“腦科學(xué)與認(rèn)知”課程思政教學(xué)案例設(shè)計與實(shí)踐

郭苗苗，徐桂芝，趙明康，李雙燕，丁 沖

（1.河北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康工程學(xué)院 天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 天津 300130）

教育是國之大計、黨之大計，承擔(dān)著立德樹人的根本任務(wù)，立德樹人成效是否凸顯是檢驗(yàn)高校一切工作是否合格的根本標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)今這個素質(zhì)教育全面發(fā)展的新時代，高等教育不能只停留在對學(xué)生的知識教育層面，而應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷，注重培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀、價值觀?！芭囵B(yǎng)什么樣的人”，是大學(xué)教育應(yīng)該重點(diǎn)思考的問題。“擁有什么樣的技能”和“培養(yǎng)什么樣的人”是當(dāng)代理工科教育者和踐行者應(yīng)該思考的范疇。2020 年5 月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，明確指出全面推進(jìn)課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，課程思政建設(shè)是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。課程思政不等同于專業(yè)知識，是指教師在充分挖掘本專業(yè)知識體系中所蘊(yùn)含思政元素的同時，還應(yīng)當(dāng)充分調(diào)動學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的積極性，將學(xué)生培養(yǎng)成在本專業(yè)具有一定知識儲備，并能運(yùn)用專業(yè)知識和實(shí)踐方法論去解決科研和生活實(shí)際問題的新時代勞動者和創(chuàng)新者。

課程思政要在改進(jìn)中加強(qiáng)，要與各類課程同向同行，在對學(xué)生傳授知識的同時進(jìn)行各方面能力的培養(yǎng)。基于課程思政的時代背景、深刻內(nèi)涵和當(dāng)代價值的理論研究，本文以“腦科學(xué)與認(rèn)知”課程內(nèi)容為基本載體，從基礎(chǔ)知識、工程應(yīng)用、交叉類比、人文素養(yǎng)、價值取向等多維度建立課程思政教學(xué)目標(biāo)，包括增長知識見識、堅定理想信念、增強(qiáng)綜合素質(zhì)、培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力、進(jìn)行工程倫理教育、厚植愛國情懷等育人目標(biāo)，旨在實(shí)現(xiàn)價值引領(lǐng)、知識探究、能力建設(shè)和人格養(yǎng)成的新時代人才培養(yǎng)。

1 課程建設(shè)必要性

“腦科學(xué)與認(rèn)知”是人工智能專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是學(xué)生學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識別等專業(yè)課程的重要理論基礎(chǔ)之一。腦科學(xué)與認(rèn)知是腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)交叉形成的新興學(xué)科，作為新時代背景下的新工科課程，其本質(zhì)是一門建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。本課程在教學(xué)內(nèi)容方面著重對腦與認(rèn)知科學(xué)的基本概念以及人工大腦、認(rèn)知計算等相關(guān)知識的講解，使學(xué)生理解和掌握基于生物學(xué)原理的人工大腦和認(rèn)知計算的機(jī)理及其系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)智能科學(xué)、解決智能科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題打下必要的基礎(chǔ)，最終達(dá)到提高學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)、提升自主學(xué)習(xí)能力和培養(yǎng)學(xué)生家國情懷的目的。

腦科學(xué)是研究人與動物神經(jīng)系統(tǒng)（主要是腦）的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，從分子水平、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平乃至行為水平等方面闡明神經(jīng)系統(tǒng)特別是腦的活動規(guī)律，從而了解人類自身智能機(jī)制。認(rèn)知科學(xué)是研究人、動物和機(jī)器智能的本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)。腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)作為交叉性和前沿性課程，課程內(nèi)容多、跨度大、交叉廣泛。教師授課以追真、追深、追新及追用“四追”教學(xué)理念為目標(biāo)，充分體現(xiàn)對生命的敬畏，奉獻(xiàn)精神、創(chuàng)新精神以及精益求精、追求卓越的大國工匠精神，將河北工業(yè)大學(xué)“勤以治學(xué)，慎以立身，公以對人，忠以處事”的校訓(xùn)精神作為思想根基。以教學(xué)案例為載體，把思政元素有機(jī)融合在課程中，把價值引領(lǐng)自然貫徹于教學(xué)過程中，起到潤物無聲的教學(xué)效果。此外，本課程在傳授學(xué)生專業(yè)知識的同時，著重培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識和實(shí)踐創(chuàng)新的能力、考慮問題時的邏輯性思維和批判性思維、學(xué)會與他人合作的團(tuán)隊意識等，對學(xué)生進(jìn)行全方面素質(zhì)的培養(yǎng)，最終提升學(xué)生主動利用專業(yè)知識解決問題的能力。

2 課程思政案例設(shè)計

以腦科學(xué)與認(rèn)知課程模塊二的知識點(diǎn)為載體，圍繞教學(xué)內(nèi)容，通過聯(lián)想法、引申法、改造法和升華法等編寫可植入思政元素的教學(xué)案例。

2.1 神經(jīng)元與神經(jīng)電信號部分的案例設(shè)計

2.1.1 神經(jīng)元學(xué)說的確立

高爾基提出網(wǎng)狀學(xué)說：大腦是一個合胞體，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞是相互融合的；卡哈爾的神經(jīng)元學(xué)說認(rèn)為：每個神經(jīng)細(xì)胞是獨(dú)立的單位，并有軸突和樹突之分。網(wǎng)狀學(xué)說和神經(jīng)元學(xué)說的爭論持續(xù)到20 世紀(jì)，直到電子顯微鏡問世后，才確立了神經(jīng)元學(xué)說的正確性。

支持“網(wǎng)狀理論”的科學(xué)家可能犯了兩種錯誤：由于缺乏耐心，他們沒有去嘗試或改良已有的染色方法；受限于技術(shù)本身，現(xiàn)有的“高爾基染色法”只能對神經(jīng)元個體進(jìn)行簡單的觀察?？ü柛倪M(jìn)了神經(jīng)組織學(xué)的染色方法，他的一系列發(fā)現(xiàn)除了要?dú)w功于其敏銳的觀察力和科學(xué)直覺外，更離不開執(zhí)著的嘗試和耐心的試驗(yàn)。通過該歷史實(shí)例，可引導(dǎo)學(xué)生樹立崇尚真理、追求真理的理想信念，在實(shí)驗(yàn)分析中務(wù)求做到實(shí)事求是、精益求精。

2.1.2 靜息電位與動作電位

靜息電位和動作電位的產(chǎn)生機(jī)制。細(xì)胞膜在不同條件下對不同離子的通透性是有較大差異的。鈉—鉀泵的存在使細(xì)胞膜兩側(cè)的鈉離子和鉀離子濃度分布不均勻，這就構(gòu)成了細(xì)胞膜電位變化的離子基礎(chǔ)。

1939 年，英國科學(xué)家Hodgkin 和Huxley 記錄到槍烏賊巨大神經(jīng)軸突內(nèi)外電位差。為解決有關(guān)動作電位的產(chǎn)生和傳播問題，兩位科學(xué)家提出科學(xué)假說，在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)后建立了Hodgkin-Huxley 數(shù)學(xué)模型。通過該歷史實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究，科學(xué)研究離不開科學(xué)假說，科學(xué)假說向科學(xué)理論的轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的過程，科學(xué)假說要不斷精確化和深刻化，要通過理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能成為科學(xué)理論。

Hodgkin 和Huxley 意識到離子通道應(yīng)該是動態(tài)和穩(wěn)態(tài)并存。于是他們借鑒了物理學(xué)中研究隨機(jī)系統(tǒng)的思維方式：拋棄思考每一個細(xì)節(jié)的慣性思維去思考整個系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)。現(xiàn)代科學(xué)既高度分化，又高度綜合，而交叉學(xué)科集分化與綜合于一體，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的整體化。學(xué)科交叉點(diǎn)是最有可能產(chǎn)生重大科學(xué)突破與變革的關(guān)鍵點(diǎn)。將其他學(xué)科中現(xiàn)有理論公式或現(xiàn)有研究手段等借鑒到本學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究中，并不斷通過實(shí)驗(yàn)和計算來驗(yàn)證此行為的可行性，也是學(xué)習(xí)此學(xué)科的重要方法之一。通過借鑒和不斷地完善，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的思維，進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的信心和增強(qiáng)攻堅克難的歷史使命感。

2.2 神經(jīng)系統(tǒng)部分的案例設(shè)計

2.2.1 神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性

神經(jīng)可塑性是當(dāng)今生物學(xué)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方向研究的熱點(diǎn)問題之一，是指在外部環(huán)境的影響下，神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生動態(tài)變化來不斷適應(yīng)環(huán)境的改變。神經(jīng)可塑性的研究與阿爾茲海默癥、精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)病理過程有著密切的聯(lián)系。同時，高強(qiáng)度的訓(xùn)練或?qū)W習(xí)也會導(dǎo)致人大腦的較快改變，這種改變正是神經(jīng)可塑性方向所要研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。盲人由于視覺障礙會導(dǎo)致他們經(jīng)常用聽覺來感知外部世界，所以他們的聽覺要較常人更為靈敏。通常人們對某一知識技能的鍛煉越多，對此的熟練程度就會越深。教師可提醒學(xué)生遵循神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的規(guī)則，勤以致學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在生活中通過不斷的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，讓自己擁有更多的知識和技能更好地適應(yīng)不斷發(fā)展的社會。

2.2.2 體感皮質(zhì)圖譜

1950 年，德國神經(jīng)外科醫(yī)生福斯特和加拿大神經(jīng)外科醫(yī)生彭菲爾德共同繪制出人類感覺和運(yùn)動區(qū)的腦皮質(zhì)定位圖。他們通過微電極刺激病人大腦皮質(zhì)各部位，讓病人報告不同位置被刺激時的感覺。生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，離不開那些配合臨床試驗(yàn)的病人。即使是對于實(shí)驗(yàn)的動物也要保持對生命的尊重。在傳授學(xué)生知識的同時，要引導(dǎo)學(xué)生形成敬畏生命的思想。通過介紹體感皮質(zhì)圖譜獲取的過程，使學(xué)生牢固樹立生命至上、人民至上的價值觀，要懷有關(guān)心國家、關(guān)心民族和關(guān)心人類命運(yùn)的廣闊胸懷。

2.3 腦科學(xué)研究技術(shù)的案例設(shè)計

2.3.1 腦科學(xué)研究常用的無創(chuàng)成像技術(shù)

無創(chuàng)成像技術(shù)主要包括：腦電圖、腦磁圖、計算機(jī)掃描斷層成像、功能近紅外成像等。通過檢測方式、臨床應(yīng)用等多個角度縱橫對比，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的廣闊性，提高學(xué)生深度思考的能力。單一成像技術(shù)具有局限性，對于特定任務(wù)，可以多種成像技術(shù)結(jié)合使用，取長補(bǔ)短，引導(dǎo)學(xué)生要團(tuán)結(jié)協(xié)作，將個人特長和集體智慧有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)共同提高；介紹國家醫(yī)療器械的研究現(xiàn)狀，雖然在高端設(shè)備國產(chǎn)化方面還存在核心技術(shù)缺失、市場應(yīng)用不足等明顯瓶頸，但國家大力推進(jìn)國產(chǎn)儀器設(shè)備“進(jìn)口替代”，以激發(fā)學(xué)生的愛國意識和自主創(chuàng)新意識，增強(qiáng)學(xué)生讓民族科技惠及百姓的信心。

2.3.2 計算機(jī)斷層掃描成像的發(fā)明史

1963 年，美國物理學(xué)家科馬克發(fā)現(xiàn)人體不同組織對X線的透過率不同，這為之后計算機(jī)斷層掃描成像（computed tomograph，CT）的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。1967 年，英國電子工程師亨斯菲爾德在不知道科馬克研究成果的情況下，制作了一臺能加強(qiáng)X射線放射源的簡單掃描裝置，即后來的CT。1971 年，亨斯菲德爾與另一位科學(xué)家合作在倫敦一家醫(yī)院安裝了此裝置，第一次對病人進(jìn)行了全身的檢查實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取得巨大成功。亨斯菲爾德和科馬克共同獲得1979 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。CT 的成功研發(fā)被譽(yù)為自倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線以后，放射診斷學(xué)上最重要的成就。通過CT 的發(fā)明過程，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作的思維和鍥而不舍的精神?？茖W(xué)無國界，各國科學(xué)家共同努力研制了這一偉大的醫(yī)學(xué)儀器，科研成果造福了全人類。

3 結(jié)語

本課程以顯性專業(yè)教育和隱性思政教育雙主線開展教學(xué)，兩條主線相互補(bǔ)充、相得益彰，共同實(shí)現(xiàn)協(xié)同育人、“三全育人”。通過植入課程思政教學(xué)案例，學(xué)生對腦科學(xué)的歷史、基本知識及研究意義有了更深刻的理解。在整個講解和討論的過程中，學(xué)生能夠積極參與互動，追求真理。教師要激發(fā)學(xué)生深層思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，把價值引領(lǐng)自然貫穿于教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生崇尚科學(xué)精神，弘揚(yáng)民族精神，激發(fā)學(xué)生報國奉獻(xiàn)的使命與擔(dān)當(dāng)，進(jìn)而達(dá)到思政元素與專業(yè)教育協(xié)同增效的教學(xué)效果。