腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式探索

代煜　許林

摘 要：針對(duì)腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)目的不明確和學(xué)習(xí)方法不清楚的教學(xué)實(shí)際，提出在基本課堂教學(xué)之外設(shè)計(jì)科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)和類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)環(huán)節(jié)，由易到難、層層深入，逐步培養(yǎng)學(xué)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(xué)；認(rèn)知科學(xué)；教學(xué)方法；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

1 課程介紹

腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)是研究人類感知和神經(jīng)信息處理過(guò)程的科學(xué)，是現(xiàn)代心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、物理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、人類學(xué)、哲學(xué)等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果，課程內(nèi)容主要是介紹認(rèn)知科學(xué)方面的原理和基本知識(shí)，如人工智能所面臨的問(wèn)題，認(rèn)知科學(xué)的研究方向，認(rèn)知科學(xué)中的各種理論體系，認(rèn)知心理學(xué)簡(jiǎn)介，腦科學(xué)與心智模型，感知、認(rèn)識(shí)的辯證過(guò)程等內(nèi)容。

腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程的先導(dǎo)課程僅有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路基礎(chǔ)、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等，對(duì)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)二年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，課程學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易陷入學(xué)習(xí)目的不明確和學(xué)習(xí)方法不清楚的困境[1-2]。如何引導(dǎo)學(xué)生從抽象的概念中理解具體知識(shí)，并能自主創(chuàng)新地學(xué)習(xí)，是腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

根據(jù)腦與認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，為引導(dǎo)學(xué)生走出學(xué)習(xí)困境，可在基本課堂教學(xué)之外設(shè)計(jì)科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)和類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.1 科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生除了需要具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論之外，還要有知識(shí)更新和跟蹤新技術(shù)的創(chuàng)新能力?？萍嘉墨I(xiàn)閱讀與分析概述是學(xué)生了解學(xué)科前沿、開(kāi)拓學(xué)習(xí)思路、培養(yǎng)和提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一。學(xué)生要完成該項(xiàng)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(xué)生要認(rèn)識(shí)到對(duì)科技文獻(xiàn)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其加以歸納、總結(jié)并做出恰當(dāng)?shù)卦u(píng)論；最后，對(duì)于不理解的概念，學(xué)生要進(jìn)行再次檢索，通過(guò)多種渠道獲取對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，豐富的學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2.2 融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)

在腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師如果能夠隨時(shí)隨地把本學(xué)科領(lǐng)域最前沿的研究成果通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的形式傳達(dá)給學(xué)生，會(huì)令學(xué)生覺(jué)得耳目一新，視野開(kāi)闊。具有豐富科研經(jīng)歷的教師均有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維，授課內(nèi)容不拘泥于教材，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在演示過(guò)程中，教師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步研究的科學(xué)和工程問(wèn)題，并通過(guò)進(jìn)一步的研究探討對(duì)研究成果進(jìn)行改進(jìn)和完善。

2.3 類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著腦與認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，從不同尺度觀測(cè)腦神經(jīng)元的活動(dòng)已經(jīng)被世界各國(guó)的研究者廣泛應(yīng)用。受腦工作機(jī)制的啟發(fā)，發(fā)展類腦智能成為近年來(lái)人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3]。目前的類腦智能是以計(jì)算建模為手段，并通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能，與腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程基本教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系非常緊密。腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注類腦智能研究的歷史、現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)，在學(xué)期末安排相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生利用假期時(shí)間充分理解多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新研究視角。

3 本校實(shí)際情況

南開(kāi)大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托天津市智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面開(kāi)展了許多有益嘗試[4-5]。課程教材采用武秀波版《認(rèn)知科學(xué)概論》，該書對(duì)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(xué)生創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，課后也很難考查學(xué)習(xí)效果。我們從科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)和類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面舉例說(shuō)明創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過(guò)程。

在科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述方面，腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程中認(rèn)知心理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容核心是輸入和輸出之間的心理過(guò)程，但是目前沒(méi)有技術(shù)手段可以直接觀察這個(gè)心理過(guò)程，只能對(duì)輸入和輸出現(xiàn)象加以分析和推測(cè)。這些心理學(xué)理論對(duì)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)二年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)還非常抽象，單純依靠課堂講授，學(xué)生無(wú)法深入理解。南開(kāi)大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)推薦了幾篇相關(guān)英文論文，由學(xué)生自行閱讀并撰寫綜述論文，能使學(xué)生進(jìn)一步理解認(rèn)知心理學(xué)的研究對(duì)象、研究方法和研究特點(diǎn)。

在融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)方面，南開(kāi)大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)引入了利用腦電波信號(hào)撥打電話的最新科研成果，將其作為演示實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)成果通過(guò)頭戴式腦電波傳感器捕捉佩戴者大腦的腦電信號(hào)，通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序，選中相關(guān)腦電波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行翻譯，實(shí)驗(yàn)中由佩戴者翻動(dòng)手機(jī)電話簿，看到某個(gè)電話號(hào)碼時(shí)如果佩戴者微笑，手機(jī)就能自動(dòng)撥打?qū)?yīng)號(hào)碼。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)這項(xiàng)成果普遍很感興趣，討論了未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，有的學(xué)生還用批判的眼光對(duì)待這項(xiàng)成果，提出佩戴者如果分心會(huì)不會(huì)造成誤撥等問(wèn)題。

在類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面，南開(kāi)大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)布置學(xué)生閱讀發(fā)表在《心理科學(xué)進(jìn)展》2010年第9期上的研究論文《微表情研究及其應(yīng)用》，針對(duì)視覺(jué)（圖像和視頻）感知數(shù)據(jù)的分析與理解，借鑒腦神經(jīng)機(jī)制和認(rèn)知機(jī)理的研究結(jié)果，鼓勵(lì)學(xué)生自由組隊(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微表情的識(shí)別。要求學(xué)生提交的成果包括源程序、可執(zhí)行文件、程序設(shè)計(jì)說(shuō)明文檔以及所用的圖像和視頻素材。為了完成課程設(shè)計(jì)，學(xué)生除了要對(duì)已經(jīng)學(xué)過(guò)的課程如高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等進(jìn)行復(fù)習(xí)，還要閱讀大量的文獻(xiàn)資料。該課程設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及項(xiàng)目研究的創(chuàng)造性，改變學(xué)生被動(dòng)接受教學(xué)內(nèi)容的舊模式。

從多年教學(xué)的效果看，在完成科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)和類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之后，絕大多數(shù)學(xué)生的創(chuàng)新能力有所提升；課程結(jié)束后有些學(xué)生積極參加各類科技創(chuàng)新項(xiàng)目，還有部分學(xué)生加入教師的科研團(tuán)隊(duì)與研究生師兄師姐們并肩奮戰(zhàn)開(kāi)展相關(guān)研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)體系中占有重要地位，也是一門學(xué)生難以理解和掌握的課程，其教學(xué)方法值得進(jìn)一步深入探索。我們將創(chuàng)新人才的培養(yǎng)融入整個(gè)教學(xué)過(guò)程，設(shè)計(jì)了科技文獻(xiàn)閱讀與分析概述、融合教師最新科研成果的演示實(shí)驗(yàn)和類腦認(rèn)知計(jì)算模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)環(huán)節(jié)，由易到難、層層深入，逐步培養(yǎng)學(xué)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(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，形成特色鮮明的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：宋文婷）endprint