趙秀潔，冷 珊，葛長(zhǎng)赟

（1.大連東軟信息學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系，遼寧 大連 116023；2.大連市金州高級(jí)中學(xué)，遼寧 大連 116100）

0 引 言

腦與認(rèn)知科學(xué)課程是大連東軟信息學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的限選課，開(kāi)設(shè)在大三上學(xué)期。在知識(shí)結(jié)構(gòu)中處于承上啟下的重要位置。腦科學(xué)是研究人腦的結(jié)構(gòu)與功能的綜合學(xué)科，認(rèn)知科學(xué)是探索人類(lèi)的智力如何由物質(zhì)產(chǎn)生和人腦信息處理的過(guò)程。

腦與認(rèn)知科學(xué)是通過(guò)認(rèn)識(shí)大腦從而認(rèn)識(shí)人類(lèi)自身智能的學(xué)科，綜合性、交叉性強(qiáng)。從內(nèi)涵講，腦與認(rèn)知科學(xué)是一門(mén)對(duì)人腦結(jié)構(gòu)、認(rèn)知機(jī)理、人工大腦進(jìn)行研究的學(xué)科，從應(yīng)用講，屬于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇。理論上它涉及生物學(xué)、心理學(xué)的知識(shí)較多，同時(shí)用到計(jì)算機(jī)技術(shù)等知識(shí)。典型應(yīng)用有人工大腦、智能人機(jī)交互等，可用于生物、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。課程是具有挑戰(zhàn)性的學(xué)科前沿，是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、跨領(lǐng)域?qū)W習(xí)能力、創(chuàng)造性思維的重要環(huán)節(jié)。

1 課程規(guī)劃設(shè)置

1.1 教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解神經(jīng)活動(dòng)的基本過(guò)程，以及感覺(jué)信息加工、學(xué)習(xí)與記憶的機(jī)理、語(yǔ)言文字的理解等功能是如何通過(guò)人腦的工作而實(shí)現(xiàn)。熟悉人腦與認(rèn)知之間的關(guān)系，了解人類(lèi)的智力產(chǎn)生過(guò)程和人腦信息處理過(guò)程，包括人工智能、認(rèn)知計(jì)算和機(jī)器智能的發(fā)展與沿革，具備為后續(xù)課程以及將來(lái)的工作提供必要的算法設(shè)計(jì)與分析能力。使用CDIO 培養(yǎng)模式與方法[1]把教學(xué)目標(biāo)分為學(xué)習(xí)目標(biāo)分類(lèi)、培養(yǎng)能力、預(yù)期效果、混合式教學(xué)探索等方面，其對(duì)應(yīng)詳細(xì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 教學(xué)目標(biāo)列表

1.2 教學(xué)內(nèi)容

課程主要教學(xué)內(nèi)容包括腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)兩大部分。腦科學(xué)部分包括腦科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——腦的基本組成，即頂葉、顳葉、額葉、枕葉，腦的工作原理及人腦三位一體學(xué)說(shuō)，左腦與右腦；腦科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用——腦與學(xué)習(xí)，即經(jīng)典條件反射，操作性條件反射，腦與意識(shí)及睡眠的階段；人工大腦的概述及數(shù)學(xué)模型，即神經(jīng)元模型、記憶模型、思維模型、學(xué)習(xí)模型、情緒模型、感知模型等。認(rèn)知科學(xué)部分包括認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——感覺(jué)、知覺(jué)、記憶，即瞬時(shí)記憶、短時(shí)記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶；認(rèn)知心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)；認(rèn)知計(jì)算——聽(tīng)覺(jué)信息認(rèn)知計(jì)算、視覺(jué)信息認(rèn)知計(jì)算等[2]。同時(shí)了解腦與認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展前沿及新應(yīng)用，如面部識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、無(wú)人駕駛、智能機(jī)器人等。

課程的教材選擇王志良主編的《腦與認(rèn)知科學(xué)概論》一書(shū)。本課程共32 學(xué)時(shí)，考慮到學(xué)時(shí)的限制，課程未設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，32 學(xué)時(shí)全部為理論講授學(xué)時(shí)。

1.3 考核方式

課程總成績(jī)由平時(shí)的形成性考核（20%）和期末的終結(jié)性考核（80%）組成。其中形成性考核分為2 次理論作業(yè)（每次滿(mǎn)分5 分）、2 次課堂測(cè)試（每次5 分），共20 分；終結(jié)性考核采用答辯的方式，成績(jī)?yōu)榘俜种疲ㄕ伎偡值?0%），包括專(zhuān)題匯報(bào)（40 分）、項(xiàng)目報(bào)告（30 分）、口試題目（30 分，從40 道題庫(kù)中抽取3 道，每道題10 分）。在課堂測(cè)試、專(zhuān)題匯報(bào)、項(xiàng)目報(bào)告中采用混合式教學(xué)手段。

2 課程混合式教學(xué)的探索與實(shí)踐

2.1 混合式教學(xué)

混合式教學(xué)來(lái)源于 B-learning，即Blended Learning 或Blending Learning，即把傳統(tǒng)的面對(duì)面教師指導(dǎo)與多種網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和教學(xué)方法相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式[3]，學(xué)生一部分時(shí)間在學(xué)校接受正規(guī)教育的課程，一部分時(shí)間在線學(xué)習(xí)，可以自主控制學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)、路徑或進(jìn)度[4]。

腦與認(rèn)知科學(xué)課程本身就屬于前沿課程，目前，大多數(shù)傳統(tǒng)高校更為注重理論講解，而大連東軟信息學(xué)院是一個(gè)由東軟控股、億達(dá)集團(tuán)合資舉辦的民營(yíng)普通高等學(xué)校，學(xué)校本著教育創(chuàng)造學(xué)生價(jià)值的理念，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才[5]。本課程結(jié)合腦與認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及時(shí)更新相關(guān)理論與技術(shù)，結(jié)合腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、人工智能等多學(xué)科的新知識(shí)、新應(yīng)用，使學(xué)生理解腦與認(rèn)知科學(xué)對(duì)智能科學(xué)的指導(dǎo)意義，為了達(dá)到這一目的，有效地融合多種不同的教學(xué)手段，給與學(xué)生更自由、更便捷的學(xué)習(xí)方法，顯得尤為重要，因此在課程中采用混合式教學(xué)，并探索其效果。

2.2 課堂教學(xué)中的混合式教學(xué)實(shí)踐

目前對(duì)于“智能”這個(gè)概念，眾說(shuō)紛紜，較為主流的說(shuō)法是分為3 個(gè)層次：自然智能（BI）、計(jì)算智能（CI）、人工智能（AI），我們期望讓人工智能像自然智能一樣完善，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)社會(huì)、推進(jìn)科技發(fā)展的目的，因此研究自然智能就顯得尤為重要，而腦與認(rèn)知課程就是自然智能中的重要環(huán)節(jié)。因此對(duì)于智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，腦與認(rèn)知課程的學(xué)習(xí)對(duì)后續(xù)的課程具有指導(dǎo)意義。由于該課程的理論性強(qiáng)、交叉性強(qiáng)的特點(diǎn)，課堂教學(xué)不能拘泥于傳統(tǒng)的手段。

因此在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，注重精講多練，以用促學(xué)，學(xué)以致用，使學(xué)生理解腦與認(rèn)知科學(xué)的本質(zhì)，掌握利用腦與認(rèn)知科學(xué)指導(dǎo)人工智能應(yīng)用的基本原理和方法。

針對(duì)腦與認(rèn)知科學(xué)中的各種概念，課程以例子的形式引入，弱化復(fù)雜的生理學(xué)、心理學(xué)知識(shí)，注重腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)基本概念的講解，并輔以視頻、圖像、問(wèn)卷等多種手段，學(xué)生通過(guò)視頻等信息加深對(duì)概念的理解。同時(shí)通過(guò)作業(yè)及課堂提問(wèn)等手段，幫助學(xué)生理解腦與認(rèn)知科學(xué)的基本理論知識(shí)。

具體注重如下環(huán)節(jié)：

（1）課前預(yù)習(xí)：理論課前，學(xué)生課前根據(jù)教材和教師提供的資源完成預(yù)習(xí)，并回答教師布置的預(yù)習(xí)問(wèn)題。

（2）課中互動(dòng)：認(rèn)真聽(tīng)講，做好筆記，積極互動(dòng)。注重互動(dòng)環(huán)節(jié)，積極回答教師設(shè)置在各個(gè)環(huán)節(jié)的提問(wèn)，從而跟上課堂的節(jié)奏。針對(duì)提問(wèn)方式，采用傳統(tǒng)提問(wèn)與雨課堂相結(jié)合方式，有效地提高學(xué)生回答問(wèn)題的積極性與參與度，同時(shí)通過(guò)雨課堂進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)和課后單獨(dú)輔導(dǎo)，取得了良好的效果。雨課堂設(shè)計(jì)如圖1 所示。

針對(duì)腦科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，由于教學(xué)環(huán)境的限制，無(wú)法對(duì)人腦進(jìn)行實(shí)物觀摩及實(shí)驗(yàn)，因此教師提供BBC 的Meet Your Brain——認(rèn)識(shí)你的大腦講座視頻，使學(xué)生更加直觀地了解人腦的構(gòu)造、功能。針對(duì)左右腦的區(qū)別，教師采用體驗(yàn)式教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)問(wèn)卷測(cè)試，檢查自己是左腦型還是右腦型。針對(duì)人工大腦的部分，采取課堂講授和案例相結(jié)合的方式，和學(xué)生共同探討如何將人類(lèi)大腦的思維方法應(yīng)用到人工大腦中去。通過(guò)MP 神經(jīng)元模型、感知器模型的學(xué)習(xí)與討論，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)人工大腦數(shù)學(xué)模型的理解，同時(shí)更加深刻地理解腦科學(xué)對(duì)智能科學(xué)的指導(dǎo)意義。

圖1 雨課堂練習(xí)示例

（3）課后復(fù)習(xí)：課后完成教師安排的作業(yè)，并自主在網(wǎng)上搜尋相關(guān)資料。作業(yè)的類(lèi)型包括但不限于紙質(zhì)作業(yè)。

比如針對(duì)人腦的睡眠階段，教師留下課后作業(yè)，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際觀察，直觀地理解快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠。針對(duì)人腦的學(xué)習(xí)階段，教師留下課后作業(yè)，讓學(xué)生自主搜索生物學(xué)相關(guān)知識(shí)，加深對(duì)“學(xué)習(xí)”過(guò)程的理解，同時(shí)針對(duì)“學(xué)習(xí)”過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)查缺補(bǔ)漏，彌補(bǔ)自身學(xué)習(xí)的不足之處，采用更好“學(xué)習(xí)”方法，提高學(xué)習(xí)效率，最終應(yīng)用到整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。

（4）重視報(bào)告：在課程報(bào)告中，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦與認(rèn)知科學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用。學(xué)生根據(jù)教師指定的大的知識(shí)范圍，在網(wǎng)上查詢(xún)相關(guān)資料，進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)告撰寫(xiě)。

（5）合作學(xué)習(xí)+自主學(xué)習(xí)：某些知識(shí)點(diǎn)和模塊，需要學(xué)生課下調(diào)研、總結(jié)所學(xué)，并完成課上講解和分享。具有合作學(xué)習(xí)的意識(shí)，以項(xiàng)目小組同時(shí)作為學(xué)習(xí)小組，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同完成項(xiàng)目的同時(shí)，也把課程難點(diǎn)消化理解后分享給同組學(xué)生。

（6）培養(yǎng)科研意識(shí)：有興趣并有精力的學(xué)生可向教師提出申請(qǐng)，參與教師的腦與認(rèn)知科學(xué)相關(guān)的科研項(xiàng)目或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，撰成相關(guān)科研論文等。

2.3 課程考核項(xiàng)目協(xié)同完成

課程終結(jié)性考核的項(xiàng)目由教師指定范圍，學(xué)生自主選擇，題目包括但不限于：左腦與右腦、男腦與女腦、腦的工作原理、腦的開(kāi)發(fā)、意識(shí)、睡眠、腦損傷、利他行為、神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)、大腦的保養(yǎng)、人工大腦、人腦的神經(jīng)元模型、人腦的學(xué)習(xí)模型、人腦的思維模型、人腦的情感模型、腦機(jī)接口技術(shù)、虛擬大腦、感覺(jué)、知覺(jué)、注意、記憶、知識(shí)的表征、認(rèn)知模型、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)信息處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言理解、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、機(jī)器學(xué)習(xí)、仿人機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車(chē)、認(rèn)知計(jì)算機(jī)、無(wú)人機(jī)等內(nèi)容的介紹。

學(xué)生以小組的形式進(jìn)行PPT 匯報(bào)，組員自主選定，兩人組成一個(gè)小組，旨在鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，同時(shí)也保證學(xué)生的有效參與度。學(xué)生針對(duì)選定的課題，通過(guò)項(xiàng)目答辯，提高了自主學(xué)習(xí)能力、資料匯總能力、專(zhuān)業(yè)相關(guān)的文檔編寫(xiě)能力、有效的溝通表達(dá)能力以及創(chuàng)新思維能力。

3 課程教學(xué)效果

學(xué)生通過(guò)腦與認(rèn)知科學(xué)課程的學(xué)習(xí)，表現(xiàn)出了對(duì)腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、人工智能等相關(guān)內(nèi)容的濃厚興趣。課堂討論熱烈積極，課后搜集資料豐富全面，在項(xiàng)目答辯過(guò)程中，搜集了各種新技術(shù)、新方法，提出了各種創(chuàng)新應(yīng)用，為教師下一輪混合式教學(xué)提供了豐富多樣的素材資料，達(dá)到了教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

同時(shí)部分學(xué)生應(yīng)用課程學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，使用腦電波采集傳感器，自行搭建相關(guān)軟硬件平臺(tái)，編寫(xiě)相關(guān)代碼，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。目前完成了包括腦電波控制智慧家居、基于心電波及腦電波的測(cè)謊儀等項(xiàng)目。具體見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 腦電波采集硬件

4 結(jié) 語(yǔ)

圖3 基于心電波及腦電波的測(cè)謊儀

腦與認(rèn)知科學(xué)課程是智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)重要的指導(dǎo)性課程，涉及的知識(shí)內(nèi)容非常龐雜，同時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為大型，而學(xué)校2012 年進(jìn)行智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的招生，尚屬新成立的專(zhuān)業(yè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，因此對(duì)于有些知識(shí)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，理解起來(lái)會(huì)比較困難，所以在教學(xué)過(guò)程實(shí)踐混合式教學(xué)方法，學(xué)生接受效果良好。未來(lái)將繼續(xù)探索混合式教學(xué)的實(shí)踐，持續(xù)豐富相應(yīng)教學(xué)資源，增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持，更好地支撐智能科學(xué)與技術(shù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。