代煜　許林

摘 要：針對腦與認知科學基礎(chǔ)課程學習難度較大，學生在學習中容易出現(xiàn)學習目的不明確和學習方法不清楚的教學實際，提出在基本課堂教學之外設(shè)計科技文獻閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實驗和類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)3個環(huán)節(jié)，由易到難、層層深入，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：腦科學；認知科學；教學方法；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

1 課程介紹

腦與認知科學基礎(chǔ)是研究人類感知和神經(jīng)信息處理過程的科學，是現(xiàn)代心理學、計算機科學、神經(jīng)科學、物理學、語言學、人類學、哲學等學科交叉發(fā)展的結(jié)果，課程內(nèi)容主要是介紹認知科學方面的原理和基本知識，如人工智能所面臨的問題，認知科學的研究方向，認知科學中的各種理論體系，認知心理學簡介，腦科學與心智模型，感知、認識的辯證過程等內(nèi)容。

腦與認知科學基礎(chǔ)課程的先導課程僅有高等數(shù)學、大學物理、電路基礎(chǔ)、高級語言程序設(shè)計等，對于智能科學與技術(shù)專業(yè)二年級的學生來說，課程學習難度較大，學生在學習中容易陷入學習目的不明確和學習方法不清楚的困境[1-2]。如何引導學生從抽象的概念中理解具體知識，并能自主創(chuàng)新地學習，是腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊面臨的一項重要任務(wù)。

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

根據(jù)腦與認知科學領(lǐng)域的最新研究進展，為引導學生走出學習困境，可在基本課堂教學之外設(shè)計科技文獻閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實驗和類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)3個環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.1 科技文獻閱讀與分析概述

智能科學與技術(shù)專業(yè)的學生除了需要具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)理論之外，還要有知識更新和跟蹤新技術(shù)的創(chuàng)新能力?？萍嘉墨I閱讀與分析概述是學生了解學科前沿、開拓學習思路、培養(yǎng)和提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一。學生要完成該項任務(wù)，首先必須具有良好的中英文科技論文閱讀能力；其次，學生要認識到對科技文獻所做的分析概述不是材料的羅列和拼湊，而是在充分理解科技文獻的基礎(chǔ)上，對其加以歸納、總結(jié)并做出恰當?shù)卦u論；最后，對于不理解的概念，學生要進行再次檢索，通過多種渠道獲取對相關(guān)知識的認識和理解，豐富的學習資源，提高學習的主動性和創(chuàng)造性。

2.2 融合教師最新科研成果的演示實驗

在腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學中，教師如果能夠隨時隨地把本學科領(lǐng)域最前沿的研究成果通過演示實驗的形式傳達給學生，會令學生覺得耳目一新，視野開闊。具有豐富科研經(jīng)歷的教師均有較強的創(chuàng)新意識和批判性思維，授課內(nèi)容不拘泥于教材，有利于提高學生的學習興趣和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在演示過程中，教師可能會發(fā)現(xiàn)需要進一步研究的科學和工程問題，并通過進一步的研究探討對研究成果進行改進和完善。

2.3 類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)

隨著腦與認知科學的發(fā)展，從不同尺度觀測腦神經(jīng)元的活動已經(jīng)被世界各國的研究者廣泛應(yīng)用。受腦工作機制的啟發(fā)，發(fā)展類腦智能成為近年來人工智能領(lǐng)域研究的熱點[3]。目前的類腦智能是以計算建模為手段，并通過軟硬件協(xié)同實現(xiàn)的機器智能，與腦與認知科學基礎(chǔ)課程基本教學內(nèi)容的聯(lián)系非常緊密。腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊可以引導學生關(guān)注類腦智能研究的歷史、現(xiàn)狀與研究熱點，在學期末安排相關(guān)的課程設(shè)計，讓學生利用假期時間充分理解多學科交叉融合的創(chuàng)新研究視角。

3 本校實際情況

南開大學腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊依托天津市智能機器人技術(shù)重點實驗室，在人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面開展了許多有益嘗試[4-5]。課程教材采用武秀波版《認知科學概論》，該書對基本概念和基本原理介紹較為清楚，但是單純的課堂講授缺乏能夠培養(yǎng)工科學生創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，不能調(diào)動學生的學習積極性，課后也很難考查學習效果。我們從科技文獻閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實驗和類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)3個方面舉例說明創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過程。

在科技文獻閱讀與分析概述方面，腦與認知科學基礎(chǔ)課程中認知心理學的相關(guān)內(nèi)容核心是輸入和輸出之間的心理過程，但是目前沒有技術(shù)手段可以直接觀察這個心理過程，只能對輸入和輸出現(xiàn)象加以分析和推測。這些心理學理論對于智能科學與技術(shù)專業(yè)二年級學生來說還非常抽象，單純依靠課堂講授，學生無法深入理解。南開大學腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊推薦了幾篇相關(guān)英文論文，由學生自行閱讀并撰寫綜述論文，能使學生進一步理解認知心理學的研究對象、研究方法和研究特點。

在融合教師最新科研成果的演示實驗方面，南開大學腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊引入了利用腦電波信號撥打電話的最新科研成果，將其作為演示實驗。該項成果通過頭戴式腦電波傳感器捕捉佩戴者大腦的腦電信號，通過手機應(yīng)用程序，選中相關(guān)腦電波信號并對其進行翻譯，實驗中由佩戴者翻動手機電話簿，看到某個電話號碼時如果佩戴者微笑，手機就能自動撥打?qū)?yīng)號碼。實驗中，學生對這項成果普遍很感興趣，討論了未來可能的應(yīng)用領(lǐng)域，有的學生還用批判的眼光對待這項成果，提出佩戴者如果分心會不會造成誤撥等問題。

在類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)方面，南開大學腦與認知科學基礎(chǔ)課程教學團隊布置學生閱讀發(fā)表在《心理科學進展》2010年第9期上的研究論文《微表情研究及其應(yīng)用》，針對視覺（圖像和視頻）感知數(shù)據(jù)的分析與理解，借鑒腦神經(jīng)機制和認知機理的研究結(jié)果，鼓勵學生自由組隊，實現(xiàn)對微表情的識別。要求學生提交的成果包括源程序、可執(zhí)行文件、程序設(shè)計說明文檔以及所用的圖像和視頻素材。為了完成課程設(shè)計，學生除了要對已經(jīng)學過的課程如高級語言程序設(shè)計等進行復習，還要閱讀大量的文獻資料。該課程設(shè)計能夠充分發(fā)揮學生的學習主動性及項目研究的創(chuàng)造性，改變學生被動接受教學內(nèi)容的舊模式。

從多年教學的效果看，在完成科技文獻閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實驗和類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)3個教學環(huán)節(jié)之后，絕大多數(shù)學生的創(chuàng)新能力有所提升；課程結(jié)束后有些學生積極參加各類科技創(chuàng)新項目，還有部分學生加入教師的科研團隊與研究生師兄師姐們并肩奮戰(zhàn)開展相關(guān)研究。

4 結(jié) 語

腦與認知科學基礎(chǔ)課程在智能科學與技術(shù)專業(yè)教學體系中占有重要地位，也是一門學生難以理解和掌握的課程，其教學方法值得進一步深入探索。我們將創(chuàng)新人才的培養(yǎng)融入整個教學過程，設(shè)計了科技文獻閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實驗和類腦認知計算模型的設(shè)計實現(xiàn)3個環(huán)節(jié)，由易到難、層層深入，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。在今后的工作中，我們將繼續(xù)探索專業(yè)建設(shè)過程中的經(jīng)驗，形成特色鮮明的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

參考文獻：

[1] 譚詠梅， 王小捷， 鐘義信. “腦與認知科學基礎(chǔ)”教學研究[J]. 計算機教育， 2009 （11）： 81-85.

[2] 王志良， 李明， 谷學靜. “腦與認知科學概論”教材編寫體會[J]. 計算機教育， 2011（15）： 108-111.

[3] 曾毅， 劉成林， 譚鐵牛. 類腦智能研究的回顧與展望[J]. 計算機學報， 2016， 39（1）： 212-222.

[4] 許林. 智能科學與技術(shù)專業(yè)本科實踐課程的建設(shè)[J]. 計算機教育， 2011（15）： 120-123.

[5] 許林. 智能科學技術(shù)專業(yè)實踐課程內(nèi)容設(shè)計[J]. 計算機教育， 2013（19）： 76-79.

（編輯：宋文婷）endprint