腦與認知科學課程的混合式教學探索與實踐

趙秀潔，冷 珊，葛長赟

（1.大連東軟信息學院 智能科學與技術系，遼寧 大連 116023；2.大連市金州高級中學，遼寧 大連 116100）

0 引 言

腦與認知科學課程是大連東軟信息學院智能科學與技術專業(yè)的限選課，開設在大三上學期。在知識結構中處于承上啟下的重要位置。腦科學是研究人腦的結構與功能的綜合學科，認知科學是探索人類的智力如何由物質產(chǎn)生和人腦信息處理的過程。

腦與認知科學是通過認識大腦從而認識人類自身智能的學科，綜合性、交叉性強。從內涵講，腦與認知科學是一門對人腦結構、認知機理、人工大腦進行研究的學科，從應用講，屬于人工智能、機器學習的范疇。理論上它涉及生物學、心理學的知識較多，同時用到計算機技術等知識。典型應用有人工大腦、智能人機交互等，可用于生物、心理學、醫(yī)學等眾多領域。課程是具有挑戰(zhàn)性的學科前沿，是培養(yǎng)學生自主學習能力、跨領域學習能力、創(chuàng)造性思維的重要環(huán)節(jié)。

1 課程規(guī)劃設置

1.1 教學目標

通過課程的學習，學生了解神經(jīng)活動的基本過程，以及感覺信息加工、學習與記憶的機理、語言文字的理解等功能是如何通過人腦的工作而實現(xiàn)。熟悉人腦與認知之間的關系，了解人類的智力產(chǎn)生過程和人腦信息處理過程，包括人工智能、認知計算和機器智能的發(fā)展與沿革，具備為后續(xù)課程以及將來的工作提供必要的算法設計與分析能力。使用CDIO 培養(yǎng)模式與方法[1]把教學目標分為學習目標分類、培養(yǎng)能力、預期效果、混合式教學探索等方面，其對應詳細指標見表1。

表1 教學目標列表

1.2 教學內容

課程主要教學內容包括腦科學、認知科學兩大部分。腦科學部分包括腦科學基礎知識——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說，左腦與右腦；腦科學知識的應用——腦與學習，即經(jīng)典條件反射，操作性條件反射，腦與意識及睡眠的階段；人工大腦的概述及數(shù)學模型，即神經(jīng)元模型、記憶模型、思維模型、學習模型、情緒模型、感知模型等。認知科學部分包括認知科學基礎知識——感覺、知覺、記憶，即瞬時記憶、短時記憶、長時記憶；認知心理學、認知神經(jīng)科學；認知計算——聽覺信息認知計算、視覺信息認知計算等[2]。同時了解腦與認知科學的發(fā)展前沿及新應用，如面部識別、語音識別、無人駕駛、智能機器人等。

課程的教材選擇王志良主編的《腦與認知科學概論》一書。本課程共32 學時，考慮到學時的限制，課程未設計實驗環(huán)節(jié)，32 學時全部為理論講授學時。

1.3 考核方式

課程總成績由平時的形成性考核（20%）和期末的終結性考核（80%）組成。其中形成性考核分為2 次理論作業(yè)（每次滿分5 分）、2 次課堂測試（每次5 分），共20 分；終結性考核采用答辯的方式，成績?yōu)榘俜种疲ㄕ伎偡值?0%），包括專題匯報（40 分）、項目報告（30 分）、口試題目（30 分，從40 道題庫中抽取3 道，每道題10 分）。在課堂測試、專題匯報、項目報告中采用混合式教學手段。

2 課程混合式教學的探索與實踐

2.1 混合式教學

混合式教學來源于 B-learning，即Blended Learning 或Blending Learning，即把傳統(tǒng)的面對面教師指導與多種網(wǎng)絡化技術和教學方法相結合的學習方式[3]，學生一部分時間在學校接受正規(guī)教育的課程，一部分時間在線學習，可以自主控制學習時間、地點、路徑或進度[4]。

腦與認知科學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，而大連東軟信息學院是一個由東軟控股、億達集團合資舉辦的民營普通高等學校，學校本著教育創(chuàng)造學生價值的理念，培養(yǎng)創(chuàng)新型應用人才[5]。本課程結合腦與認知科學領域的發(fā)展及時更新相關理論與技術，結合腦科學、認知科學、心理學、人工智能等多學科的新知識、新應用，使學生理解腦與認知科學對智能科學的指導意義，為了達到這一目的，有效地融合多種不同的教學手段，給與學生更自由、更便捷的學習方法，顯得尤為重要，因此在課程中采用混合式教學，并探索其效果。

2.2 課堂教學中的混合式教學實踐

目前對于“智能”這個概念，眾說紛紜，較為主流的說法是分為3 個層次：自然智能（BI）、計算智能（CI）、人工智能（AI），我們期望讓人工智能像自然智能一樣完善，以實現(xiàn)服務社會、推進科技發(fā)展的目的，因此研究自然智能就顯得尤為重要，而腦與認知課程就是自然智能中的重要環(huán)節(jié)。因此對于智能科學與技術專業(yè)的學生而言，腦與認知課程的學習對后續(xù)的課程具有指導意義。由于該課程的理論性強、交叉性強的特點，課堂教學不能拘泥于傳統(tǒng)的手段。

因此在課程學習過程中，注重精講多練，以用促學，學以致用，使學生理解腦與認知科學的本質，掌握利用腦與認知科學指導人工智能應用的基本原理和方法。

針對腦與認知科學中的各種概念，課程以例子的形式引入，弱化復雜的生理學、心理學知識，注重腦科學、認知科學基本概念的講解，并輔以視頻、圖像、問卷等多種手段，學生通過視頻等信息加深對概念的理解。同時通過作業(yè)及課堂提問等手段，幫助學生理解腦與認知科學的基本理論知識。

具體注重如下環(huán)節(jié)：

（1）課前預習：理論課前，學生課前根據(jù)教材和教師提供的資源完成預習，并回答教師布置的預習問題。

（2）課中互動：認真聽講，做好筆記，積極互動。注重互動環(huán)節(jié)，積極回答教師設置在各個環(huán)節(jié)的提問，從而跟上課堂的節(jié)奏。針對提問方式，采用傳統(tǒng)提問與雨課堂相結合方式，有效地提高學生回答問題的積極性與參與度，同時通過雨課堂進行實時互動和課后單獨輔導，取得了良好的效果。雨課堂設計如圖1 所示。

針對腦科學基礎知識，由于教學環(huán)境的限制，無法對人腦進行實物觀摩及實驗，因此教師提供BBC 的Meet Your Brain——認識你的大腦講座視頻，使學生更加直觀地了解人腦的構造、功能。針對左右腦的區(qū)別，教師采用體驗式教學，讓學生通過問卷測試，檢查自己是左腦型還是右腦型。針對人工大腦的部分，采取課堂講授和案例相結合的方式，和學生共同探討如何將人類大腦的思維方法應用到人工大腦中去。通過MP 神經(jīng)元模型、感知器模型的學習與討論，加強學生對人工大腦數(shù)學模型的理解，同時更加深刻地理解腦科學對智能科學的指導意義。

圖1 雨課堂練習示例

（3）課后復習：課后完成教師安排的作業(yè)，并自主在網(wǎng)上搜尋相關資料。作業(yè)的類型包括但不限于紙質作業(yè)。

比如針對人腦的睡眠階段，教師留下課后作業(yè)，讓學生進行實際觀察，直觀地理解快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠。針對人腦的學習階段，教師留下課后作業(yè)，讓學生自主搜索生物學相關知識，加深對“學習”過程的理解，同時針對“學習”過程的每一個環(huán)節(jié)查缺補漏，彌補自身學習的不足之處，采用更好“學習”方法，提高學習效率，最終應用到整個學習過程。

（4）重視報告：在課程報告中，實現(xiàn)對腦與認知科學知識的綜合運用。學生根據(jù)教師指定的大的知識范圍，在網(wǎng)上查詢相關資料，進行專題報告撰寫。

（5）合作學習+自主學習：某些知識點和模塊，需要學生課下調研、總結所學，并完成課上講解和分享。具有合作學習的意識，以項目小組同時作為學習小組，互相取長補短，共同完成項目的同時，也把課程難點消化理解后分享給同組學生。

（6）培養(yǎng)科研意識：有興趣并有精力的學生可向教師提出申請，參與教師的腦與認知科學相關的科研項目或大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，撰成相關科研論文等。

2.3 課程考核項目協(xié)同完成

課程終結性考核的項目由教師指定范圍，學生自主選擇，題目包括但不限于：左腦與右腦、男腦與女腦、腦的工作原理、腦的開發(fā)、意識、睡眠、腦損傷、利他行為、神經(jīng)經(jīng)濟學、大腦的保養(yǎng)、人工大腦、人腦的神經(jīng)元模型、人腦的學習模型、人腦的思維模型、人腦的情感模型、腦機接口技術、虛擬大腦、感覺、知覺、注意、記憶、知識的表征、認知模型、聽覺、視覺信息處理、計算機視覺、自然語言理解、語音識別、語音合成、機器學習、仿人機器人、無人駕駛汽車、認知計算機、無人機等內容的介紹。

學生以小組的形式進行PPT 匯報，組員自主選定，兩人組成一個小組，旨在鍛煉學生團隊合作能力，同時也保證學生的有效參與度。學生針對選定的課題，通過項目答辯，提高了自主學習能力、資料匯總能力、專業(yè)相關的文檔編寫能力、有效的溝通表達能力以及創(chuàng)新思維能力。

3 課程教學效果

學生通過腦與認知科學課程的學習，表現(xiàn)出了對腦科學、認知科學、心理學、人工智能等相關內容的濃厚興趣。課堂討論熱烈積極，課后搜集資料豐富全面，在項目答辯過程中，搜集了各種新技術、新方法，提出了各種創(chuàng)新應用，為教師下一輪混合式教學提供了豐富多樣的素材資料，達到了教學相長的目的。

同時部分學生應用課程學習的相關知識，使用腦電波采集傳感器，自行搭建相關軟硬件平臺，編寫相關代碼，完成畢業(yè)設計。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謊儀等項目。具體見圖2、圖3。

圖2 腦電波采集硬件

4 結 語

圖3 基于心電波及腦電波的測謊儀

腦與認知科學課程是智能科學與技術專業(yè)重要的指導性課程，涉及的知識內容非常龐雜，同時相應的實驗設備較為大型，而學校2012 年進行智能科學與技術專業(yè)的招生，尚屬新成立的專業(yè)，實驗設備有限，因此對于有些知識內容來說，理解起來會比較困難，所以在教學過程實踐混合式教學方法，學生接受效果良好。未來將繼續(xù)探索混合式教學的實踐，持續(xù)豐富相應教學資源，增加實驗設備支持，更好地支撐智能科學與技術相關課程的學習。