成的一個(gè)新領(lǐng)域(如圖1)。

EAI的目標(biāo)有兩個(gè)：一是促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展和人工智能工具在教育中高效、靈活及個(gè)性化的使用；二是使用精確的計(jì)算和清晰的形式表示教育學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)中含糊不清的知識(shí)，讓人工智能成為打開“學(xué)習(xí)黑匣子”的重要工具。換言之，EAI重在通過人工智能技術(shù)，更深入、更微觀地窺視、理解學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的，是如何受到外界各種因素(如社會(huì)經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)環(huán)境、科學(xué)技術(shù)等)影響的，進(jìn)而為學(xué)習(xí)者高效地進(jìn)行學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件[2]。

在教育人工智能中，教學(xué)模型、領(lǐng)域知識(shí)模型和學(xué)習(xí)者模型是其核心。教學(xué)模型主要包含教學(xué)的專業(yè)知識(shí)、技能和有效方法，領(lǐng)域知識(shí)模型包含了學(xué)生所學(xué)科目的專業(yè)知識(shí)體系，學(xué)習(xí)者模型可以展現(xiàn)計(jì)算機(jī)與學(xué)習(xí)者的互動(dòng)。在學(xué)習(xí)者模型中，計(jì)算機(jī)可以通過學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)、情緒狀態(tài)等方面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，同時(shí)可以根據(jù)不同學(xué)習(xí)者個(gè)體的具體學(xué)習(xí)行為來反饋其學(xué)習(xí)情況。教學(xué)模型和領(lǐng)域知識(shí)模型可以根據(jù)學(xué)習(xí)者模型的反饋情況推斷學(xué)習(xí)者的進(jìn)度，EAI通過反饋?zhàn)园l(fā)調(diào)整學(xué)習(xí)者模型，提供更適合學(xué)習(xí)者的知識(shí)體系、教學(xué)方法。三者相互補(bǔ)充與發(fā)展，進(jìn)而形成一個(gè)循環(huán)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，使整個(gè)模型體系更加完整與豐富。

圖1 教育人工智能的內(nèi)涵

教育是人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域，而人工智能也是教育的一大手段。EAI作為人工智能與教育的結(jié)合產(chǎn)物，關(guān)鍵技術(shù)會(huì)影響AI的發(fā)展，影響人工智能的重要技術(shù)作為基礎(chǔ)也將影響到EAI的發(fā)展。目前影響EAI發(fā)展的主要技術(shù)有：知識(shí)表示方法、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、智能代理和情感計(jì)算等[4]。

3 AI與臨床藥理

AI處理數(shù)據(jù)的能力非常強(qiáng)大。有真實(shí)案例來證明其數(shù)據(jù)處理能力之強(qiáng)大：一位患急性髓系白血病的日本女性經(jīng)多種臨床治療方案都沒有顯著效果，IBM Watson通過對(duì)比2000萬份癌癥研究論文，分析了數(shù)千個(gè)基因突變，最終在數(shù)據(jù)庫中匹配到了與其癥狀相符的診斷并給出了治療方案。整個(gè)過程用時(shí)僅10分鐘[5]。AI強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)于醫(yī)療方面的開發(fā)有著很好的幫助，如果將其應(yīng)用在藥理學(xué)教學(xué)中，可以提升教學(xué)效率，在相對(duì)有限的時(shí)間里讓學(xué)生接觸更多的有關(guān)內(nèi)容。學(xué)生在應(yīng)用AI進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，也可以通過自主操作而加深記憶。

AI目前在藥物的開發(fā)過程中已被用于篩選符合要求的成分。曾經(jīng)這種臨床判斷和學(xué)習(xí)能力被認(rèn)為只是一種微妙的直觀的過程，既不經(jīng)過理論分析也不能被量化模型所體現(xiàn)出來，而現(xiàn)在的觀念態(tài)度已經(jīng)發(fā)生了變化，醫(yī)學(xué)教育工作者普遍認(rèn)為醫(yī)學(xué)決策模型是可以科學(xué)合理地建立的。尤其是在建立邏輯方面，要依賴人工智能技術(shù)[6]。對(duì)于并沒有應(yīng)用AI技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室來說，藥學(xué)研發(fā)過程中不可避免需要依靠排除法來篩選出藥物有效成分，但傳統(tǒng)方法繁雜且耗時(shí)耗力，假如使用AI來進(jìn)行排除以及模擬實(shí)驗(yàn)，速度將會(huì)大幅提升。同時(shí)AI還具備深度學(xué)習(xí)能力，并已在抗心血管疾病藥物、抗腫瘤藥和常見傳染病治療藥等多領(lǐng)域應(yīng)用，如在抗擊埃博拉病毒中智能藥物的研發(fā)[7]。深度學(xué)習(xí)能力也是現(xiàn)在普通計(jì)算機(jī)及程序無法做到的，這有助于人工智能本身的“思考”，對(duì)于藥理學(xué)研究以及藥理學(xué)教學(xué)都能起到相對(duì)解放人腦的作用，利用得當(dāng)會(huì)對(duì)藥理學(xué)發(fā)展起到正面作用。

4 EAI針對(duì)藥理學(xué)教學(xué)的實(shí)用意義

AI也在逐步運(yùn)用于搭建藥理學(xué)習(xí)系統(tǒng)，即EAI在藥理學(xué)教育中的應(yīng)用。這個(gè)系統(tǒng)不僅包括普通課堂，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)包括課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)課程。

整個(gè)藥理學(xué)的學(xué)習(xí)過程，由預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)三部分組成，其中課堂學(xué)習(xí)無疑是最重要的，并且也是人工智能技術(shù)能參與的最重要的部分。在預(yù)習(xí)方面，人工智能可以通過分析往屆重、難點(diǎn)來提醒預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)重點(diǎn)，并且根據(jù)預(yù)習(xí)情況來分析，為教師的講課準(zhǔn)備提供較好的數(shù)據(jù)支持。在課堂上，人工智能可以用于隨堂檢測，分析知識(shí)點(diǎn)掌握情況，尤其是藥理學(xué)的知識(shí)點(diǎn)密集且碎片化，通過EAI本身特殊知識(shí)表達(dá)方法，會(huì)更加精準(zhǔn)便利，有利于教師的重點(diǎn)提醒和學(xué)生的課后復(fù)習(xí)[8]；通過EAI的智能代理來主動(dòng)設(shè)計(jì)程序[9]，可以讓學(xué)生在安全、無害的情況下，了解整個(gè)藥理過程，并親自動(dòng)手體驗(yàn)相關(guān)藥理實(shí)驗(yàn)，可以減少實(shí)驗(yàn)損耗并提升教學(xué)安全性，對(duì)于學(xué)生掌握知識(shí)也有好的效果；通過EAI的深度學(xué)習(xí)能力，可以模擬預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果，對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生的開放性思維能力有著很好的鼓勵(lì)作用，學(xué)生可以通過程序來探索新的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)不必?fù)?dān)心時(shí)間與安全的問題；EAI對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著難以比擬的優(yōu)越性[10]，不僅可以達(dá)到預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間去拓展實(shí)驗(yàn)，并且可以減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的消耗以及保證一些危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的安全性，這些方面都是目前藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)所要面對(duì)的缺點(diǎn)。對(duì)復(fù)習(xí)而言，類似于預(yù)習(xí)，同樣要依靠人工智能的計(jì)算能力及深度學(xué)習(xí)能力，找出學(xué)生的不擅長的方向，并進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出最適合的復(fù)習(xí)攻略，可以達(dá)到事半功倍的效果；并且如果EAI能夠解決自然語言的處理，可以通過這種方式來進(jìn)行課后的檢測以及補(bǔ)習(xí)，對(duì)于學(xué)生來講是更貼近于真人的問答體驗(yàn)[11]。

5 EAI運(yùn)用于教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

EAI的開發(fā)難度大、開發(fā)過程極為漫長并且耗費(fèi)財(cái)力，需要足夠的數(shù)據(jù)庫支持，來保證其可行性、適用性。教育支出難以支撐專門用于教育的AI項(xiàng)目的開發(fā)，所以早期與醫(yī)學(xué)教育相關(guān)的AI項(xiàng)目只有部分涉及教育領(lǐng)域，如20世紀(jì)80年代運(yùn)用批判的思維方法的電腦方法(ATTENDING[12])和指導(dǎo)類AI(GUIDON[13])項(xiàng)目。20世紀(jì)80年代 SPHINX系統(tǒng)(由卡奈基.美隆大學(xué)研發(fā)的第一個(gè)實(shí)用的10數(shù)字語音識(shí)別系統(tǒng))被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域AI系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了AI的一些先進(jìn)的表征和推理能力，并增加了臨床咨詢系統(tǒng)，為臨床決策提供參考。GUIDON是通過使用MYCIN的知識(shí)庫(一種幫助醫(yī)生對(duì)住院的血液感染患者進(jìn)行診斷和使用抗菌素類藥物進(jìn)行治療的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)于70 年代初由美國斯坦福大學(xué)研制，用LISP語言寫成)和對(duì)機(jī)制的邏輯解釋來構(gòu)建的智能輔導(dǎo)系統(tǒng)，能夠在一定程度上模擬專家的醫(yī)療行為與結(jié)果，建立一套獨(dú)特的規(guī)則。這個(gè)系統(tǒng)成功地將AI用于醫(yī)學(xué)教育。這種系統(tǒng)現(xiàn)在被證明是低效的，因?yàn)閷W(xué)生很難理解和記憶系統(tǒng)所認(rèn)可的思維邏輯和思考過程，而且這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮到學(xué)生用與專家不同的方式推理診斷的創(chuàng)造性。因此，MYCIN被重新配置，加入NEOMYCIN(更新升級(jí)的MYCIN系統(tǒng))和GUIDON，成為了GUIDON2。通過這一重新配置，GUIDON2有可能建立診斷思維模型，從而生成臨床問題的解決方案，并提供其他關(guān)于專業(yè)知識(shí)的文獻(xiàn)，來幫助學(xué)生的學(xué)習(xí)。還有些AI應(yīng)用程序在介紹項(xiàng)目的可用性時(shí)，聲稱它們可以用作教育或培訓(xùn)指導(dǎo)的輔助工具。而在現(xiàn)實(shí)中，很少使用這些傳統(tǒng)的AI系統(tǒng)，它們作為教育設(shè)施更是缺乏實(shí)用價(jià)值，是AI項(xiàng)目中沒有足夠教育理論基礎(chǔ)的副產(chǎn)品[14]。

除了模擬系統(tǒng)的搭建，EAI還可以用于考試測評(píng)系統(tǒng)的搭建。如運(yùn)用人工智能技術(shù)，搭建用來提高教學(xué)自動(dòng)測評(píng)效率和效果的在線智能考試軟件。智能組卷是智能化考試系統(tǒng)的重要特色[15]，其可以依據(jù)題庫組合成考點(diǎn)分布合理的卷子，并給予學(xué)生考試結(jié)果的反饋。這種計(jì)算機(jī)自適應(yīng)測試(Computer Adaptive Test，CAT)，在精選試題組成的題庫支持下，可根據(jù)被試者的反應(yīng)選取試題，直到滿足停止條件為止；還能進(jìn)行遠(yuǎn)程考試與評(píng)價(jià)以及主觀題、技能性非客觀題的自動(dòng)化測評(píng)等[16]。該系統(tǒng)由學(xué)生模塊、教師模塊及管理員模塊組成[17]，實(shí)現(xiàn)智能組卷、題庫管理、在線考試、閱卷等一體化功能(如圖2)。

圖2 智能化考試系統(tǒng)模塊組成[16]

由此可以看出，AI不是單純地演算數(shù)據(jù)，而是深度學(xué)習(xí)，是開發(fā)具有人類智力過程特征的系統(tǒng)，例如推理、發(fā)現(xiàn)事物內(nèi)在意義、概括和從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的能力[18]。而這也正是AI項(xiàng)目開發(fā)的真正難度所在。

6 EAI面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

模擬教學(xué)應(yīng)用于教育，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。認(rèn)知心理學(xué)已經(jīng)證明，當(dāng)以知識(shí)的使用為背景教授事實(shí)和概念，并通過實(shí)踐來進(jìn)行評(píng)估時(shí)，知識(shí)能被最充分的回憶并使用[19]。EAI在藥理學(xué)中的使用，有助于學(xué)生快速、精確進(jìn)行藥理研究，輔助藥理學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行，模擬并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。運(yùn)用EAI的模擬教學(xué)在基礎(chǔ)知識(shí)與臨床思維的轉(zhuǎn)換中起到橋梁作用。學(xué)生還需要通過AI應(yīng)用程序?qū)W習(xí)如何在醫(yī)療決策中對(duì)個(gè)性化數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分析和最終對(duì)其了解。甚至有人暢想，未來藥理學(xué)學(xué)習(xí)將更具個(gè)人導(dǎo)向性[20]。正如Yang和Veltri所說[21]，“最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是我們?nèi)绾螌⑨t(yī)療數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)和預(yù)測模型的參考值?！?。

在將EAI運(yùn)用到醫(yī)學(xué)教育的過程中，還必須強(qiáng)調(diào)并傳授另外兩項(xiàng)技能。首先是掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)的專業(yè)知識(shí)。對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的正確認(rèn)識(shí)能幫助醫(yī)學(xué)生在面對(duì)人類的復(fù)雜性時(shí)，培養(yǎng)將AI系統(tǒng)產(chǎn)生的基于概率的結(jié)論合理運(yùn)用到醫(yī)療決策的能力。其次是不斷培訓(xùn)和評(píng)估醫(yī)學(xué)生，使其成為一個(gè)真正富有同情心的醫(yī)務(wù)工作者。當(dāng)越來越多的高科技加入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中時(shí)，第二點(diǎn)更加不容忽視。