摘要：腦與認(rèn)知科學(xué)是智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的核心課程之一，針對本課程的教材建設(shè)是支持該核心課程建設(shè)的重要內(nèi)容。但至今為止還沒有系統(tǒng)的綜述腦與認(rèn)知科學(xué)的配套教材基于此，作者編寫了《腦與認(rèn)知科學(xué)概論》一書，彌補(bǔ)了教材的空缺。本文總結(jié)編寫該教材的心得體會，分享教材編寫經(jīng)驗(yàn)。
　　關(guān)鍵詞：腦與認(rèn)知科學(xué)；教材編寫；智能科學(xué)與技術(shù)；腦科學(xué)；認(rèn)知科學(xué)
　　
　　腦與認(rèn)知科學(xué)(Brain and Cognitive Sciences)作為最具挑戰(zhàn)性和最活躍的科學(xué)前沿之一，已成為全球性的研究熱點(diǎn)。認(rèn)識大腦從而認(rèn)識人類自身是擺在各國科學(xué)家面前的首要科學(xué)使命。美國、澳大利亞、加拿大、法國、德國等多國合作的國際人類前沿科學(xué)計(jì)劃(Human Frontier Science Program)項(xiàng)目[1]將對人類認(rèn)知的研究作為這一計(jì)劃的重點(diǎn)內(nèi)容；美國將1990-2000年命名為“腦的十年”計(jì)劃[2]；歐洲于1991年開始實(shí)施“EC腦十年計(jì)劃”；日本在1996年推出的“腦科學(xué)時(shí)代”計(jì)劃；我國政府在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(2006-2020年)》中，將“腦與認(rèn)知科學(xué)”被列為我國基礎(chǔ)研究中的重大科學(xué)前沿問題[3]，國家科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院等機(jī)構(gòu)也先后部署了腦與認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目，使腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)在中國得到了前所未有的重視。
　　自2003年北京大學(xué)在國內(nèi)率先開設(shè)“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)以來，至今已經(jīng)有北京科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、南開大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、廈門大學(xué)、湖南大學(xué)等數(shù)十所高校經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)?！澳X與認(rèn)知科學(xué)”是智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的核心課程之一，但至今為止都沒有前例將腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)同時(shí)統(tǒng)一到一部教材中進(jìn)行綜合性地論述，作為合適的課程配套教材供教師和學(xué)生選用[4]。作者自2008年開始在北京科技大學(xué)講授“腦與認(rèn)知科學(xué)”課程，經(jīng)過多年的教學(xué)，作者對腦與認(rèn)知科學(xué)的知識進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理，形成一套較為完整的知識體系，最終形成《腦與認(rèn)知科學(xué)概論》一書。
　　1教材編寫構(gòu)思
　　《腦與認(rèn)知科學(xué)概論》將腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)作為同等的知識主體進(jìn)行論述。其中，腦科學(xué)是研究人腦的結(jié)構(gòu)與功能的綜合性學(xué)科，它從分子水平、細(xì)胞水平、行為水平研究人腦智能機(jī)理，建立腦模型，揭示人腦的本質(zhì)[5]。在教材中我們將腦科學(xué)描述為“智能科學(xué)與技術(shù)”的生物學(xué)基礎(chǔ)。認(rèn)知科學(xué)是研究人類感知、學(xué)習(xí)、記憶、思維、意識等人腦心智活動過程的科學(xué)，它探索人類的智力如何由物質(zhì)產(chǎn)生和人腦信息處理的過程，包括從感覺的輸入到復(fù)雜問題求解，從人類個體到人類社會的智能活動，以及人類智能和機(jī)器智能的性質(zhì)[6]。在教材中，認(rèn)知科學(xué)被描述為“智能科學(xué)與技術(shù)”的中間件，即從自然智能到機(jī)器智能之間的橋梁。
　　根據(jù)教學(xué)大綱的要求，并考慮到腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)二者之間的關(guān)系，我們將全書分為4篇，共8章，如圖1所示。其中，第1篇為總論，即第1章緒論，整體論述腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的研究意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方法以及研究前景。
　　第2篇為腦科學(xué)，論述腦科學(xué)的基礎(chǔ)知識、腦科學(xué)知識在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，以及利用信息技術(shù)模擬人腦功能制造人工大腦。該篇共包含3章，其中，第2章腦科學(xué)基礎(chǔ)知識，分析人腦的基本構(gòu)造、左右腦的聯(lián)系及協(xié)調(diào)工作機(jī)理、男性大腦與女性大腦的區(qū)別、大腦的工作原理、神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)造，以及現(xiàn)階段腦科學(xué)的基本研究手段；第3章腦科學(xué)知識的應(yīng)用，從腦與學(xué)習(xí)、腦與意識及腦與行為三個角度論述了腦科學(xué)知識在生活中的應(yīng)用，并介紹了大腦保養(yǎng)的科學(xué)方法，在第2章中學(xué)習(xí)到的腦科學(xué)基礎(chǔ)知識應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中指導(dǎo)人類大腦的科學(xué)開發(fā)與保養(yǎng)；第4章人工大腦，在第2章論述的腦科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，抽象并總結(jié)人工大腦的工作模型，并利用信息技術(shù)等手段模擬人腦功能實(shí)現(xiàn)人工大腦。
　　第3篇為認(rèn)知科學(xué)，論述認(rèn)知科學(xué)的知識科學(xué)、認(rèn)知計(jì)算，以及智能認(rèn)知系統(tǒng)。該篇共包含3章，其中第5章“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)知識”論述了感知、注意、記憶以及知識的構(gòu)建與表征等基礎(chǔ)知識；第6章認(rèn)知計(jì)算，基于第5章，認(rèn)為認(rèn)知的本質(zhì)就是計(jì)算，通過幾種認(rèn)知模型，使計(jì)算機(jī)模擬認(rèn)知過程稱為可能；第7章智能認(rèn)知系統(tǒng)實(shí)例，論述了仿人機(jī)器人、無人駕駛汽車及認(rèn)知計(jì)算機(jī)3個智能認(rèn)知系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，使讀者可以更直觀的體驗(yàn)到認(rèn)知計(jì)算在現(xiàn)實(shí)生活中有哪些用武之地。
　　第4篇為實(shí)踐，共1章即第8章實(shí)驗(yàn)，提供了5個實(shí)驗(yàn)，即大腦模型認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、核磁共振成像體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、腦波檢測與信息處理體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、人工大腦簡單記憶功能電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及智能車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以作為第2、4、6、7章中相關(guān)內(nèi)容的配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。其中大腦模型認(rèn)知實(shí)驗(yàn)為課堂演示性實(shí)驗(yàn)，即教師通過相關(guān)教具、幻燈片等進(jìn)行展示，使學(xué)生認(rèn)識大腦的基本構(gòu)造和工作原理等，配合第2章使用；“核磁共振成像體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”為體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生通過現(xiàn)場參觀或?qū)嶋H操作的方式達(dá)到核磁共振成像的工作原理等目的，配合第2章使用；“腦波檢測與信息處理體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”為體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生通過具體操作意念耳機(jī)產(chǎn)品實(shí)直觀體驗(yàn)?zāi)X機(jī)接口技術(shù)在實(shí)際如何應(yīng)用，配合第4章使用；“人工大腦簡單記憶功能電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為綜合性實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生通過設(shè)計(jì)并用電路實(shí)現(xiàn)人工大腦的簡單記憶功能，配合第4章使用；“智能車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為綜合性實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生通過設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個簡單的智能車，配合第6章和第7章使用。
　　2教材編寫特色
　　教材系統(tǒng)地論述了腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)的基本概念和研究內(nèi)容與研究方法，綜合前人將腦與認(rèn)知科學(xué)引入到信息科學(xué)領(lǐng)域的寶貴思想和最新研究成果。具體地，該教材具有如下特色：
　　1) 緊跟前沿，反映最新研究成果。
　　腦與認(rèn)知科學(xué)是當(dāng)前最具前沿的研究領(lǐng)域之一，教材緊跟時(shí)代前沿，匯聚國內(nèi)外最新的研究成果，使讀者能夠掌握該領(lǐng)域的最新研究動態(tài)。
　　2) 體現(xiàn)學(xué)科交叉。
　　腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)是邊緣性交叉學(xué)科，是心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、語言學(xué)、人類學(xué)、人工智能科學(xué)乃至自然哲學(xué)等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。教材選取各門學(xué)科相互交叉、聯(lián)系的部分，科學(xué)地將這些知識進(jìn)行融合。
　　3) 體系結(jié)構(gòu)清晰，知識完整。
　　教材將腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)作為兩個并列的知識主題，整合到一本書之中。教材分為4篇。第1篇對二者進(jìn)行簡明地綜合性論述。第2、3篇依次單獨(dú)論述腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)，且每篇中各章節(jié)都建立在之前章節(jié)基礎(chǔ)之上，使得知識具備很好的銜接性，又有一定的跨越性。教材的實(shí)驗(yàn)全部放在最后，獨(dú)立形成第4篇。
　　4) 強(qiáng)調(diào)實(shí)用性。
　　教材不是僅僅羅列腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的基本知識，而是在此基礎(chǔ)之上，將腦與認(rèn)知科學(xué)的知識引入到我們的生活實(shí)踐中，使讀者能夠科學(xué)用腦，理解生活中與此相關(guān)的某些現(xiàn)象，如做夢、植物人等。
　　5) 體現(xiàn)工程性，符合工科專業(yè)需求。
　　作為智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的教材，該書匯總了常用的大腦工作模型、認(rèn)知模型等數(shù)學(xué)模型，使得學(xué)生能夠了解和掌握這些模型并根據(jù)模型動手開發(fā)智能系統(tǒng)。教材第4章人工大腦和第8章實(shí)驗(yàn)等章節(jié)對學(xué)生動手實(shí)踐能力的提高將會有很好的幫助和促進(jìn)作用。
　　6) 生動趣味，實(shí)例豐富。
　　為了吸引學(xué)生的興趣，教材在每個章節(jié)根據(jù)知識點(diǎn)，特意穿插入生動的實(shí)例供學(xué)生閱讀，增強(qiáng)了教材的趣味性。
　　7) 實(shí)驗(yàn)、習(xí)題齊全，方便教學(xué)。
　　教材在第8章安排5個實(shí)驗(yàn)，可供教師根據(jù)需要作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。教材在每章后都安排有豐富的課后習(xí)題，并配有詳細(xì)解答，適合教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。
　　
　　3教材編寫手段
　　腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)作為交叉性和前沿性學(xué)科，對教材編寫提出了較高的挑戰(zhàn)。為了編好教材，作者在編寫過程中采取了如下4種方法。
　　1) 組織編寫團(tuán)隊(duì)。
　　作者在確定教材的體系結(jié)構(gòu)安排之后，組織了一只編寫團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)包含教授、副教授、博士研究生、碩士研究生等。編寫團(tuán)隊(duì)成員定期召開例會進(jìn)行討論。
　　2) 跟蹤世界研究最前沿。
　　作者通過查閱大量的期刊和搜集網(wǎng)絡(luò)信息，緊跟國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的最新研究動態(tài)。除此之外，作者積極與國外知名研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，先后到加拿大多倫多大學(xué)、日本九州工業(yè)大學(xué)進(jìn)行訪問或訪學(xué)，將國際最新研究動態(tài)帶回國內(nèi)，在該教材中與讀者分享。
　　3) 廣泛收集資料。
　　腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)是交叉性的學(xué)科，作者在教材編寫過程中廣泛占有心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、社會學(xué)、語言學(xué)等多門學(xué)科的資料和資源，吸取現(xiàn)有各種資料中的知識并對其進(jìn)行歸納和梳理，最終形成該教材。
　　4) 聽取本科生意見建議。
　　為了使該書適合作為智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的教材使用，作者從2008年開始在本科教學(xué)過程中不斷探索，并對教學(xué)講義進(jìn)行改進(jìn)，到現(xiàn)在為止在課堂教學(xué)中學(xué)生反映良好。在本書完稿后，交由本科高年級學(xué)生進(jìn)行試讀，根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行數(shù)次改進(jìn)，不斷完善，最后學(xué)生評價(jià)普遍反映良好。
　　4教材使用方法
　　本書可作為智能科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動化等專業(yè)高年級本科生、研究生的專業(yè)課教材或參考用書。授課教師可以根據(jù)本校的教學(xué)技術(shù)，靈活調(diào)整授課學(xué)時(shí)。建議授課學(xué)時(shí)安排如下：
　　1) 針對智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)教學(xué)，要求學(xué)生學(xué)習(xí)本書所講的全部內(nèi)容，使其能夠掌握腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的基礎(chǔ)知識，并能夠使用相關(guān)技術(shù)手段實(shí)際動手設(shè)計(jì)和開發(fā)某些現(xiàn)實(shí)應(yīng)用?？梢园才?2個學(xué)時(shí)(18個授課學(xué)時(shí)和14個實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí))，學(xué)時(shí)建議分配如下：第1章為2個學(xué)時(shí)(授課2個學(xué)時(shí))；第2章為6個學(xué)時(shí)(授課2個學(xué)時(shí)，2個實(shí)驗(yàn)各2個學(xué)時(shí))；第3章為4個學(xué)時(shí)(授課4個學(xué)時(shí))；第4章為10個學(xué)時(shí)(授課4個學(xué)時(shí)，2個實(shí)驗(yàn)分別2個學(xué)時(shí)、4個學(xué)時(shí))；第5章為2個學(xué)時(shí)(授課2個學(xué)時(shí))；第6章為8個學(xué)時(shí)(授課4個學(xué)時(shí)，1個實(shí)驗(yàn)4個學(xué)時(shí))；第7章為2個學(xué)時(shí)(授課2個學(xué)時(shí))。
　　2) 針對其他專業(yè)，如計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的教學(xué)，要求學(xué)生了解腦與認(rèn)知科學(xué)的基礎(chǔ)知識，以及腦與認(rèn)知科學(xué)相關(guān)的技術(shù)手段，重點(diǎn)掌握教材中與人工智能相關(guān)的知識點(diǎn)?？梢詮闹羞x取16個學(xué)時(shí)進(jìn)行講授。
　　5結(jié)語
　　腦與認(rèn)知科學(xué)在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程中占有極其重要的地位，同時(shí)也是一門較難講授的課程。作者在《腦與認(rèn)知科學(xué)概論》教材的編寫過程中，立足于科學(xué)前沿，體現(xiàn)了腦科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、生理學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域交叉的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和構(gòu)思上力爭為讀者提供全面、系統(tǒng)的知識框架。作者希望該教材能夠彌補(bǔ)空缺，并為我國智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的教育教學(xué)貢獻(xiàn)微薄的力量。
　　
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