余夏夏，莊錦湖，熊 娟，陳 思，王子梅，應(yīng) 穎，高 毅

深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部：1.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院；2.公共衛(wèi)生學(xué)院；3.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；4.醫(yī)學(xué)教育發(fā)展中心，廣東 深圳 518000

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代隨之到來，醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生，其對于臨床輔助診斷、研發(fā)藥品等醫(yī)療各個(gè)方面都有著重要的作用[1]。2015年，中國陸續(xù)頒布相關(guān)指導(dǎo)性文件以規(guī)范健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的應(yīng)用發(fā)展。2016年，國務(wù)院印發(fā)《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》，標(biāo)志著醫(yī)療大數(shù)據(jù)正式納入國家戰(zhàn)略之中[2]。短短十幾年間，以健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)為代表的新型醫(yī)療形態(tài)正在重塑醫(yī)療衛(wèi)生體制改革機(jī)制，不斷滿足人民群眾多樣化、個(gè)性化的健康需求[3]，健康醫(yī)療行業(yè)迎來數(shù)字時(shí)代。

醫(yī)療大數(shù)據(jù)在醫(yī)療界已經(jīng)有著許多應(yīng)用；但是，目前在醫(yī)學(xué)教學(xué)上卻鮮有報(bào)道，龐大的數(shù)據(jù)資源與不高的利用率和挖掘程度，使得學(xué)生難以接觸到真實(shí)世界的大數(shù)據(jù)。沒有數(shù)據(jù)的支撐，理論和實(shí)踐相分離，這使得教師的授課不能更好地貼近實(shí)際，學(xué)生對于理論的理解不能提升到實(shí)踐層面，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。醫(yī)療大數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)教學(xué)相結(jié)合，依據(jù)混合式教學(xué)模式[4]搭建醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺，或許有助于解決這些問題?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的教學(xué)平臺使得醫(yī)療大數(shù)據(jù)的共享和使用成為可能，而教學(xué)也可以不再局限于固定的地點(diǎn)和時(shí)間段，降低學(xué)習(xí)活動開展的時(shí)空限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地訪問平臺獲取數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，從而激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

1 醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原則

1.1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該平臺基于Py- thon并采用瀏覽器/服務(wù)器模式(B/S模式)進(jìn)行搭建。其中，Django模塊是基于Python的已經(jīng)編寫好的Web框架[5]。根據(jù)需求平臺功能會繼續(xù)得以完善，因此代碼管理十分重要。Vue模塊是一個(gè)用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架[6]。該模塊上手簡單，輕量快速，可以更好地管理代碼，有利于平臺的維護(hù)與管理。依靠包含醫(yī)療大數(shù)據(jù)和用戶信息的數(shù)據(jù)庫，平臺通過瀏覽器為用戶提供相關(guān)的學(xué)習(xí)交流功能和學(xué)習(xí)資源。

圖1 教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2 設(shè)計(jì)原則

基于滿足教學(xué)需求的立場出發(fā)，該平臺設(shè)計(jì)主要遵循實(shí)用與合規(guī)兩大原則。

1.2.1簡便實(shí)用

平臺是用于教學(xué)的，如果功能設(shè)計(jì)得多而復(fù)雜，將不利于教學(xué)的實(shí)施。對學(xué)生和教師而言，需要的是一個(gè)方便使用的平臺，不用花費(fèi)過多時(shí)間熟悉平臺。功能和界面可以完善，但重在實(shí)用易上手，不能太過復(fù)雜。

1.2.2合乎規(guī)范

平臺的構(gòu)成中涉及醫(yī)療大數(shù)據(jù)，應(yīng)該遵守相關(guān)的規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù)，對平臺不同成員賦予不同權(quán)限。這種不同賬號權(quán)限是目前常用的管理方式，既保障了數(shù)據(jù)安全，也減少了不必要的功能展示，減輕用戶上手難度。

1.3 資源的可用性

平臺所納入的醫(yī)療大數(shù)據(jù)資源目前主要由三部分組成，分別是三個(gè)公共的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫：MIMIC III(Medical Information Mart for Intensive Care III)數(shù)據(jù)庫[7]、MIMIC IV(Medical Information Mart for Intensive Care IV)數(shù)據(jù)庫[8]、FDA不良事件報(bào)告系統(tǒng)(FDA Adverse Event Reporting System，F(xiàn)AERS)數(shù)據(jù)庫[9]。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)則來自Figshare網(wǎng)站上一個(gè)公開的腦瘤數(shù)據(jù)集Brain Tumor Dataset[10]。

MIMIC是一個(gè)重癥醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫，是貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心(Beth Israel Deaconess Medical Center)、麻省理工(MIT)、牛津大學(xué)和麻省總醫(yī)院(MGH)的急診科醫(yī)師、重癥科醫(yī)師、計(jì)算機(jī)科學(xué)專家等共同建立的。其中，MIMIC III涵蓋該醫(yī)療中心2001—2012年間ICU患者數(shù)據(jù)，MIMIC IV則涵蓋了該中心2008—2019年間的ICU患者數(shù)據(jù)。MIMIC數(shù)據(jù)庫具有資料詳細(xì)、樣本量大和種類多的特點(diǎn)，并且兩個(gè)版本的融合使得探尋時(shí)間與疾病等關(guān)系的研究有了更多可能，4萬多患者的信息可以很好地滿足課程的研究需要。該平臺中的MIMIC數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)集分兩類：一類是臨床數(shù)據(jù)；另一類是床旁監(jiān)護(hù)設(shè)備采集的波形數(shù)據(jù)和相關(guān)生命體征參數(shù)記錄事件。

FAERS是一個(gè)旨在支持FDA對藥品和治療性生物制品上市后監(jiān)測計(jì)劃的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括了FDA收集的所有不良事件信息和用藥錯(cuò)誤信息。平臺中的FAERS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)用于豐富和完善相關(guān)的數(shù)據(jù)類型。

腦瘤數(shù)據(jù)集則是采集于中國南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院2005—2010年期間的患者大腦CE-MRI圖像數(shù)據(jù)，共計(jì)3064張[11]。這一數(shù)據(jù)集可以補(bǔ)充前兩個(gè)公共醫(yī)療數(shù)據(jù)庫在醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)上的缺失。

2 醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺設(shè)計(jì)的理念和功能

平臺主要面向?qū)ο笫轻t(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中的師生，包含大量與大數(shù)據(jù)相關(guān)的學(xué)習(xí)資源。這些資源主要包括課程講解、課程習(xí)題庫、教學(xué)視頻和數(shù)據(jù)資源等。資源的上傳主要由管理員與教師完成。學(xué)生可以自主訪問和調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)順序、學(xué)習(xí)速度等，使他們能夠定制個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，并通過教師發(fā)布的相關(guān)習(xí)題進(jìn)行鞏固?；诮虒W(xué)需要出發(fā)，平臺由可視化、師生互動、課程資源、數(shù)據(jù)分析和平臺管理五大模塊組成(如圖 2所示)。

圖2 平臺功能架構(gòu)

2.1 可視化模塊

可視化模塊不僅提供給學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析的功能，還允許教師對學(xué)生的作業(yè)完成情況、成績等進(jìn)行可視化分析，從而直觀地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

平臺數(shù)據(jù)可視化功能是由Grafana實(shí)現(xiàn)的。Gra- fana是一個(gè)開源且跨平臺的數(shù)據(jù)可視化工具，可以將枯燥的數(shù)據(jù)通過美觀的圖標(biāo)展示出來，并且可提供數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)和告警等功能，是目前較優(yōu)異的數(shù)據(jù)可視化工具之一[12]。Grafana具有以下優(yōu)勢：①靈活的圖表功能，面板有著可視化的工具和日志，并且官方庫中已經(jīng)有許多的儀表盤插件(折線圖、餅圖等)；②支持多種數(shù)據(jù)源，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的混合展示，且Grafana可以多角度展示可視化數(shù)據(jù)；③支持使用SQL語句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，也可以通過使用給定的選項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

平臺通過搭載Grafana工具，使得教師能夠在學(xué)生完成相關(guān)任務(wù)之后，對其完成情況、所講課程對學(xué)生是否有提升等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行可視化處理和展示。同時(shí)，教師也可以自行配置好可視化模板，向?qū)W生展示可視化醫(yī)療數(shù)據(jù)，教授統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)技能與展示醫(yī)療數(shù)據(jù)的應(yīng)用，其各個(gè)功能模塊圖表以及模板如圖 3、圖 4所示。教師可以利用平臺判斷學(xué)生的作業(yè)完成質(zhì)量，并給出相應(yīng)的成績，不再需要通過對學(xué)生的代碼以及編譯結(jié)果的截圖進(jìn)行評分。

圖3 可視化數(shù)據(jù)查詢

圖4 可視化選項(xiàng)

2.2 師生互動模塊

在傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)過程中，一般教師通過板書、PPT或者教材等工具向?qū)W生傳授知識，師生之間缺乏交流互動，難以激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考。隨著教師在黑板上循序漸進(jìn)地進(jìn)行公式定理的推導(dǎo)，傳統(tǒng)的板書有助于學(xué)生對知識點(diǎn)的理解消化；但是，這種模式極其依賴教師個(gè)人主導(dǎo)能力的發(fā)揮，教學(xué)手段單一且教師的重復(fù)工作量較大；有些高校則過分強(qiáng)調(diào)開展多媒體教學(xué)，授課被現(xiàn)成的多媒體課件牽著鼻子走，教師從寫黑板到點(diǎn)鼠標(biāo)的變化，實(shí)際上違背了數(shù)學(xué)類課程教學(xué)的特點(diǎn)[13]：這些都會造成學(xué)生對知識的掌握刻板且不懂變通，課堂氣氛沉悶等問題。為此，平臺為學(xué)生提供了交流互動方式：學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中向教師詢問相關(guān)問題，也可以學(xué)生之間相互討論；同時(shí)可以利用平臺提供的PDF標(biāo)注工具標(biāo)注出自己理解困難的部分，在向教師提問時(shí)能快速定位自己理解困難的內(nèi)容，有助于學(xué)生較快解決學(xué)習(xí)上的問題。

2.3 課程資源管理模塊

平臺的課程資源對于用戶而言是共享的，這些數(shù)據(jù)主要包括課程視頻、習(xí)題庫和醫(yī)療大數(shù)據(jù)等。除了由管理員來上傳這些公共資源，平臺也向所有教師開放了上傳功能的權(quán)限，使得每一位教師都可以根據(jù)自己的課程需要增添新的內(nèi)容，并且自主選擇是否共享出來，從而豐富平臺整體的教學(xué)資源。

2.4 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要提供數(shù)據(jù)管理、分析工具和模型構(gòu)建三大功能。

2.4.1數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)主要來源于平臺提供的MIMIC數(shù)據(jù)集資源與教師上傳的數(shù)據(jù)。學(xué)生可以根據(jù)需求下載進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐學(xué)習(xí)，以增強(qiáng)對所學(xué)知識的理解。

2.4.2分析工具

平臺提供數(shù)據(jù)分析與可視化工具，并且提供了R語言、SQL語句等，用戶可以自行完成數(shù)據(jù)可視化、相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)任務(wù)(如圖 5所示)。

圖5 可視化示例

2.4.3模型構(gòu)建

平臺提供相關(guān)的在線代碼編輯器的功能，實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器完成代碼的編輯，在平臺上就可以完成Python、R和SQL語句等相關(guān)數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建程序的編寫，學(xué)生不需要再自行下載相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件，并把大量的時(shí)間花在環(huán)境配置以及軟件安裝上(如圖 6所示)。

圖6 代碼編輯器

同時(shí)，教研團(tuán)隊(duì)模擬當(dāng)前流行的算法大賽形式，提供了打榜功能。教師可以設(shè)置項(xiàng)目與打榜規(guī)則讓學(xué)生構(gòu)建模型進(jìn)行競爭打榜，極大地發(fā)揮學(xué)生自身的主觀能動性和自主學(xué)習(xí)能力，不僅可以將課堂中所學(xué)的知識靈活運(yùn)用，同時(shí)促使其主動學(xué)習(xí)課本之外的新知識、新理論。

2.5 平臺管理模塊

平臺管理模塊主要負(fù)責(zé)平臺的維護(hù)、解決相關(guān)技術(shù)上的問題和提供技術(shù)上的支持，包括根據(jù)用戶身份的不同而進(jìn)行權(quán)限分配、資源審核管理等。

3 醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺的實(shí)踐效果

醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺于2021年初正式引進(jìn)課堂，經(jīng)過一年的測試與使用，可以較好地滿足目前課程的需求，至今平臺的授權(quán)注冊用戶為72個(gè)，其中超級用戶2人，教師用戶2人，學(xué)生用戶68人，并且已經(jīng)完成基于混合式教學(xué)[14]模式的“醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)”“Python與機(jī)器學(xué)習(xí)”等課程的教學(xué)實(shí)踐。為了解該教學(xué)平臺的使用效果和滿意度，采用自制問卷對師生進(jìn)行滿意度調(diào)查，內(nèi)容包括平臺整體體驗(yàn)、互動性、易用性、有用性、持續(xù)使用意愿5個(gè)方面，問卷采用李克特(Likert)5級量表法[15]，其中所有平臺量度評價(jià)題項(xiàng)均記正分。另外，將利用平臺進(jìn)行教學(xué)的2021級學(xué)生作為試驗(yàn)組，將沒有利用該平臺進(jìn)行教學(xué)的2020級學(xué)生作為對照組，進(jìn)行“醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)”和“Python與機(jī)器學(xué)習(xí)”兩門課程的比較，觀察該平臺對學(xué)生學(xué)習(xí)成績的作用。

3.1 問卷調(diào)查結(jié)果分析

問卷調(diào)查結(jié)果顯示：師生對于平臺比較認(rèn)可，得分為(3.56±1.07)；操作的難易程度得分為(4.17±1.01)，互動性得分為(3.44±1.26)，均滿足師生操作的需要；平臺的有用性得分為(3.56±0.96)，但學(xué)生對平臺的認(rèn)可度存在較大的差異，其持續(xù)使用意愿得分為(3.61±1.11)，這可能是由于平臺本身存在不足，也可能是由于平臺剛開始引進(jìn)，學(xué)生還沒有完全適應(yīng)平臺操作。

3.2 學(xué)生成績對比分析

教研團(tuán)隊(duì)將2021年度引入平臺的課程與2020年度未引入平臺的相同課程進(jìn)行對比。平時(shí)成績由于平臺的引入而有所改變，為了更好地比較平臺對于學(xué)生知識吸收掌握的影響，教研團(tuán)隊(duì)排除平時(shí)成績的占比，僅對期末成績進(jìn)行比較(如表1所示)。

表1 課程期末成績比較

在“醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)”課程上，學(xué)生的期末成績維持穩(wěn)定，是否引入平臺對于學(xué)生的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論學(xué)習(xí)提升并不顯著，引入平臺的作用是使學(xué)生不再局限于紙上談兵。而“Python與機(jī)器學(xué)習(xí)”課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，本科教育對于機(jī)器學(xué)習(xí)知識的考查側(cè)重于學(xué)生的實(shí)踐能力，對理論創(chuàng)新性要求不高[16]，引入平臺可以很好地滿足學(xué)生對課程實(shí)踐的需求，使得學(xué)生擁有大量機(jī)會進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，對于其課程學(xué)習(xí)起到很好的促進(jìn)作用。

4 討論

“人民健康優(yōu)先發(fā)展”是中國醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域的發(fā)展理念，全民健康是全面小康的重要組成部分[17]。數(shù)字時(shí)代、生物科技和新一代信息技術(shù)驅(qū)動健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域融合突破，成為醫(yī)療發(fā)展的新引擎。然而，中國的健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)面臨著共享效率不高、共享范圍有限等多方面挑戰(zhàn)[18]，因此高等教育作為人才培養(yǎng)的主要基地，應(yīng)該積極作為，為醫(yī)療大數(shù)據(jù)的教學(xué)應(yīng)用探索一條新道路。

醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺于2021年春季學(xué)期投入使用，其基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程交互性，逐步統(tǒng)合公開的醫(yī)療數(shù)據(jù)資源，打造數(shù)據(jù)分析案例，從而為“新醫(yī)科”建設(shè)[19]提供良好的實(shí)踐平臺。在平臺未來的建設(shè)和實(shí)踐中，應(yīng)對日新月異的技術(shù)進(jìn)步和教學(xué)問題的出現(xiàn)，平臺仍然有著很大的可塑性。首先，平臺的應(yīng)用將繼續(xù)得到改進(jìn)與豐富，包括完善討論區(qū)，增加學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況分析，增強(qiáng)后臺數(shù)據(jù)的利用率等，可以更好地關(guān)注、反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；其次，將平臺擴(kuò)展應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育的更多課程中，根據(jù)不同醫(yī)學(xué)課程的特點(diǎn)和需求，在實(shí)際教學(xué)的變化中改良平臺，使得平臺可以個(gè)性化應(yīng)對課程需求；最后，醫(yī)療數(shù)據(jù)始終是平臺構(gòu)建的基石，為加強(qiáng)醫(yī)療數(shù)據(jù)，應(yīng)從豐富數(shù)據(jù)資源與多來源數(shù)據(jù)兼容兩個(gè)方面著手：①平臺將引入更多現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)庫或其他院內(nèi)數(shù)據(jù)，也將引入新冠肺炎數(shù)據(jù)資源，如nCoV[20]，豐富醫(yī)療數(shù)據(jù)資源的種類；②基于HL7 FHIR標(biāo)準(zhǔn)[21]，構(gòu)建數(shù)據(jù)映射工具，將引進(jìn)的醫(yī)療數(shù)據(jù)映射為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而以一致的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)來源的數(shù)據(jù)交換，使得平臺成為醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的整合中轉(zhuǎn)站，為學(xué)生后續(xù)投入科研提供更多資源，甚至為醫(yī)學(xué)研究提供助力。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，使得醫(yī)療領(lǐng)域迎來新的發(fā)展契機(jī)，隨著產(chǎn)業(yè)和社會的進(jìn)步，大健康產(chǎn)業(yè)的誕生促使高校做出變化，醫(yī)療數(shù)據(jù)分析科研教學(xué)平臺的構(gòu)建，旨在為醫(yī)療大數(shù)據(jù)的教學(xué)應(yīng)用探索一條新道路，這是一次應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的進(jìn)步，擁抱技術(shù)的嘗試。合理有效地在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中發(fā)揮大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，需要醫(yī)學(xué)教育行業(yè)的師生共同摸索，通過醫(yī)療大數(shù)據(jù)帶動高校醫(yī)學(xué)教育進(jìn)步，不斷為醫(yī)學(xué)教育增添新的元素和活力。