基于基础医学知识图谱的自主学习教学设计

石立莹,闫景瑞,李咏梅

(1天津医科大学基础医学院病原生物学系, 天津 300070; 2天津医科大学基础医学院教学办公室; △通讯作者)

早在2009年,教育部、卫生部在《关于加强医学教育工作,提高医学教育质量的若干意见》中提出[1],医学教育改革应当“建立以学生为中心的自主学习模式,确立学生在教学中的主体地位,着力推进教学方法的改革与实践,加强学生终身学习能力、批判性思维能力和创新能力的培养。”随着移动互联网、大数据、人工智能等现代信息技术的高速进步以及医学科学的迅猛发展,自主学习能力已成为决定医学生学习效果及其日后职业生涯发展的基本素质[2-4]。培养医学生信息化环境下的自主学习能力不仅是时代的要求,同时也是适应新形势下医学教育改革的趋势[5,6]。

近年来,知识图谱作为知识结构化的一种形式,在语义搜索、智能问答、思维训练、数据分析、智慧教育等领域发挥出越来越大的价值[7-10]。课题组在前期工作中,基于超星教学平台,通过研究拆解基础医学核心课程的知识点,进行分类重组,构建了能够体现各类关系的基础医学知识图谱。本文在深入分析当代医学生自主学习面临主要问题的基础上,基于已经构建成功的基础医学知识图谱进行自主学习教学设计,探讨医学生自主学习能力培养策略,以期促进个性化教学、精准教学的发展,提高医学人才培养质量。

1 医学生自主学习面临的主要问题

1.1 高效学习资源匮乏

由于专业知识储备未完善以及信息辨识能力不足,医学生在利用互联网进行资源搜索时,很难准确甄别信息的真实性和可信度。另外,医学学科专业性非常强,简单的互联网搜索远不能满足医学生的需求。医学生需要在专门的网站平台进行资源收集,如CNKI中国知网、PubMed英文数据库等。但即使在专门的网站上进行信息检索,医学生也要耗费较多的时间和精力从庞大的信息资源中提取有效信息,所以自主学习效率会极大降低。

1.2 整合和系统思维构建困难

医学课程体系庞大,内容繁冗复杂。现有学习平台提供的功能能够满足学生机械式学习,却无法帮助学生明确知识与知识间的逻辑关系,导致学生容易出现知识碎片化引起的知识迷航,缺乏将知识进行纵向衔接和横向贯通的能力,忽略课程不同章节之间,乃至不同课程之间的逻辑关系和内在联系,因而无法较好地构建整合和系统思维。

1.3 监督与评价反馈机制不完善

目前,多数自主学习平台对于学生自主学习的监督方式局限于学习时长、阶段测试以及学习笔记等,缺乏一定的灵活性和良好的互动性,无法对大学生的学习形成有效的监督。另外,现有的自主学习平台生成的反馈数据也无法为学生学习提供有效指导。学生很难准确地评价自己的学习策略和学习效果。与此同时,教师也无法对学生的创新思维、综合分析能力等进行全面评价。

2 基础医学知识图谱

2.1 基础医学知识图谱的构建及初步试用

知识图谱是一种大规模的语义网络,包含实体、概念及其相互间的各种语义关系,由谷歌于2012年提出并运用到搜索引擎中[11]。它的出现从一定程度上缓解了信息泛滥给人们带来的知识获得焦虑。

我们基于超星教学平台,通过研究拆解基础医学核心课程的知识点,进行分类重组,构建了能够体现各类关系的基础医学知识图谱。该知识图谱中包含了医学细胞生物学、系统解剖学、组织学与胚胎学、医用生物化学、医学遗传学、生理学、医学微生物学、医学免疫学、人体寄生虫学、病理学、病理生理学、药理学、诊断学等13门基础核心课程的1 380个知识单元,共融合教学视频1 106个,视频总时长14 032 min,练习题21 094道。知识图谱建成后,已向本校学生开放。经过近1年的实践,目前知识图谱学习平台活动数累计已超过56万次,页面访问量累计超过950万次。

2.2 基础医学知识图谱有效解决医学生自主学习痛点问题

2.2.1 为自主学习提供有效资源 基础医学知识图谱基于13门基础医学核心课程构建,由资深教师录制教学视频,同步上传教学内容概要、教学重难点、教学课件、教学视频和课后习题等资源。学生通过该图谱能够纵横交错地深入学习各门基础医学知识,或者根据不同需求检索医学专业问题。知识图谱中的讨论区更是营造了师生交流、师师切磋、生生互动的人文环境。例如,学生在讨论区抛出一个专业问题,有时会收到不同学科教师从不同角度的答疑解惑,帮助学生全面理解问题。这也是该知识图谱的优势之一。

2.2.2 帮助学生建立整合和系统思维 基础医学知识图谱构建过程中将每门核心课程拆分出若干知识点。这些知识点就好像一块块积木。学生在学习过程中可以按照需求选择以学科为中心、以器官系统为中心、或者以疾病为中心进行某一知识点的搜索,系统自动产生关系图谱(这个过程就像是将一块块积木组装成不同的成品),进而系统地进行学习,不仅知其然,更知其所以然,从而完善知识架构,建立整合和系统思维。

2.2.3 完善监督与评价反馈机制 基础医学知识图谱可提供知识点点击率、课件下载和浏览时长、视频学习时长、学生参与率、答题错误率等数据信息,帮助教师监控学生学习进度,把握学生学习情况。图谱还可以为学生提供正确率、得分、标准答案、答案解析等反馈结果,帮助学生自我监控,有效分析学习上存在的问题与不足,并量身制定学习方案,从而进行有针对性的系统化学习。

3 基于基础医学知识图谱的自主学习教学设计

本文以人民卫生出版社《医学微生物学》第九版第13章的结核分枝杆菌为例。

3.1 课前教师备课与学生预习

教师在课前2-3天向学生发布任务清单,指导学生在知识图谱中对相关知识点进行预习,包括结核分枝杆菌的内容概要、视频、PPT和习题。学生可以根据图谱自动产生的学习报告把握知识薄弱点。教师在授课前根据图谱自动产生的学情分析,如知识点点击率、课件下载和浏览时长、视频学习时长、学生参与率、答题错误率等,精准掌握学生预习情况,从而有针对性地调整授课重点和难点。

3.2 课中教师教授与学生学习

教师结合教学大纲要求、学生预习过程中错误率较高的知识点以及以往学生学习本章节时暴露出的问题进行有针对性的讲解和答疑,帮助学生充分理解和掌握结核分枝杆菌相关的重点和难点,如结核分枝杆菌细胞壁结构与致病性的关系等。

为了考查和锻炼学生综合分析能力,即发现问题、分析问题和解决问题的能力,教师可在知识图谱中布置病例分析作业,要求学生围绕病例开展自主学习。学生首先要从病例这个复杂问题中提炼出组合问题,然后再将组合问题拆解为基本问题,最后找到基本问题关联的知识点进行学习,并上传学习成果。在该病例中,病例即复杂问题,组合问题则是针对病例所指向疾病(结核病)的病因、发病机制、临床表现、诊断、治疗、预防等提出的问题,基本问题是指以上病因、发病机制等方面所涉及的不同学科的具体问题,如涉及的医学微生物学基本问题即结核分枝杆菌的生物学性状、致病性、免疫性等。

3.3 课后教师复盘与学生复习

教师根据学生学习行为、错误集中知识点、存疑知识点等获得学生学习报告以及能力点分析报告,针对暴露的知识点问题和能力点弱项,进行及时答疑或评价教学效果等。学生在课后可以利用知识图谱进行单科复习,反馈困难点,并获得辅导;也可以按照需求选择以学科为中心、以器官系统为中心或者以疾病为中心通过关联知识点的搜索进行学习,从而在巩固单科知识的基础上建立系统和整合思维。例如搜索肺结核,图谱中会显示出结核分枝杆菌相关知识、肺的解剖学、肺结核的病理学、肺结核的病理生理学、Ⅳ型超敏反应、常用诊查技术、抗结核药物等知识网络供学生学习。

本文针对医学生在自主学习过程中面临的资源匮乏、整合和系统思维构建困难、监督与评价反馈机制不完善等问题,基于成功构建的基础医学核心课程知识图谱,秉承整合医学的理念,以医学微生物学课程为例,设计了以问题为导向、以系统为主线、以病例教学为方法的侧重于医学生整合思维培养的自主学习教学模式。

该自主学习教学模式依托基础医学知识图谱丰富的教学资源,借助全流程学习行为数据采集与智能分析技术,实现教学目标、教学内容和教学评估的精准化,实现由知识传授向能力培养的转变,实现以学生为中心的个性化教学,有效提升教学质量和医学生综合能力素质,从而深化医学教育改革。