“腦科學與認知”課程思政教學案例設計與實踐

郭苗苗，徐桂芝，趙明康，李雙燕，丁 沖

（1.河北工業大學生命科學與健康工程學院 天津 300130；2.河北工業大學電氣工程學院 天津 300130）

教育是國之大計、黨之大計，承擔著立德樹人的根本任務，立德樹人成效是否凸顯是檢驗高校一切工作是否合格的根本標準。在當今這個素質教育全面發展的新時代，高等教育不能只停留在對學生的知識教育層面，而應當注重培養學生的創新能力和實踐能力，培養學生的家國情懷，注重培養學生正確的世界觀、人生觀、價值觀。“培養什么樣的人”，是大學教育應該重點思考的問題。“擁有什么樣的技能”和“培養什么樣的人”是當代理工科教育者和踐行者應該思考的范疇。2020 年5 月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，明確指出全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措，課程思政建設是全面提高人才培養質量的重要任務。課程思政不等同于專業知識，是指教師在充分挖掘本專業知識體系中所蘊含思政元素的同時，還應當充分調動學生創新創造的積極性，將學生培養成在本專業具有一定知識儲備，并能運用專業知識和實踐方法論去解決科研和生活實際問題的新時代勞動者和創新者。

課程思政要在改進中加強，要與各類課程同向同行，在對學生傳授知識的同時進行各方面能力的培養。基于課程思政的時代背景、深刻內涵和當代價值的理論研究，本文以“腦科學與認知”課程內容為基本載體，從基礎知識、工程應用、交叉類比、人文素養、價值取向等多維度建立課程思政教學目標，包括增長知識見識、堅定理想信念、增強綜合素質、培養自主創新能力、進行工程倫理教育、厚植愛國情懷等育人目標，旨在實現價值引領、知識探究、能力建設和人格養成的新時代人才培養。

1 課程建設必要性

“腦科學與認知”是人工智能專業和生物醫學工程專業學生學習和掌握腦科學和認知科學的專業基礎課，也是學生學習深度學習、機器學習與模式識別等專業課程的重要理論基礎之一。腦科學與認知是腦科學與認知科學交叉形成的新興學科，作為新時代背景下的新工科課程，其本質是一門建立在大量實驗基礎上的實驗科學。本課程在教學內容方面著重對腦與認知科學的基本概念以及人工大腦、認知計算等相關知識的講解，使學生理解和掌握基于生物學原理的人工大腦和認知計算的機理及其系統建模與實現方法，為進一步學習智能科學、解決智能科學與技術領域復雜工程問題打下必要的基礎，最終達到提高學生綜合專業素質、提升自主學習能力和培養學生家國情懷的目的。

腦科學是研究人與動物神經系統（主要是腦）的結構和功能的科學，從分子水平、神經網絡水平乃至行為水平等方面闡明神經系統特別是腦的活動規律，從而了解人類自身智能機制。認知科學是研究人、動物和機器智能的本質和規律的科學。腦科學與認知科學作為交叉性和前沿性課程，課程內容多、跨度大、交叉廣泛。教師授課以追真、追深、追新及追用“四追”教學理念為目標，充分體現對生命的敬畏，奉獻精神、創新精神以及精益求精、追求卓越的大國工匠精神，將河北工業大學“勤以治學，慎以立身，公以對人，忠以處事”的校訓精神作為思想根基。以教學案例為載體，把思政元素有機融合在課程中，把價值引領自然貫徹于教學過程中，起到潤物無聲的教學效果。此外，本課程在傳授學生專業知識的同時，著重培養學生靈活運用所學知識和實踐創新的能力、考慮問題時的邏輯性思維和批判性思維、學會與他人合作的團隊意識等，對學生進行全方面素質的培養，最終提升學生主動利用專業知識解決問題的能力。

2 課程思政案例設計

以腦科學與認知課程模塊二的知識點為載體，圍繞教學內容，通過聯想法、引申法、改造法和升華法等編寫可植入思政元素的教學案例。

2.1 神經元與神經電信號部分的案例設計

2.1.1 神經元學說的確立

高爾基提出網狀學說：大腦是一個合胞體，中樞神經系統內的神經細胞是相互融合的；卡哈爾的神經元學說認為：每個神經細胞是獨立的單位，并有軸突和樹突之分。網狀學說和神經元學說的爭論持續到20 世紀，直到電子顯微鏡問世后，才確立了神經元學說的正確性。

支持“網狀理論”的科學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；受限于技術本身，現有的“高爾基染色法”只能對神經元個體進行簡單的觀察。卡哈爾改進了神經組織學的染色方法，他的一系列發現除了要歸功于其敏銳的觀察力和科學直覺外，更離不開執著的嘗試和耐心的試驗。通過該歷史實例，可引導學生樹立崇尚真理、追求真理的理想信念，在實驗分析中務求做到實事求是、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生機制。細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—鉀泵的存在使細胞膜兩側的鈉離子和鉀離子濃度分布不均勻，這就構成了細胞膜電位變化的離子基礎。

1939 年，英國科學家Hodgkin 和Huxley 記錄到槍烏賊巨大神經軸突內外電位差。為解決有關動作電位的產生和傳播問題，兩位科學家提出科學假說，在總結大量實驗事實后建立了Hodgkin-Huxley 數學模型。通過該歷史實例，引導學生進行科學研究，科學研究離不開科學假說，科學假說向科學理論的轉化是一個復雜的過程，科學假說要不斷精確化和深刻化，要通過理論和實驗的驗證才能成為科學理論。

Hodgkin 和Huxley 意識到離子通道應該是動態和穩態并存。于是他們借鑒了物理學中研究隨機系統的思維方式：拋棄思考每一個細節的慣性思維去思考整個系統的宏觀狀態。現代科學既高度分化，又高度綜合，而交叉學科集分化與綜合于一體，實現了科學的整體化。學科交叉點是最有可能產生重大科學突破與變革的關鍵點。將其他學科中現有理論公式或現有研究手段等借鑒到本學科的學習和研究中，并不斷通過實驗和計算來驗證此行為的可行性，也是學習此學科的重要方法之一。通過借鑒和不斷地完善，培養學生科學研究的思維，進一步提升學生學習的信心和增強攻堅克難的歷史使命感。

2.2 神經系統部分的案例設計

2.2.1 神經系統的可塑性

神經可塑性是當今生物學在中樞神經系統方向研究的熱點問題之一，是指在外部環境的影響下，神經系統的結構和功能發生動態變化來不斷適應環境的改變。神經可塑性的研究與阿爾茲海默癥、精神分裂癥等神經系統病理過程有著密切的聯系。同時，高強度的訓練或學習也會導致人大腦的較快改變，這種改變正是神經可塑性方向所要研究的重點領域。盲人由于視覺障礙會導致他們經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。教師可提醒學生遵循神經系統可塑性的規則，勤以致學，引導學生在生活中通過不斷的學習和實踐，讓自己擁有更多的知識和技能更好地適應不斷發展的社會。

2.2.2 體感皮質圖譜

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

2.3 腦科學研究技術的案例設計

2.3.1 腦科學研究常用的無創成像技術

無創成像技術主要包括：腦電圖、腦磁圖、計算機掃描斷層成像、功能近紅外成像等。通過檢測方式、臨床應用等多個角度縱橫對比，培養學生創造性思維的廣闊性，提高學生深度思考的能力。單一成像技術具有局限性，對于特定任務，可以多種成像技術結合使用，取長補短，引導學生要團結協作，將個人特長和集體智慧有機地結合起來，實現共同提高；介紹國家醫療器械的研究現狀，雖然在高端設備國產化方面還存在核心技術缺失、市場應用不足等明顯瓶頸，但國家大力推進國產儀器設備“進口替代”，以激發學生的愛國意識和自主創新意識，增強學生讓民族科技惠及百姓的信心。

2.3.2 計算機斷層掃描成像的發明史

1963 年，美國物理學家科馬克發現人體不同組織對X線的透過率不同，這為之后計算機斷層掃描成像（computed tomograph，CT）的應用奠定了理論基礎。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家合作在倫敦一家醫院安裝了此裝置，第一次對病人進行了全身的檢查實驗，實驗取得巨大成功。亨斯菲爾德和科馬克共同獲得1979 年諾貝爾生理學或醫學獎。CT 的成功研發被譽為自倫琴發現X 射線以后，放射診斷學上最重要的成就。通過CT 的發明過程，培養學生團隊協作的思維和鍥而不舍的精神。科學無國界，各國科學家共同努力研制了這一偉大的醫學儀器，科研成果造福了全人類。

3 結語

本課程以顯性專業教育和隱性思政教育雙主線開展教學，兩條主線相互補充、相得益彰，共同實現協同育人、“三全育人”。通過植入課程思政教學案例，學生對腦科學的歷史、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，學生能夠積極參與互動，追求真理。教師要激發學生深層思考，培養學生的創新意識，把價值引領自然貫穿于教學過程，引導學生崇尚科學精神，弘揚民族精神，激發學生報國奉獻的使命與擔當，進而達到思政元素與專業教育協同增效的教學效果。