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、醫學等眾多領域。課程是具有挑戰性的學科前沿，是培養學生自主學習能力、跨領域學習能力、創造性思維的重要環節。

1 課程規劃設置

1.1 教學目標

通過課程的學習，學生了解神經活動的基本過程，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。熟悉人腦與認知之間的關系，了解人類的智力產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展與沿革，具備為后續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 培養模式與方法[1]把教學目標分為學習目標分類、培養能力、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學模型，即神經元模型、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，課程未設計實驗環節，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（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，成績為百分制（占總分的80%），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，即把傳統的面對面教師指導與多種網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，大多數傳統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，學校本著教育創造學生價值的理念，培養創新型應用人才[5]。本課程結合腦與認知科學領域的發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，以實現服務社會、推進科技發展的目的，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節。因此對于智能科學與技術專業的學生而言，腦與認知課程的學習對后續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。

具體注重如下環節：

（1）課前預習：理論課前，學生課前根據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。注重互動環節，積極回答教師設置在各個環節的提問，從而跟上課堂的節奏。針對提問方式，采用傳統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 神經元模型、感知器模型的學習與討論，加強學生對人工大腦數學模型的理解，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，并自主在網上搜尋相關資料。作業的類型包括但不限于紙質作業。

比如針對人腦的睡眠階段，教師留下課后作業，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，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”過程的每一個環節查缺補漏，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，實現對腦與認知科學知識的綜合運用。學生根據教師指定的大的知識范圍，在網上查詢相關資料，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新創業項目，撰成相關科研論文等。

2.3 課程考核項目協同完成

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、意識、睡眠、腦損傷、利他行為、神經經濟學、大腦的保養、人工大腦、人腦的神經元模型、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、專業相關的文檔編寫能力、有效的溝通表達能力以及創新思維能力。

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的招生，尚屬新成立的專業，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。未來將繼續探索混合式教學的實踐，持續豐富相應教學資源，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。