何璇 畢鑫 蔡巍

摘?要：隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)資源以超乎人們想象的速度進(jìn)行積累和匯聚，人類進(jìn)入“大數(shù)據(jù)時(shí)代”。大數(shù)據(jù)算法引論課程以培養(yǎng)學(xué)生分析與挖掘大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用能力為目標(biāo)進(jìn)行建設(shè)。健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)，作為國家重要基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，將帶動(dòng)我國醫(yī)療服務(wù)模式的深刻變革并提升醫(yī)療健康服務(wù)的質(zhì)量。因此，本文著重闡述對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生，如何培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)思維以及處理和分析醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)的能力。本文介紹了課程建設(shè)基礎(chǔ)，著重闡述了課程建設(shè)的具體方案，以智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于大數(shù)據(jù)基本理論和前沿性熱點(diǎn)問題的學(xué)習(xí)，并指導(dǎo)學(xué)生對(duì)于臨床大數(shù)據(jù)、精細(xì)化運(yùn)營大數(shù)據(jù)、健康管理大數(shù)據(jù)以及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)等應(yīng)用方向的學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)算法;課程建設(shè);方案研究

近年來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用發(fā)生了重大的變革。健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)涵蓋了醫(yī)療服務(wù)、健康管理、公共衛(wèi)生、藥品使用、營養(yǎng)保健等多方面數(shù)據(jù)[1]。如何挖掘健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，從而為智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理等領(lǐng)域提供支持，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。從2015年起，國家出臺(tái)了一系列的相關(guān)文件，如《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》[3]《“十三五”衛(wèi)生與健康規(guī)劃》[4]《“十三五”全國人口健康信息化發(fā)展規(guī)劃》[5]等。文件指出，全面深化健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用，推進(jìn)醫(yī)療行業(yè)的臨床、科研、公共衛(wèi)生大數(shù)據(jù)應(yīng)用，發(fā)展智慧醫(yī)療等便民惠民服務(wù)。IT技術(shù)的進(jìn)步使健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的應(yīng)用成為可能，對(duì)于計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)的人才需求也十分巨大。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，以解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題為目標(biāo)，運(yùn)用工程技術(shù)手段保障人類健康，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)提供支持。隨著臨床診療數(shù)據(jù)、健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、基因組數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)規(guī)模的飛速增長，如何培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的大數(shù)據(jù)思維以及如何培養(yǎng)學(xué)生處理和分析醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)的能力，在大數(shù)據(jù)時(shí)代顯得至關(guān)重要[6]。如在臨床科研方面，學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)基于海量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與分析輔助醫(yī)生進(jìn)行臨床決策，如用藥分析、藥品不良反應(yīng)、疾病并發(fā)癥、治療效果相關(guān)性等。在公共衛(wèi)生方面，可以通過大數(shù)據(jù)檢測和分析傳染病的傳播模式、傳播途徑及暴發(fā)時(shí)間，有效進(jìn)行疾病的預(yù)防和干預(yù)。這些相關(guān)的醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)應(yīng)用，為提高人民的健康質(zhì)量以及提高醫(yī)生的臨床科研水平提供了非常重要的幫助[7]。

本文以生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的《大數(shù)據(jù)算法引論》專業(yè)選修課為例，闡述該課程的具體建設(shè)方案。通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握與傳統(tǒng)算法課程不同的算法設(shè)計(jì)與分析思路，了解IT業(yè)界中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用與市場前景。以高水平學(xué)術(shù)會(huì)議最新研究成果為導(dǎo)向，了解大數(shù)據(jù)算法前沿知識(shí)。本文將首先介紹該課程的建設(shè)基礎(chǔ)，然后介紹課程建設(shè)詳細(xì)方案，最后闡述課程的特色并總結(jié)。

一、課程建設(shè)基礎(chǔ)

由于本門課程的講授對(duì)象為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生，因此課程團(tuán)隊(duì)成員是均具有計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)專業(yè)背景的教師。團(tuán)隊(duì)成員結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其專業(yè)領(lǐng)域與課程內(nèi)容具有緊密的相關(guān)性。團(tuán)隊(duì)成員的研究方向涵蓋了醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜、數(shù)據(jù)挖掘、醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域，并著有著作《醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)：理論與實(shí)踐》1部（共著）。

課程擁有豐富全面的學(xué)習(xí)參考資料，具體包括國內(nèi)外參考書、中國大學(xué)慕課、實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目平臺(tái)及學(xué)術(shù)論文等。學(xué)生可以在完成既有基礎(chǔ)知識(shí)和框架的學(xué)習(xí)后，在教師的指導(dǎo)下，結(jié)合豐富的線上教學(xué)資源，進(jìn)一步理解以云計(jì)算技術(shù)為平臺(tái)的分布式大數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)。目前課程的主要參考資料為《大數(shù)據(jù)算法》（王宏志）、《醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)：理論與實(shí)踐》《算法導(dǎo)論（第三版）》（Thomas?H.Cormen，Charles?E.Leiserson，Ronald?L.Rivest，Clifford?Stein）以及《Big?data：algorithms，analytics，and?applications》（Kuan?Ching?Li，Hai?Jiang，et?al.）等。

本門課程已在學(xué)校的Blackboard（BB）平臺(tái)初步搭建了教學(xué)過程管理模塊。在課前，學(xué)生可以通過BB平臺(tái)獲取課件，提前了解學(xué)習(xí)內(nèi)容，做好預(yù)習(xí)工作。在授課階段，學(xué)生可以有針對(duì)性地學(xué)習(xí)重點(diǎn)難點(diǎn)。課后，教師通過BB平臺(tái)發(fā)布作業(yè)，并在學(xué)生提交后對(duì)每一份作業(yè)進(jìn)行在線點(diǎn)評(píng)，讓學(xué)生及時(shí)了解自己對(duì)知識(shí)的掌握情況，以便調(diào)整后續(xù)的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)重點(diǎn)。另外，通過BB平臺(tái)上的交流和討論板塊，學(xué)生可以提出在學(xué)習(xí)過程中遇到的困難和疑惑，并在平臺(tái)與老師進(jìn)行溝通、探討和交流。

二、課程建設(shè)思路及方案

（一）建設(shè)目標(biāo)

大數(shù)據(jù)不論是在研究還是工程領(lǐng)域都是熱點(diǎn)之一，算法是大數(shù)據(jù)管理與計(jì)算的核心主題。本課程介紹大數(shù)據(jù)分析中涉及的基本算法設(shè)計(jì)思路與方法，并結(jié)合前沿學(xué)術(shù)研究成果及生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)背景，著重以智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生分析與挖掘大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用能力。通過對(duì)不同實(shí)際大數(shù)據(jù)需求的分析，設(shè)計(jì)合理的解決方案，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（二）建設(shè)思路

圍繞以上建設(shè)目標(biāo)，課程的總體建設(shè)思路如下：

課程建設(shè)思路圖

課程建設(shè)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生可以了解和掌握大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)背景知識(shí)，了解產(chǎn)業(yè)背景和行業(yè)版圖。從大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、大數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析等大數(shù)據(jù)相關(guān)架構(gòu)及算法出發(fā)，結(jié)合大數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用問題，為學(xué)生講解大數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)算法，并結(jié)合前沿學(xué)術(shù)研究成果，為學(xué)生講解推薦系統(tǒng)、區(qū)塊鏈、眾包算法等知識(shí)。此外，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)專業(yè)背景，充分利用校企合作資源，使學(xué)生可以著重了解在智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理等領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用前景。以課程思政和混合式教學(xué)等教學(xué)理念及手段，進(jìn)一步完善課程的建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生“全樣而非抽樣、效率而非精確、相關(guān)而非因果”的大數(shù)據(jù)思維體系。具體建設(shè)內(nèi)容及方案闡述如下。

（三）建設(shè)內(nèi)容及具體方案

與傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)課程相比，本課程除了涵蓋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理（分布式文件系統(tǒng)HDFS、分布式數(shù)據(jù)庫HBase、NoSQL數(shù)據(jù)庫）、大數(shù)據(jù)處理與分析（MapReduce、Hadoop、流計(jì)算、圖計(jì)算）等傳統(tǒng)內(nèi)容之外，還將熱點(diǎn)問題和前沿問題引入課程，如推薦系統(tǒng)、區(qū)塊鏈、眾包算法等內(nèi)容。并不斷根據(jù)SIGMOD、VLDB、ICDE和KDD等國際會(huì)議新發(fā)表論文，更新教學(xué)內(nèi)容。并針對(duì)專業(yè)選修課的課程特點(diǎn)，從醫(yī)療、汽車、餐飲、金融、電信等多個(gè)領(lǐng)域的角度，闡述大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用背景和應(yīng)用價(jià)值。通過列舉網(wǎng)購、云盤、短視頻推薦等多個(gè)生活場景實(shí)例，使學(xué)生了解生活中無處不在的大數(shù)據(jù)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)相關(guān)理論知識(shí)的興趣，使課程在富有前沿性的同時(shí)兼顧普適性。

另一方面，課程團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)領(lǐng)域圍繞著醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)算法優(yōu)化等積極展開。本課程已將樹數(shù)據(jù)計(jì)算、圖數(shù)據(jù)計(jì)算、圖數(shù)據(jù)搜索等大數(shù)據(jù)領(lǐng)域熱點(diǎn)問題，結(jié)合團(tuán)隊(duì)成員的研究背景，融入教學(xué)內(nèi)容中，促進(jìn)科研成果向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化。具體來說，查閱大量的權(quán)威文獻(xiàn)，不斷跟蹤科研和理論發(fā)展前沿，向?qū)W生介紹目前國內(nèi)外大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新思路和發(fā)展動(dòng)態(tài)。使學(xué)生不僅可以了解基本理論知識(shí)，還能夠了解基本理論知識(shí)和創(chuàng)新方法如何應(yīng)用到大數(shù)據(jù)計(jì)算和分析中。

特別地，團(tuán)隊(duì)成員著重圍繞著醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)，結(jié)合精準(zhǔn)醫(yī)療等背景講解前沿性問題。分別針對(duì)臨床大數(shù)據(jù)應(yīng)用、精細(xì)化運(yùn)營大數(shù)據(jù)應(yīng)用、健康管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面展開。

1.臨床大數(shù)據(jù)應(yīng)用

隨著醫(yī)院信息化水平的不斷提高，臨床大數(shù)據(jù)的規(guī)模逐漸增大。越來越多的腫瘤及基因數(shù)據(jù)、藥物應(yīng)用數(shù)據(jù)、診療路徑數(shù)據(jù)等臨床大數(shù)據(jù)為科研人員提供了大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。課程團(tuán)隊(duì)成員從臨床大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集、平臺(tái)建設(shè)及疾病預(yù)測、藥物預(yù)測等相關(guān)大數(shù)據(jù)應(yīng)用模型展開介紹，使學(xué)生能夠深入理解大數(shù)據(jù)算法在臨床上的具體應(yīng)用及實(shí)踐價(jià)值。

2.精細(xì)化運(yùn)營大數(shù)據(jù)應(yīng)用

醫(yī)療成本數(shù)據(jù)是醫(yī)療服務(wù)價(jià)值的真實(shí)體現(xiàn)，也反映了醫(yī)療資源運(yùn)營狀況的精準(zhǔn)指標(biāo)，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。課程團(tuán)隊(duì)成員從醫(yī)院成本核算的路徑與方法及成本大數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果等方面為學(xué)生介紹醫(yī)院精細(xì)化運(yùn)營大數(shù)據(jù)所涉及的數(shù)據(jù)的采集與集成、基于Hadoop的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算以及衛(wèi)生行政部門、醫(yī)院、支付機(jī)構(gòu)等多方的運(yùn)營管理應(yīng)用。

3.健康管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用

中國慢性病發(fā)病率快速提升，亞健康問題日益凸顯，越來越多的人定期接受健康體檢，健康體檢數(shù)據(jù)的快速增長為大數(shù)據(jù)的分析與挖掘帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。課程團(tuán)隊(duì)成員為學(xué)生深入剖析該領(lǐng)域存在的主要問題，并以體檢大數(shù)據(jù)、慢病管理大數(shù)據(jù)、睡眠大數(shù)據(jù)等多個(gè)案例入手，為學(xué)生講解數(shù)據(jù)采集與清晰、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)建模與算法優(yōu)化、用戶畫像與個(gè)性化推送等理論方法的實(shí)際應(yīng)用。

4.精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)踐

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是一種以“個(gè)體為中心”，基于患者“定制”的醫(yī)療模式。它的目標(biāo)是通過綜合考慮基因、環(huán)境、生活方式等多方面的個(gè)體差異，為每一位患者尋求最有效的疾病預(yù)防與治療方案。課程團(tuán)隊(duì)成員為學(xué)生著重講解精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)涉及的多模態(tài)數(shù)據(jù)類型，包括電子病歷等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)影像類數(shù)據(jù)、基因檢測生物信息數(shù)據(jù)等類型數(shù)據(jù)的融合以及臨床決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建等實(shí)際應(yīng)用問題及場景。

此外，本課程結(jié)合課程思政建設(shè)方案，建立課程相關(guān)素材庫。如介紹國內(nèi)云計(jì)算公司所取得的成果，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和使命感，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生樹立遠(yuǎn)大志向。在介紹前沿性領(lǐng)域知識(shí)推薦系統(tǒng)時(shí)，提醒學(xué)生要警惕沉迷“投你所好式”網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維等。

在混合式教學(xué)模式探索方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)涵蓋了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)、編程語言等多個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)課程的部分知識(shí)，學(xué)生如果不具備這部分基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于分布式的文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和分布式計(jì)算的理解很難達(dá)到預(yù)期效果。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)于以上知識(shí)的掌握程度不夠。因此，本課程構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)模式，讓學(xué)生課前在線學(xué)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論。

在校企合作方面，本課程團(tuán)隊(duì)與沈陽東軟智能醫(yī)療科技研究院有限公司等企業(yè)建立了深遠(yuǎn)的合作關(guān)系，通過校企合作方式，設(shè)置“校企合作專家進(jìn)校園”的教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生可以了解大數(shù)據(jù)在行業(yè)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用需求。并結(jié)合臨床大數(shù)據(jù)、精細(xì)化運(yùn)營大數(shù)據(jù)、健康管理大數(shù)據(jù)、基因檢測大數(shù)據(jù)等應(yīng)用場景，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

三、課程特色

本課程的特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）以高水平學(xué)術(shù)會(huì)議的最新研究成果為導(dǎo)向，以大數(shù)據(jù)熱點(diǎn)問題和前沿問題為支撐，構(gòu)建兼具前沿性和普適性的專業(yè)選修課教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。

（2）結(jié)合課程團(tuán)隊(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)背景，著重介紹智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用場景，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和工程思維。

（3）通過校企合作，將企業(yè)的實(shí)際大數(shù)據(jù)問題帶到課堂，以問題驅(qū)動(dòng)為基本模式，為學(xué)生從淺層學(xué)習(xí)向深層學(xué)習(xí)提供環(huán)境、資源、方法和策略。

結(jié)語

通過本門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生可以了解創(chuàng)新性的大數(shù)據(jù)算法設(shè)計(jì)與分析思路，了解IT業(yè)界大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用市場前景。并且以高水平學(xué)術(shù)會(huì)議的最新研究成果為導(dǎo)向，讓參與這門課程學(xué)習(xí)的學(xué)生了解大數(shù)據(jù)算法的前沿知識(shí)。學(xué)生可以掌握大數(shù)據(jù)算法設(shè)計(jì)的基本思想，并通過課程作業(yè)，實(shí)現(xiàn)以云計(jì)算技術(shù)為平臺(tái)的分布式大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，掌握大數(shù)據(jù)算法設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。預(yù)期通過基于混合式的問題驅(qū)動(dòng)閉環(huán)教學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生對(duì)于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)大數(shù)據(jù)的科研思維和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力。結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)背景，以智慧醫(yī)療、精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化健康管理為目標(biāo)，為醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)分析與挖掘等應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)深入大數(shù)據(jù)研究與開發(fā)的高端人才。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化建模分析、因果推理及其應(yīng)用研究”（61806048）;國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能醫(yī)生助理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究”（2020AAA0109400）;沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃基金“東軟智能醫(yī)療研究院建設(shè)項(xiàng)目”（20201410）

*通訊作者：何璇（1986—?），女，漢族，遼寧沈陽人，博士，講師，研究方向：健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)。