代煜　許林

摘 要：針對腦與認知科學基礎課程學習難度較大，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。

腦與認知科學基礎課程的先導課程僅有高等數(shù)學、大學物理、電路基礎、高級語言程序設計等，對于智能科學與技術專業(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課程教學團隊面臨的一項重要任務。

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

根據(jù)腦與認知科學領域的最新研究進展，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

智能科學與技術專業(yè)的學生除了需要具備扎實的專業(yè)基礎理論之外，還要有知識更新和跟蹤新技術的創(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，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課程教學中，教師如果能夠隨時隨地把本學科領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。腦與認知科學基礎課程教學團隊可以引導學生關注類腦智能研究的歷史、現(xiàn)狀與研究熱點，在學期末安排相關的課程設計，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課程教學團隊依托天津市智能機器人技術重點實驗室，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，腦與認知科學基礎課程中認知心理學的相關內(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課程教學團隊推薦了幾篇相關英文論文，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，通過手機應用程序，選中相關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)柎a。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用領域，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計實現(xiàn)方面，南開大學腦與認知科學基礎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、程序設計說明文檔以及所用的圖像和視頻素材。為了完成課程設計，學生除了要對已經(jīng)學過的課程如高級語言程序設計等進行復習，還要閱讀大量的文獻資料。該課程設計能夠充分發(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)開展相關研究。

4 結(jié) 語

腦與認知科學基礎課程在智能科學與技術專業(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”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. 智能科學與技術專業(yè)本科實踐課程的建設[J]. 計算機教育， 2011（15）： 120-123.

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

（編輯：宋文婷）endprint