人工智能与教育丨“人工智能 生物医学”人才培育模式——以英国爱丁堡大学UKRI生物医学人工智能博士培育中央为例

2021-01-14 网络
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[科技新闻]人工智能与教育丨“人工智能 生物医学”人才培育模式——以英国爱丁堡大学UKRI生物医学人工智能博士培育中央为例

原题目:人工智能与教育丨“人工智能 生物医学”人才培育模式——以英国爱丁堡大学UKRI生物医学人工智能博士培育中央为例

人工智能手艺的不停生长推动了人工智能复合型学科的建设。我国对“人工智能 X”人才培育非常重视, 2017年国务院公布的《新一代人工智能生长规划》将培育人工智能和前沿学科交织型人才作为确立新一代人工智能基础理论系统的重点义务。英国爱丁堡大学和英国研究与创新基金会团结建设的生物医学人工智能博士培育中央作为英国“人工智能 生物医学”复合型学科建设的先驱性实践,具备壮大的学术支持和厚实的行业资源。文章通过探讨该中央的研究生人才培育系统,包罗人才培育概况、课程设置情形、课程实施与评价 ,为我国建设此类复合型学科提供借鉴。文章最后总结了在培育“人工智能 X”人才历程中应该着重培育学生跨学科头脑、促进学生个性化自主学习以及提高学生自主创新能力和研究能力。

一、弁言

随着科技的提高,人工智能手艺日趋成熟,其在全球局限内的影响力越来越大,种种“人工智能 ”纷纷涌现。世界各国纷纷试行以问题为导向的“人工智能 X”的跨学科人才培育模式。我国也不破例。 2017 年,《新一代人工智能生长规划》出台,强调“把高端人才队伍建设作为人工智能生长的重中之重”“激励高校在原有基础上拓宽人工智能专业教育内容,形成‘人工智能 X’复合专业培育新模式”。但我国在教育人工智能领域刚刚起步,需要吸取更多其他国家着名大学的“人工智能 X”复合学科人才培育履历,以便更好地举行创新人才培育。英国爱丁堡大学研究与创新基金会( UK Research and InnovationUKRI)生物医学人工智能博士培育中央正是这样的一小我私家工智能复合型学科人才培育基地,它行使人工智能手艺研究出新的方式来应对生物医学领域的要害挑战,促进生物医学领域学术研究职员与工业互助伙伴之间的互助。

中央由英国UKRI建立。 2019221日, UKRI团结 300多家互助企业宣布投资 2亿多英镑培育 1000名博士研究生成为未来的研究和商业首脑,并期望他们能够应用人工智能手艺改善医疗保健系统,应对气候变化并缔造新的商业机遇。为此, UKRI14所英国大学内新建 16所工业、医疗保健和气候变化领域的“人工智能 ”博士培育中央,爱丁堡大学的 UKRI生物医学人工智能博士培育中央正是其中之一。 UKRI以为,人工智能手艺将在行使数据转变人们对生物医学的明白和实践方面施展焦点作用,为了实现这一变化,需要对在盘算机科学和生物医学交织领域事情的研究职员举行培训,以便确立有用、合乎伦理的人工智能系统。于是, UKRI决定在爱丁堡大学设置处于人工智能、生物医学和社会科学交织领域的生物医学人工智能博士培育中央,中央的主要义务是开发从生物医学数据中提取知识的手艺,这些手艺在未来可能会对公共卫生和经济发生重大影响。

该中央设置在国际研究界享有极高声誉的爱丁堡大学信息学院,由信息学院与爱丁堡大学的生物学院、MRC遗传与分子医学研究所、 Usher人口康健科学与信息学研究所、科学手艺与创新研究所互助主理和治理。这些机构划分在人工智能手艺、生物医学知识和社会伦理知识方面为中央人才培育提供支持。在基础设施方面,中央学生可以使用信息学院的先进盘算装备举行高级网格盘算、数据集成、盘算机仿真和流程优化等事情,也可以通过爱丁堡大学的高通量生物学(包罗基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的最新设施获取大量临床和非临床数据。 UKRI生物医学人工智能博士培育中央作为英国“人工智能 生物医学”的先驱性实践,拥有 UKRI、爱丁堡大学及其企业互助伙伴投入的大量资源与支持,是英国教育人工智能领域的重点项目,也是人工智能复合型学科建设的典型示例,故笔者选取该中央作为案例,通过深入剖析其研究生培育系统来探讨若何构建“人工智能 生物医学”的人才培育模式。

二、UKRI生物医学人工智能博士培育中央研究生培育系统

(一) 中央人才培育概况

1.人才培育定位

中央研究生培育遵照“ 1 3”模式,即 1年理科硕士学位修读和 3年博士学位修读。学生在研究生一年级时需要学习以研究为基础的硕士课程,修读设计内教学课程并完成研究项目。在研究生二至四年级时,学生将在人工智能专家和生物医学应用领域专家的配合指导下,提出并开展跨学科的博士生项目。中央硕士阶段人才培育的主要目的是为培育“人工智能 生物医学”领域的博士生人才奠基基础,只有在中央完成硕士学业并乐成获得硕士学位的学生,才有资格继续修读博士学位。因此硕士阶段学生主要是完成基础课程的学习,而博士阶段学生则需要凭据自己感兴趣的偏向在导师的指导和互助企业的支持下完成各自的研究项目。

2.入学要求

中央对申请的学生也提出了要求。学生若是要申请UKRI 生物医学人工智能博士培育中央的项目,需要拥有英国盘算机科学、数学、物理、工程、生物医学或相关学科的二等一级学位(Upper-second class degree及以上(也就是英国本科平均成就60 分以上)或其国际同等学历。可以看出实在中央招收的许多学生仅具有工科靠山而不具备医学靠山。

3.学生结业去向

中央的结业生将主要从事生物医学人工智能相关事情,其就业机遇较为普遍,学生可以继续在校企互助的实验室举行相关研发,也可以在制药企业专门开设的生物医学人工智能部门事情,此外还可以成为制药行业的对外发言人。正如英国一些政府讲述(如《生命科学工业战略》)以及制药行业引领者(如英国制药工业协会、葛兰素史克公司)所强调的那样,生物医学人工智能预计将在近期至中期成为一个高速生长的部门。

(二)课程设置情形

UKRI 生物医学人工智能博士培育中央,学生需要通过修读硕士基础课程来获得生物医学人工智能研究中央的理学硕士学位。为此学生一共需要完成180个学分,其中必修课程占120 个学分,包罗两门基础课程和两个实践项目;非必修课程占60个学分,以焦点课程辅以几门选修课程的形式设置,焦点课程包罗两门课程,学生至少需要完成一门焦点课程学习,选修课程每门占10个或20个学分。

凭据上文所述的中央人才培育定位和课程培育设计,中央课程可以归纳为四类:人工智能手艺类课程、数据科学类课程、生物信息学类课程和综合性课程和项目(见图1)。

图1 UKRI生物医学博士培育中央硕士阶段人才培育课程框架

通过该框架可以发现,中央着重培育的是学生的盘算机素养、数学素养和工程素养,为此中央开设了数据科学类课程,这注释了为什么中央招收大量具有工科靠山的人才。在此基础上,中央强调学生对于人工智能新手艺的熟悉和掌握,为此开设了人工智能手艺类课程。可以看出,对于生物医学基础性知识理论的教授则并不属于中央人才培育的重点,“人工智能 生物医学”的跨学科性主要体现在其开设的生物信息学类课程中,这一类课程同时整合了生物医学、盘算机、信息学工程、数学和统计相关知识以及人工智能新手艺,重点在于对生物数据的处置。综合性课程和项目除了包罗上述三类课程培育的知识和技术之外,还关注与生物医学人工智能研究相关的社会学知识。通过对框架举行剖析,笔者以为, UKRI生物医学人工智能博士培育中央在某种程度上更靠近“人工智能 生物信息学”的实践,而生物信息学自己就已具备跨学科性。

中央需要通过考试或课程作业的形式对学生硕士阶段的所有课程学习显示(包罗小我私家项目和小组项目)举行评估,并为每门课程打分。要获得生物医学人工智能研究授予的理学硕士学位,学生必须知足所学的所有课程的平均成就到达至少50%,另外小组研究项目和小我私家研究项目成就均需到达至少 50%;要获得“优异”评级,所有课程的平均成就需要到达至少 60%,小组研究项目和小我私家研究项目成就均需到达至少 60%;而要获得“卓越”评级,所有课程的平均成就需要到达至少 70%,小组研究项目和小我私家研究项目成就均需到达至少 70%。成就不符合升学要求的学生只能获得研究生文凭( postgraduate diploma)或研究生证书( postgraduate certificate),而且不会升读 UKRI生物医学人工智能博士培育中央设计中的博士学位项目。

学生乐成升读博士学位项目之后,需要向中央提交完整的博士生建议书和项目建议书,中央团队将为学生提供可能的研究项目构想建议并推荐合适的指导者,但最终博士学位项目的选择由学生主导。确定升读博士学位项目之后,学生需要在主导师和一名或多名副导师的指导下,用三年时间来完成博士学位研究项目。每年学生和导师团队都需要和中央主管层举行一次正式的年度审核集会,而且填写在线年度审核表。

(三)课程实施与评价

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1.让学生在临床实践中学习

中央课程注重让学生通过亲自考察或体验临床实践流动来掌握相关知识和技术,以便学生在未来能够在详细情境中顺遂运用。其中最能体现这个特点的就是中央在第一学期开设的“临床数据建模中的问题”这门必修课程。

通过该课程的学习,学生能深刻明白生物医学人工智能研究职员在对临床数据举行网络、接见和建模历程中需要面临的挑战。课程内容包罗临床研究职员的一系列讲座以及最后为期一天的诊所接见,这将使学生有机遇亲自体验临床数据网络的重大性。诚然,通过整合临床数据开发出行使数据对疾病举行展望和干预的模子,对于生物医学应用有非常重要的意义,然则建模并不是一个简朴的事情,在建模历程中,生物医学人工智能领域职员需要处置许多重大的问题,让学生充实领会在这个历程中他们需要解决的问题对于他们往后实践的重要意义。

该课程的教学目的包罗两点:一是学生通过课程能够严酷评估和讨论种种疾病相关的临床数据建模将会带来的挑战,尤其是在数据噪声(noise in the data)、患者分层( patient stratification)以及律例和道德问题方面;二是通过追随体验熟悉生物医学领域中的数据采集规则。为实现上述教学目的,课程制订了以下评估方式:一是学生需要上交一份简短的书面讲述,来详细先容并批判性地反映学生在追随体验中遇到的临床数据建模挑战;二是学生需要向课程组织者和班上其他成员作简短的演讲,先容他们的追随体验。涉及的主题包罗“念头:为什么要网络数据?”“规则:正在网络什么数据,若何网络?”“剖析:当前在实验室中使用哪些方式来剖析数据?”“可能的生长:若何改善剖析方式?这样做的挑战是什么?”“影响:该领域临床研究更普遍的影响是什么?”。西席将在两周内对课程作业举行评估和反馈。评估讲述将由偕行、课程讲师和个体主管凭据一定规则举行审核。

2.注重科研的民众介入和普及

现如今,科学流动越来越倾向于举行大局限的国际互助以求对要害科学手艺难题举行协作攻关,科学配合体的局限也需要不停扩大,在这种情形下增强科研的社会介入和科研普及是非常有需要的。因而中央的课程培育设计中也稀奇关注了科研的民众介入和社会普及,并为此在第一学期单独开设了“负责任的研究和创新基础”这门必修课程。

该课程旨在使学生具备解决研究和创新领域的社会、执法和道德问题的能力。在课程中西席会向学生先容科学、手艺与创新研究新领域的奖学金,稀奇是与新兴科学和手艺相关的奖学金,以便学生能为自己之后的研究门路制订合理的设计。西席还将率领学生探讨负责任的研究和创新的相关理念,并研究它们若何在新兴科学和手艺项目中施展科学家和工程师的作用,这些项目包罗民众介入、风险和伦理审计(risk and ethical audit)以及创新轨迹和功效评估。该课程作为与人工智能手艺相连系的跨学科课程,还稀奇提到要辅助学生将这些观点应用于大数据、人工智能和生物医学研究等领域。

该课程的教学目的包罗五点:一是学生通过课程能够对研究职员在学术界和社会中的作用以及负责任的研究和创新实践可能带来的影响形成批判性的明白;二是学生通过课程能够批判性地介入科学手艺的研究、创新和治理,并通过宣传促进社会民众对相关手艺的领会;三是学生通过课程能够深入思索研究的各利益相关者的潜在导向,评估他们对研究功效行使的优先顺序并做出明智的判断;四是学生通过课程能够以书面和口头的形式流通且有逻辑地陈述科学研究领域的社会伦理相关论点;五是学生通过课程能够使用一系列研究技术来设计和执行研究项目,战胜挑战并在未来成为负责任的研究职员。

课程针对教学目的制订了以下评估方式:一是为社会民众领会新兴科学手艺制作一份简报(PPT形式),先容科学手艺项目详细内容及其潜在的社会和道德层面影响;二是撰写一份讲述来论述与选定研究项目有关的差别利益相关者的潜在影响和导向。西席会在 15个事情日内对学生的作业举行评估并提交反馈,课程还会以研讨会形式激励西席和学生举行一对一反馈,从而实现形成性评价。

3.组织学生举行项目式学习

项目式学习能够磨练学生对知识的综合掌握和解决问题的能力。学生在第二学期必须完成小组研究项目和小我私家研究项目两门实践课程,两个项目划分占20个学分和 80个学分,对于学生是否能够顺遂从硕士阶段过渡到博士阶段至关重要。在两个研究项目中,学生将划分以小组( 2~3人为一组)和小我私家的形式举行实践,实验将人工智能应用于解决生物医学方面的问题。

小组研究项目和小我私家研究项目必须至少有两位导师,其中一位来自人工智能或机械学习领域,另一位则来自生物医学领域。导师的职责是提供手艺咨询并协助学生举行研究设计。对于小组研究项目,导师还应指定一名指导员,由其监视整个团队的实践历程。学生划分有两次选择小组研究项目和小我私家研究项目的机遇,在确定感兴趣的项目之后需要尽早与导师联系以领会项目的更多详细信息。值得一提的是,一些有价值的小组研究项目和小我私家研究项目另有机遇成为学生博士阶段的研究项目。

在评估方面,小组研究项目和小我私家研究项目都需要提交一篇论文作为书面讲述。此外,小组研究项目还包罗口头陈述,所有小组都需要在提交论文前举行答辩,向导师先容自己的项目,并凭据导师的反馈修改论文。小组研究项目论文由一名导师和一名事情职员各自举行自力评估,若是分数相差小于10%,则取平均分作为论文成就,否则将由委员会举行调整,小我私家研究项目论文则由两名事情职员互助评估。

三、对我国“人工智能 ”复合学科建设的启示

(一)培育学生跨学科头脑

“人工智能 X”教育最焦点的本质就是其跨学科性,学生需要行使人工智能手艺来解决本专业应用领域和研究领域的现实问题。因此在培育历程中,应该模糊两个领域的学科界限,不再以知识为导向组织教学,而是以问题为导向睁开教学,让学生在学习详细的案例和解决特定问题的历程中行使人工智能手艺来战胜本专业现阶段面临的挑战,从而突破生长瓶颈。为此,学生还应不停演习以提高知识迁徙能力,从而能够在实践中行使人工智能手艺和理念跨学科解决问题。

(二)促进学生个性化自主学习

人工智能最大的优势之一就是能为学生提供厚实的智能化教学资源。UKRI生物医学人工智能博士培育中央在给予学生种种线下学习资源的同时,也为学生准备了重大的线上资源库。“人工智能 X”复合学科差别于单一学科培育,它不仅要求学生掌握本专业基础知识,还需要让学生掌握人工智能手艺以及本专业和人工智能交织领域延伸出的知识理论。因此,学生破费大量时间举行自主学习是很有需要的,足够的智能化教学资源能为学生自主学习提供支持。不停推动微课、慕课、翻转课堂以及移动教育资源的创新学习资源开发有利于实现以学生个性需求为中央,以资源、手艺、智能头脑为支持的教育现代化的变化。

(三)提高学生自主创新能力和研究能力

“人工智能 X”教育应该培育的是兼具专业性、手艺性和创新性的复合型人才,而科研项目正是培育创新型人才的有用途径,通过科研项目的实践,学生不仅能够提高自身创新能力,还能够培育科研头脑和科研能力,从而为未来的研究门路打下基础。科研项目分为小我私家项目和团队项目,在小我私家项目中学生需要在连系自身兴趣和导师科研项目需求的基础上选择自己的主攻偏向,在导师指导下完成项目,并在这个历程中不停提高科研能力和问题解决能力;在团队项目中,学生可以与他人互助举行项目实践,从而培育团队互助的科研素养和意识。

注释:

①英国的学位评定分为一等声誉学位( first class honours degree)、 2.1学位或二等一级学位( upper-second class degree)、 2.2学位或二等二级学位( lower-second class degree)、三等学位( third class degree)。英国大学划定平均成就 70分以上为一等学位, 60~69分为二等一级学位, 50~59分为二等二级学位, 40~49分是三等学位。

②英国硕士阶段一样平常需要修满 180个学分。在爱丁堡大学所修得的学分可作为苏格兰学分和资格框架( Scottish Credit Qualifications FrameworkSCQF)的一部分,这个框架涵盖苏格兰区域所有学历和资格证书的学分和资格框架。 20SCQF学分相当于 10个欧洲学分互认系统( Europe Credits Transfer SystemECTS)学分,或者美国高校的 个学分。

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