医学信息学课程挑战性综合实验设计与探讨

颜红梅,秦 龙

(电子科技大学 生命科学与技术学院，四川 成都 610054)

医学信息学是一门通过计算机及相关信息技术完成生物医学数据、信息及知识的存储、组织、传输、处理、检索和优化利用等一系列医学信息管理任务，辅助医学领域的科研实践，提高解决问题和制定决策的准确性、及时性和可靠性的学科[1]。医学信息学概论也是生物医学工程专业本科教学中一门重要的专业基础课程，课程主要内容包括医院信息系统、医学图像传输与处理系统和医学决策支持系统等临床应用系统的功能及应用，涵盖各种医学信息的采集、存储、传输、显示、处理及利用等基本知识和技术，内容多而杂[2-4]。另外，医学信息学概论本身也是一门融合了信息科学和医学科学的交叉实践类课程，可涉及综合应用所学的有关医学、数据库、软件工程、程序设计语言及网络技术等基础知识和基本技能。课程具有应用性强、内容多、信息技术更新快、实验设计难、但对学生今后工作帮助大等特点[5-6]。这门课程在世界上受越来越多的医科院校及工程类院校的青睐，国外很多大学专门设有医学信息学专业本科、硕士及博士学位，以多种形式(理论+实验/实践)加强和巩固该课程的学习[7-8]。截至2014年，我国开设医学信息学专业的院校已达到59所，众多高校(无论医学院校还是理工院校)都面向本科学生开设了医学信息学概论相关课程[9]。该课程经过近三十年的发展和建设，虽然取得了一些成绩[10]，但是该课程在教学中还普遍存在以下问题。

1)优秀教材匮乏，教材建设的速度远远跟不上信息技术更新和发展的速度[11]。截至2017年，与医学信息学概论相关的著作与教材总共不到40种，绝大多数教材针对对象是医学本科生或信息管理类本科生，至今无一本专门针对理工类学生的著作或教材。

2)医学信息种类繁多，既包括大量数字、文本类信息，也包含大量生理信号、医学图像及视频流等多维多模态信息。相关信息处理及利用的软硬件技术及网络技术近年来发展非常迅速，理论教学中很难做到全面而新颖。

3)教学中很难做到理论与实践的有机结合[12-13]。对于生物医学工程专业的本科学生，本课程的先修或同修课程有C语言、软件工程、数据库技术和计算机网络等，但学生学习这些课程时一般只能单独了解和掌握基础理论知识，缺少系统性的实践与开发经验。如何将这些课程知识有机整合起来，是一个巨大的挑战[14]。

从2003年开始，我们一直从事医学信息学课程的教学工作，十几年来，课程组不断思考该课程在教学内容、教学方式、教学技巧及综合实验应用等方面的改革和提升。考虑到医学信息学科交叉实践性强的特点，我们开始探索在授课同时，鼓励学生设计和开发一些具有实际应用价值的医学信息小系统，激发学生对本课程的学习兴趣，同时也希望培养学生解决复杂工程问题与挑战性问题的能力，增强学生综合运用相关知识的动手能力，激活学生的挑战因子，激发学生对课程的参与感，培养他们直面困难、挑战困难、并克服困难的品质。

为此，我们教学研讨决定，从2014年开始，课堂教学之外，新增一项综合实验设计，让学生动手设计和开发一个有一定挑战性的医学信息子系统。4年积累下来，我们在医学信息学课程挑战性实验设计上已取得了一定进步，积累了一些经验，但同时也还存在一些问题和疑惑。下面我们将从本挑战性实验的设计目标、设计内容、实施方案、实施效果和思考等几个部分进行总结，期望与广大同仁分享和交流。

1 挑战性综合实验目标

通过对课堂上讲授的HIS系统功能、工作流程和主要内容的理解，综合应用软件开发语言、数据库技术及软件工程等知识，利用课余时间，分小组开发一个简单的医院门诊挂号子系统，激发学生的学习兴趣，培养学生解决复杂工程问题与挑战性问题的能力，增强学生的动手能力。

2 实验内容

本课程授课之前，生物医学工程专业本科生已学习过C语言和软件工程两门编程类课程，同步正在学习数据结构、数据库技术和计算机网络课程，在知识和技术储备上已有一定基础。考虑到医学信息系统是一个庞大的软硬件综合工程，我们选择学生最为熟悉、工作流程最为简单、最容易实施的医院挂号子系统开发作为综合实验设计目标，即设计开发一个具有实际应用价值的医院挂号信息子系统，要求系统具有登录管理功能，具有权限管理功能，具有初诊和复诊挂号功能，具有一定的数据计算和统计功能，并要求每小组按软件开发的流程从系统规划、工作流程(业务流程)设计、开发工具选择、数据库设计、到编写程序、再到系统调试、最后到系统测试，完成整个实验过程。考虑到学生学习能力、动手能力和兴趣特长的差异性，挑战性综合实验以小组为单位(3～5人/组)，开发语言不限，数据库管理系统不限，挂号系统的系统架构不限，学生可设计为单机版、客户/服务器版(C/S)、浏览器/服务器版(B/S)或手机APP等任何形式。

3 实施方案

在第一次上课时，布置综合实验任务，要求学生开始知识准备：1)准备自己最熟悉的编程语言，可以是Visual C++、JAVA、Html、Python、Javascript、J2ME等任何一种或几种开发语言；2)准备自己最喜欢的数据库管理系统，可以是Oracle、Mysql、SQL Server、Access等任何一种；3)准备所需的计算机网络或移动通信的基础知识。

课程第5周时，通过课堂教学，学生已学习了医院信息系统的工作流程、系统结构、功能、软硬件技术和各子系统的设计及应用等基础知识，并已上机观摩体验了部分医院正在使用的医院信息系统的结构和功能等具体内容。此时，将具体的挑战性综合实验内容及要求布置给学生，即结合已学的医院信息系统的基础知识，认真分析医院挂号信息子系统的工作流程和数据传输方案，利用软件工程、数据库技术和计算机网络及通信等基础知识和技术，设计开发一个具有实际应用价值的医院挂号信息子系统。设计截止时间为课程第16周。

课程第17周时，按小组分别汇报并演示所开发的系统，评选出优秀的软件作品。整个挑战性实验时间和内容进度安排如图1所示。

图1 挑战性综合实验的时间和内容安排示意图

4 实施效果

总的来说，每一小组均能较好地完成综合实验规定任务，并且逐年更好。2014年第一次实施该挑战性课程实验设计时，学生们设计出的系统主要以C/S、B/S或单机结构为主，尽管开发语言各不相同，但功能上基本能实现权限管理、初诊和复诊挂号功能及简单的数据统计功能，系统界面简洁清爽，小组成员之间分工明确，汇报展示条理清楚，学生们都表现出了较强的动手能力和综合知识运用能力。部分成果和展示设计细节如图2所示。

图2 2014年挑战性课程综合实验展示

到2016年和2017年，学生完成综合实验的质量明显提高，表现在系统结构形式更加多样，除了C/S、B/S结构外，学生们开始尝试各种手机挂号APP应用程序的研发，尝试各种跨平台系统设计，包括安卓系统、苹果系统甚至Linux系统。还有部分小组开始不满足于简单挂号系统的开发，开始拓展一些新的子系统，如有的小组额外开发了医院在线咨询子系统，有的小组还开发了更加复杂的医院信息系统，除了挂号及统计功能外，还具有门诊医生工作站和护理及药房管理等功能，系统功能更加强大，设计更接近实际应用。部分成果如图3所示。

图3 2016～2017年部分挑战性课程综合实验展示

5 总结与思考

通过四年的摸索，医学信息学课程中挑战性综合实验方案初步成形，从同学们汇报展示时的心得体会反馈来看，大家虽然觉得综合实验有一定难度，但是实验是有意义的，经过努力，是可以完成的，并且完成后的成就感和喜悦感让他们更加自信。这几年来，很多在综合实验中表现优秀的同学，后来在申请出国留学时，在留学申请材料中，他们把本课程综合实验的经历作为非常重要的挑战性实践开发经历之一，从中可以看出大家对本挑战性综合实验的认可。

总结本挑战性实验的经验，我们也受益匪浅，同时有以下5点体会和思考。

1)学生的学习能力和动手能力是无穷的，关键是怎么激发。在综合实验刚刚开始时，学生们普遍感觉难度太大，因为之前没有动手编写过较大较具体的软件系统，学习C语言时只练习了简单的独个问题的解决，软件工程学习时比较偏理论讲解，具体动手机会则并不多。但是本挑战性实验的结果证明，他们完全能把数据库、软件工程、程序设计语言及网络技术等知识综合应用起来，解决医院信息系统开发里的具体问题，展现出优秀的动手实践能力和创造能力。

2)验证性实验或练习性实验并不等于开拓性实验。医学信息学课程中，我们也会让学生上机练习医院里使用的医院信息系统，但是上机完成后，学生只能对系统的结构和功能有大概的了解，而系统具体怎么开发及完成的，学生并无深刻体会。只有经过亲自动手开发和调试测试后，学生才有更深刻的了解和认识，正如看电影和演电影是完全不同的体验一样。大学教育在2W+H(What/Why/How)教学模式中，多开展一些挑战性实践性实验，是加强学生How认知的重要手段之一。

3)任务下达应该尽可能具体。本综合实验中，我们在任务下达时，尽量详细地列出了系统需要实现的具体功能及要求，并给出了一些示例，供学生参考，学生在系统开发时，心中有一个大致的框架，才不会觉得茫然无措。

4)挑战性实验时间安排很重要。实验所需开发语言和数据库技术等知识准备需要一段时间，所以我们课程第一节课上就布置了自学任务，学生有一个半月的自学及准备时间。另外，软件开发预留的时间有10周，让学生从系统需求分析、系统架构、工作流程设计，再到代码编写、调试、测试，最后到项目展示，有充足的时间。期间，经常询问和了解学生的项目进展情况，如有困难和问题，可及时沟通和解决。

5)学生个体差异大，分组分工合作，可以发挥各自优势。本课程中，有的同学并不喜欢课堂讲授，觉得讲授内容理论性太强，比较枯燥乏味，但是后来发现，他们的项目却做得非常好，显示出优秀的动手能力。也有一些同学，理论学习很好，但实践方面却不知何处入手，分组完成任务可以一定程度上弥补他们这方面的缺陷。但是分组实验也让一小部分同学有机可乘，浑水摸鱼。如何让每一位同学都能亲自动手，积极参与，是一个值得我们深思和继续探索的问题。

6 结束语

医学信息学是一门理论性和应用性都很强的课程[15]，通过设计和开发一个临床医院挂号子系统的综合实验，可以让学生把开发语言、软件工程、数据结构、数据库技术和计算机网络等课程内容融会贯通，并解决实际应用问题。该课程四年的教学实践结果表明，挑战性综合实验能激发学生的学习兴趣，能培养学生解决复杂工程问题与挑战性问题的能力，能增强学生的动手能力，取得了良好的教学效果。

当然，医学信息学挑战性综合实验还处于探索过程中，设计内容还需进一步优化，实验分工及实施细节还需仔细斟酌和监督，应尽可能让每一位同学充分参与及受益。另外，综合实验的完成质量评价标准还需进一步完善，真正充分激活学生的挑战因子。