“人工智能+腦科學”交叉學科教學模式探索

姚曉輝，苑碩，鮑佩華，梁洪，李妍虹，李金，何忠杰，唐墨，叢山

（1.哈爾濱工程大學 青島創新發展基地，山東青島 266500；2.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

學科交叉融合是指不同學科之間相互合作融合的協同創新活動，對于自然科學來說，學科交叉融合研究往往易于產生重大科學突破，同時也能解決單門學科無法解決的科學難題[1]。2018 年4 月，教育部發布《高等學校人工智能創新行動計劃》，推進新工科建設，重視人工智能與其他學科的交叉融合，形成“人工智能+ X”交叉學科專業的培養模式。為滿足國家對未來交叉學科科技人才的需要，培養高層次的交叉學科人才是高校目前迫切需要開展的工作之一。腦科學被稱為“人類認識自然與自身的終極挑戰”，理解大腦的結構與功能是21 世紀最具有挑戰性的前沿科學問題[2]，腦科學對各種腦功能神經基礎的解析，對有效診斷和治療腦疾病有重要的臨床意義。“人工智能+腦科學”學科的交叉融合發展可以實現兩個學科的共贏，人工智能可以充分借鑒腦科學、認知科學與心理學的先進成果，突破現有理論與方法的局限性，實現人工智能理論與方法的創新。與此同時，人工智能技術的進步為腦科學的研究提供了更加先進的研究工具。本文從國家創新驅動發展戰略背景下的“人工智能+ X”復合型人才培養需求出發，以“人工智能+腦科學”交叉領域為切入點，著眼于利用現有的學科和人才培養優勢，探索跨學科的教學模式建設路徑，為研究型大學交叉學科人才培養提供借鑒和參考。

1 “人工智能+ X”跨學科人才培養研究現狀

交叉學科的研究能夠突破不同學科內部的固有思維，形成跨學科之間的概念和思維連接，為科研創新和人才培養提供重要的支持。在國家大力推動人工智能相關領域復合型人才培養的背景下，國內許多高校都對“人工智能+ X”交叉學科深度融合和復合型人才培養模式進行了探索。表1 為國內部分開展“人工智能+ X”學科交叉融合探索的高校及其研究方向。

表1 國內部分高校“人工智能+X”探索

除了表1 中的高校外，中國科學技術大學和中科院深圳理工大學也在“人工智能+ X”的智能交叉學科方向做過一定的研究，探索了培養交叉學科頂尖人才的機制[11]。需要說明的是，表1 中的國內高校對“人工智能+ X”的交叉學科融合探索仍存在局限性。一是部分學者對本科生和研究生的“人工智能+ X”培養模式做出了探索，但并未結合具體的學科進行分析；二是大多數高校的“人工智能+ X”學科交叉融合研究并沒有突破單一學院的局限，因而容易受到院系觀念的影響，同時導師編制、資金來源以及實驗設備歸屬等因素，也會導致各部門在學生培養過程中難以協同合作；三是“人工智能+ X”的人才培養模式，大多應用于兩個同門類學科或相關學科之間的交叉融合，學科之間的重合度高，而對于“人工智能+腦科學”這種學科相差大的交叉學科研究，尚未有類似的探索。本文針對以上提出的問題，從教學模式角度進行探索，所得成果可為哈爾濱工程大學“人工智能+ X”交叉融合人才培養提供方案。

2 “人工智能+腦科學”交叉學科教學模式建設路徑

“人工智能+ X”復合型專業學科框架的設計要以學生為中心，從課程設置、教學方式以及工程實踐等方面重新規劃人工智能背景下的課程體系。建設“人工智能+腦科學”交叉學科教學模式需要在學校已開設人工智能、機器學習、數據挖掘、腦認知與神經科學等課程的基礎上，結合學科交叉融合的需求，構建“人工智能課程群+腦科學課程群+多元協同實踐課程”的課程體系[12]，為學生提供個性化、定制化、智能化的學習內容和方法，激發學生對“人工智能+ X”專業的學習興趣。在教學模式上，要改進傳統的教學方法，借助人工智能技術的進步，開展基于目標導向的體驗式教學、協作式教學以及線上線下相融合的開放式教學探索實踐。課程設置要遵循循序漸進、由淺入深的原則[13]。

首先，在傳統教學課程中設置“人工智能+”的學科前沿知識課程，由課程負責人對腦科學與人工智能的前沿內容進行歸納梳理，普及腦科學與人工智能的學科背景知識、相關研究技術，并探討未來發展方向。在介紹技術時以講好科學故事為切入點，與學生在課程中探討科學研究中“求真務實”的科學精神與科學研究的方法，實現知識傳授、能力培養與價值引領相結合，做好課程思政，解決好“為誰培養人”的問題[14]。

其次，構建與“人工智能+腦科學”相匹配的實驗實踐課程，通過虛擬仿真等設備或校企合作實踐基地，讓學生強化對腦科學與認知科學的認識，并且體驗人工智能與腦科學相結合的應用，如面部識別、語音識別、無人駕駛、智能機器人等，讓學生通過實踐學習知識。

最后，展開“人工智能+腦科學”以需求為導向的課程設計實踐，以真實的專業領域工程問題為依托，將多學科交叉與產業技術攻關研究相結合，讓學生在工程實踐過程中主動學習并建立多學科交叉的知識結構，培養學生自主學習“人工智能+腦科學”領域新方法與新技術的能力，讓學生更加適應未來的職業發展。

3 結語

在新工科的背景下，“人工智能+ X”的跨學科研究與人才培養需要轉變傳統的教學理念與方法，不斷創新課程教學的內容與方法。腦科學是高度交叉的前沿學科，本文以“人工智能+腦科學”為例，探索了以學生為中心，在學校現有學科基礎上，結合學科交叉需求，構建了“人工智能課程群+腦科學課程群+多元協同實踐課程”交叉學科教學模式建設路徑，為“人工智能+ X”的跨學科人才培養提供借鑒。