劉柯　王燁　于洪

［摘 要］ 認(rèn)知科學(xué)是智能科學(xué)與技術(shù)的生物基礎(chǔ)，是一門(mén)研究人類(lèi)感知和認(rèn)知信息處理過(guò)程的學(xué)科。根據(jù)新工科背景下“金課”建設(shè)的基本要求，結(jié)合“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程在智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)中的特征和地位，進(jìn)行“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”線下“金課”建設(shè)。針對(duì)課程教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容與多學(xué)科融合有差距、考核方式單一等問(wèn)題，從明確教學(xué)目標(biāo)、更新教學(xué)內(nèi)容、課程思政育人、豐富教學(xué)方法、多樣化考核方式等方面提出了建設(shè)“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”線下“金課”的有效方法，并有效改善了“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］ 智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)；認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)；線下“金課”建設(shè)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度重慶郵電大學(xué)秋季學(xué)期線下金課建設(shè)項(xiàng)目“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”（XJKXX2021-20）；2019年度國(guó)家級(jí)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)“智能科學(xué)與技術(shù)”（教高廳函〔2019〕46號(hào)）；2020年度重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證背景下的智能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革研究與實(shí)踐”（203395）

［作者簡(jiǎn)介］ 劉 柯（1989—），男，四川南充人，博士，重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事腦信號(hào)分析和腦機(jī)接口系統(tǒng)研究；王 燁（1988—），男，重慶人，博士，重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，主要從事自然語(yǔ)言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)研究；于 洪（1972—），女，重慶人，博士，重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，主要從事智能信息處理及數(shù)據(jù)挖掘研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）07-0081-04［收稿日期］ 2023-02-06

“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”一直是重慶郵電大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心課程，其目標(biāo)是銜接智能科學(xué)與技術(shù)的先行課程和后修課程，注重神經(jīng)信息處理、神經(jīng)信息通路、模型以及認(rèn)知啟發(fā)的智能計(jì)算模型，為智能設(shè)計(jì)、人工智能帶來(lái)了啟示［1-2］。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以理解人類(lèi)如何通過(guò)腦與神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外界信息進(jìn)行感知、編碼和處理，掌握認(rèn)知科學(xué)的基本概念、基本理論和科學(xué)研究方法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)認(rèn)知科學(xué)的腦功能與結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)構(gòu)成、認(rèn)知現(xiàn)象、認(rèn)知模型的理解，領(lǐng)悟腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能及計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的特點(diǎn)，形成較為全面系統(tǒng)的知識(shí)框架。結(jié)合腦認(rèn)知基礎(chǔ)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課堂教學(xué)、項(xiàng)目大作業(yè)、課堂討論等教學(xué)組織形式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、辯證思維和法律意識(shí)，分析與解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，以及求真務(wù)實(shí)的專(zhuān)業(yè)精神、踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

針對(duì)智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)不夠合理、教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容與多學(xué)科融合有差距、考核方式單一等問(wèn)題，筆者對(duì)新工科建設(shè)背景下線下“金課”的建設(shè)和實(shí)施，以及使課程具有創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)性［3］進(jìn)行了初步探索。

一、線下“金課”建設(shè)需要解決的問(wèn)題

（一）以學(xué)生為中心的教學(xué)理念知易行難

目前，教學(xué)中仍是以教師為主體，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)課學(xué)習(xí)。由于“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程涉及腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，容易使學(xué)生感到枯燥、缺乏代入感，導(dǎo)致其聽(tīng)課意愿不足，教學(xué)成果不佳。從教學(xué)效果反饋來(lái)看，學(xué)生對(duì)“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”缺乏興趣和熱情。教師在課堂中一般采用電子課件，因此使得學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容記憶不深刻。此外，學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的認(rèn)識(shí)不夠，不知道課程所學(xué)內(nèi)容如何應(yīng)用、課程對(duì)自己后續(xù)的發(fā)展有什么幫助，從而使學(xué)生產(chǎn)生了抵觸情緒。踐行工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，需要改變以往以教師為中心的教學(xué)理念，而轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心。傳統(tǒng)教學(xué)以“說(shuō)教式”教學(xué)為主，過(guò)分強(qiáng)調(diào)了教師的主導(dǎo)作用，學(xué)生只是被動(dòng)接受，主要是以“灌輸式”為主。而工程認(rèn)證則是以學(xué)生為中心，傳統(tǒng)的教學(xué)模式無(wú)法滿(mǎn)足工程認(rèn)證的需求，也無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，工程認(rèn)證能夠完全調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，真正達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

（二）教學(xué)內(nèi)容多，課程難度大

“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程利用神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)，理解認(rèn)知科學(xué)，目標(biāo)是學(xué)習(xí)利用先進(jìn)技術(shù)和工具，在細(xì)胞、系統(tǒng)、全腦等不同層次上理解認(rèn)知科學(xué)的基本概念和現(xiàn)象，分析、處理、整合、建模、仿真與虛擬腦認(rèn)知?！罢J(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程的基本內(nèi)容包括腦與神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)造、工作原理和基本研究手段，腦與學(xué)習(xí)、意識(shí)、行為的關(guān)系，感知、注意、記憶的生物和生理學(xué)本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聽(tīng)覺(jué)計(jì)算、視覺(jué)計(jì)算、腦機(jī)接口、認(rèn)知機(jī)器人等部分。在課堂講授中，教師一般只講授必學(xué)單元的基本知識(shí)點(diǎn)。由于內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，對(duì)于智能科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用方面的知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)間較少。

（三）考核方式單一

許多課程通常將期末卷面考試成績(jī)作為考核學(xué)生學(xué)習(xí)效果的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這種單一的考核方式無(wú)法體現(xiàn)課程特色［4］。部分學(xué)生平時(shí)很少?gòu)?fù)習(xí)理論知識(shí)，期末突擊應(yīng)付考試、課后題相互抄襲現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，單一的期末卷面成績(jī)難以反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，授課教師也無(wú)法從學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)中得到有效反饋，無(wú)法充分發(fā)揮以考促學(xué)、以考促建的目的，難以有效提高教學(xué)質(zhì)量、加強(qiáng)課程建設(shè)。

二、“金課”建設(shè)方案

（一）明確教學(xué)目標(biāo)

“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程力求使學(xué)生能夠掌握扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)核心知識(shí)，了解認(rèn)知科學(xué)前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，培養(yǎng)對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)較敏銳的洞察力，同時(shí)使學(xué)生具有數(shù)據(jù)分析與處理能力，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。學(xué)生具備文獻(xiàn)檢索、資料查詢(xún)及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本能力。課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)的學(xué)生知識(shí)和能力要求如下。

課程目標(biāo)1：能夠描述并分享腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展及各個(gè)心理學(xué)派的構(gòu)成；能夠分析感覺(jué)與知覺(jué)的關(guān)系和區(qū)別；能夠通過(guò)課后文獻(xiàn)檢索和文獻(xiàn)閱讀，分析注意與意識(shí)及其神經(jīng)機(jī)制；能夠認(rèn)識(shí)人類(lèi)思維與表征的認(rèn)知科學(xué)原理。

課程目標(biāo)2：能夠構(gòu)建從神經(jīng)元到神經(jīng)系統(tǒng)的概念架構(gòu)；能夠描述并分析感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及常見(jiàn)認(rèn)知障礙，并利用腦節(jié)律和最新的智能科學(xué)技術(shù)與認(rèn)知科學(xué)原理針對(duì)部分腦功能障礙康復(fù)設(shè)計(jì)方案。

課程目標(biāo)3：能夠認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)的原理和情緒及其調(diào)控機(jī)制；能夠利用記憶的認(rèn)知性質(zhì)，比較長(zhǎng)期記憶和短期記憶；能夠根據(jù)心理語(yǔ)言學(xué)原理，描述人類(lèi)語(yǔ)言的發(fā)展和形成過(guò)程；能夠?qū)δX功能信號(hào)進(jìn)行分析，并根據(jù)認(rèn)知科學(xué)原理對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋。

課程目標(biāo)4：能夠分析腦機(jī)接口系統(tǒng)的基本原理和方法，并利用信號(hào)和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)BCI系統(tǒng)進(jìn)行解碼分析；能夠通過(guò)文獻(xiàn)查閱，描述并分析腦機(jī)接口系統(tǒng)項(xiàng)目中涉及的數(shù)據(jù)管理和分析方法。

（二）選擇合適教材，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容

課程組以往使用的教材以心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)專(zhuān)業(yè)編寫(xiě)的《認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)》和《認(rèn)知心理學(xué)》為主。雖然該類(lèi)教材對(duì)人腦生理結(jié)構(gòu)、腦功能障礙、認(rèn)知心理學(xué)講解得比較詳細(xì)，但無(wú)法完全匹配智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)要求，學(xué)生也存在學(xué)習(xí)吃力、內(nèi)容學(xué)不全的情況。當(dāng)前，課程組教師在授課過(guò)程中選擇高等學(xué)校智能科學(xué)與技術(shù)/人工智能專(zhuān)業(yè)系列規(guī)劃教材《腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)》（清華大學(xué)出版社）作為授課教材。該書(shū)系統(tǒng)介紹了腦與認(rèn)知科學(xué)基本概念、基本理論、腦與神經(jīng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，外界信息感知、編碼和處理，促進(jìn)學(xué)生對(duì)腦認(rèn)知中的腦功能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成、認(rèn)知現(xiàn)象、神經(jīng)機(jī)理、認(rèn)知模型的理解，使學(xué)生在腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能、信息科學(xué)等領(lǐng)域形成較為全面、系統(tǒng)的知識(shí)框架。此外，結(jié)合課程組教師的科學(xué)研究，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充腦認(rèn)知啟發(fā)的認(rèn)知計(jì)算模型、腦功能信號(hào)分析與處理、腦機(jī)接口等教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生結(jié)合認(rèn)知科學(xué)基本理論和智能信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦功能信號(hào)的分析。經(jīng)過(guò)課程組不斷探索和更新，目前“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”的主要教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

（三）課程思政育人

結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課堂教學(xué)、項(xiàng)目作業(yè)等教學(xué)組織形式，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析與解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維和法律意識(shí)，以及求真務(wù)實(shí)的專(zhuān)業(yè)精神、踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到新一代信息技術(shù)變革帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，愛(ài)黨愛(ài)國(guó)，自覺(jué)踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，堅(jiān)定理想信念，勇?lián)鷷r(shí)代使命［5］。

在授課過(guò)程中，以問(wèn)題為引導(dǎo)，融入工匠精神和踏實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生先動(dòng)腦思考，再由淺入深地理解知識(shí)，實(shí)施啟發(fā)式教學(xué)。如學(xué)習(xí)《注意與意識(shí)》章節(jié)時(shí)，先給學(xué)生介紹“雞尾酒會(huì)問(wèn)題”，引導(dǎo)學(xué)生思考：“雞尾酒會(huì)問(wèn)題”體現(xiàn)了認(rèn)知過(guò)程的哪個(gè)環(huán)節(jié)？注意的“選擇性”又暗示了什么？然后從注意的早選擇、衰減理論、晚選擇、多階段選擇和資源有限理論解釋注意的認(rèn)知機(jī)理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步比較知覺(jué)組織的局部?jī)?yōu)先和整體優(yōu)先理論，并介紹相關(guān)的注意功能障礙，如偏側(cè)空間失調(diào)、巴林特綜合征等，最后討論受注意認(rèn)知過(guò)程啟發(fā)的注意力機(jī)制在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。通過(guò)這一教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、求真務(wù)實(shí)的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

（四）豐富教學(xué)方法，提高學(xué)生參與的積極性

精練課堂教學(xué)，合理利用線上教學(xué)資源。圍繞“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程目標(biāo)，精心選擇教學(xué)內(nèi)容。充分利用課堂教學(xué)學(xué)時(shí)，精講課程核心內(nèi)容，使學(xué)生掌握腦與神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)建，認(rèn)知信息感知、編碼、處理的基本理論和基本技術(shù)。同時(shí)，利用在線視頻資源，如“打開(kāi)思想的大門(mén)”，國(guó)內(nèi)外知名高校（如中山大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校等）關(guān)于腦認(rèn)知的視頻公開(kāi)課，以及本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的腦機(jī)接口系統(tǒng)演示視頻等。通過(guò)讓學(xué)生在課后學(xué)習(xí)這些在線視頻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬知識(shí)視野。

強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，組織課堂討論。課程中設(shè)置了項(xiàng)目大作業(yè)，主要內(nèi)容是通過(guò)學(xué)生自由組隊(duì)，以小組合作的方式，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和人腦情感認(rèn)知機(jī)理，對(duì)腦電情緒數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼分析。最后通過(guò)課堂討論，每個(gè)小組在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示答辯，教師和其余學(xué)生就該小組大作業(yè)的結(jié)果及存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。通過(guò)小組大作業(yè)報(bào)告和課堂現(xiàn)場(chǎng)答辯，評(píng)價(jià)該環(huán)節(jié)中學(xué)生的成績(jī)。該實(shí)踐和課堂討論環(huán)節(jié)有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，使學(xué)生更好地理解了先修課程和本門(mén)課程的知識(shí)能夠用在哪些環(huán)節(jié)，認(rèn)識(shí)到了知識(shí)積累和創(chuàng)新的重要性。

（五）多樣化考核方式

“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程的考試需要學(xué)生理解和掌握本課程所講的概念、原理和方法，了解認(rèn)知科學(xué)中的相關(guān)知識(shí)以及在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，系統(tǒng)掌握人工大腦、認(rèn)知計(jì)算的相關(guān)理論和方法。學(xué)會(huì)用腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉領(lǐng)域知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

本課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、項(xiàng)目大作業(yè)成績(jī)和期末考試成績(jī)組成，采用百分計(jì)分制。各部分所占比例如下：平時(shí)成績(jī)占30%（其中，平時(shí)作業(yè)占24%、課堂表現(xiàn)占6%），項(xiàng)目大作業(yè)成績(jī)占10%（其中，大作業(yè)報(bào)告占7%、課堂答辯占3%），期末考試成績(jī)占60%。在項(xiàng)目大作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)答辯和討論中，為提高學(xué)生的參與積極性，課堂答辯分?jǐn)?shù)的50%由教師打分，剩余的50%取自其他小組學(xué)生互評(píng)成績(jī)的平均分。

結(jié)語(yǔ)

認(rèn)知科學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、人工智能領(lǐng)域的重要研究方向。課程組根據(jù)“金課”建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，更加注重以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向，適應(yīng)新工科建設(shè)背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的要求。從評(píng)教數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生對(duì)授課教師的教學(xué)態(tài)度、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面均有很高的認(rèn)可度。同時(shí)，學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力均得到了提高。多名學(xué)生根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，依托實(shí)驗(yàn)室，申請(qǐng)并立項(xiàng)了國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目。部分學(xué)生也在項(xiàng)目大作業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題。

參考文獻(xiàn)

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［2］陳義明，劉桂波，張林峰，等.智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程體系建設(shè)的理論思考［J］.計(jì)算機(jī)教育，2020，309（9）：99-103.

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Research and Practice of “Foundation of Cognitive Science” offline “Gold Class” Construction

LIU Ke， WANG Ye， YU Hong

（College of Computer Science and Technology， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： Cognitive science is the biological basis of intelligence science and technology， and a discipline that studies human perception and cognitive information processing. According to the basic requirements of “gold class” construction under the background of new engineering， and in combination with the characteristics and status of “cognitive science foundation” course in intelligence science and technology specialty， we carried out? the offline “gold class” construction of “Foundation of Cognitive Science”. In view of the problems of single teaching means， the gap between teaching content and multidisciplinary integration， and the single assessment method， this paper puts forward effective methods to build “Foundation of Cognitive Science” offline “gold class” from the aspects of clear teaching objectives， updating teaching content， curriculum ideology and politics， enriching teaching methods， and diversifying assessment methods. These methods effectively improve the teaching effect of “Foundation of Cognitive Science” .

Key words： intelligent science and technology specialty; Foundation of Cognitive Science; offline “Gold class” construction