脑与认知科学基础课程中学生创新能力培养方式探索

1、    脑与认知科学基础课程中学生创新能力培养方式探索    代煜许林摘 要：针对脑与认知科学基础课程学习难度较大，学生在学习中容易出现学习目的不明确和学习方法不清楚的教学实际，提出在基本课堂教学之外设计科技文献阅读与分析概述、融合教师最新科研成果的演示实验和类脑认知计算模型的设计实现3个环节，由易到难、层层深入，逐步培养学生的创新思维、创新能力和创新精神。关键词：脑科学；认知科学；教学方法；创新人才培养1 课程介绍脑与认知科学基础是研究人类感知和神经信息处理过程的科学，是现代心理学、计算机科学、神经科学、物理学、语言学、人类学、哲学等学科交叉发展的结果

2、，课程内容主要是介绍认知科学方面的原理和基本知识，如人工智能所面临的问题，认知科学的研究方向，认知科学中的各种理论体系，认知心理学简介，脑科学与心智模型，感知、认识的辩证过程等内容。脑与认知科学基础课程的先导课程仅有高等数学、大学物理、电路基础、高级语言程序设计等，对于智能科学与技术专业二年级的学生来说，课程学习难度较大，学生在学习中容易陷入学习目的不明确和学习方法不清楚的困境1-2。如何引导学生从抽象的概念中理解具体知识，并能自主创新地学习，是脑与认知科学基础课程教学团队面临的一项重要任务。2 创新能力培养方法根据脑与认知科学领域的最新研究进展，为引导学生走出学习困境，可在基本课堂教学之外设

3、计科技文献阅读与分析概述、融合教师最新科研成果的演示实验和类脑认知计算模型的设计实现3个环节，以实现对学生创新能力的培养。2.1 科技文献阅读与分析概述智能科学与技术专业的学生除了需要具备扎实的专业基础理论之外，还要有知识更新和跟踪新技术的创新能力。科技文献阅读与分析概述是学生了解学科前沿、开拓学习思路、培养和提高创新能力的重要途径之一。学生要完成该项任务，首先必须具有良好的中英文科技论文阅读能力；其次，学生要认识到对科技文献所做的分析概述不是材料的罗列和拼凑，而是在充分理解科技文献的基础上，对其加以归纳、总结并做出恰当地评论；最后，对于不理解的概念，学生要进行再次检索，通过多种渠道获取对相关

4、知识的认识和理解，丰富的学习资源，提高学习的主动性和创造性。2.2 融合教师最新科研成果的演示实验在脑与认知科学基础课程教学中，教师如果能够随时随地把本学科领域最前沿的研究成果通过演示实验的形式传达给学生，会令学生觉得耳目一新，视野开阔。具有丰富科研经历的教师均有较强的创新意识和批判性思维，授课内容不拘泥于教材，有利于提高学生的学习兴趣和培养学生的创新能力。在演示过程中，教师可能会发现需要进一步研究的科学和工程问题，并通过进一步的研究探讨对研究成果进行改进和完善。2.3 类脑认知计算模型的设计实现随着脑与认知科学的发展，从不同尺度观测脑神经元的活动已经被世界各国的研究者广泛应用。受脑工作机制的

5、启发，发展类脑智能成为近年来人工智能领域研究的热点3。目前的类脑智能是以计算建模为手段，并通过软硬件协同实现的机器智能，与脑与认知科学基础课程基本教学内容的联系非常紧密。脑与认知科学基础课程教学团队可以引导学生关注类脑智能研究的历史、现状与研究热点，在学期末安排相关的课程设计，让学生利用假期时间充分理解多学科交叉融合的创新研究视角。3 本校实际情况南开大学脑与认知科学基础课程教学团队依托天津市智能机器人技术重点实验室，在人才创新能力培养方面开展了许多有益尝试4-5。课程教材采用武秀波版认知科学概论，该书对基本概念和基本原理介绍较为清楚，但是单纯的课堂讲授缺乏能够培养工科学生创新能力的环节，不能

6、调动学生的学习积极性，课后也很难考查学习效果。我们从科技文献阅读与分析概述、融合教师最新科研成果的演示实验和类脑认知计算模型的设计实现3个方面举例说明创新人才的培养过程。在科技文献阅读与分析概述方面，脑与认知科学基础课程中认知心理学的相关内容核心是输入和输出之间的心理过程，但是目前没有技术手段可以直接观察这个心理过程，只能对输入和输出现象加以分析和推测。这些心理学理论对于智能科学与技术专业二年级学生来说还非常抽象，单纯依靠课堂讲授，学生无法深入理解。南开大学脑与认知科学基础课程教学团队推荐了几篇相关英文論文，由学生自行阅读并撰写综述论文，能使学生进一步理解认知心理学的研究对象、研究方法和研究特

7、点。在融合教师最新科研成果的演示实验方面，南开大学脑与认知科学基础课程教学团队引入了利用脑电波信号拨打电话的最新科研成果，将其作为演示实验。该项成果通过头戴式脑电波传感器捕捉佩戴者大脑的脑电信号，通过手机应用程序，选中相关脑电波信号并对其进行翻译，实验中由佩戴者翻动手机电话簿，看到某个电话号码时如果佩戴者微笑，手机就能自动拨打对应号码。实验中，学生对这项成果普遍很感兴趣，讨论了未来可能的应用领域，有的学生还用批判的眼光对待这项成果，提出佩戴者如果分心会不会造成误拨等问题。在类脑认知计算模型的设计实现方面，南开大学脑与认知科学基础课程教学团队布置学生阅读发表在心理科学进展2010年第9期上的研究

8、论文微表情研究及其应用，针对视觉（图像和视频）感知数据的分析与理解，借鉴脑神经机制和认知机理的研究结果，鼓励学生自由组队，实现对微表情的识别。要求学生提交的成果包括源程序、可执行文件、程序设计说明文档以及所用的图像和视频素材。为了完成课程设计，学生除了要对已经学过的课程如高级语言程序设计等进行复习，还要阅读大量的文献资料。该课程设计能够充分发挥学生的学习主动性及项目研究的创造性，改变学生被动接受教学内容的旧模式。从多年教学的效果看，在完成科技文献阅读与分析概述、融合教师最新科研成果的演示实验和类脑认知计算模型的设计实现3个教学环节之后，绝大多数学生的创新能力有所提升；课程结束后有些学生积极参加

9、各类科技创新项目，还有部分学生加入教师的科研团队与研究生师兄师姐们并肩奋战开展相关研究。4 结 语脑与认知科学基础课程在智能科学与技术专业教学体系中占有重要地位，也是一门学生难以理解和掌握的课程，其教学方法值得进一步深入探索。我们将创新人才的培养融入整个教学过程，设计了科技文献阅读与分析概述、融合教师最新科研成果的演示实验和类脑认知计算模型的设计实现3个环节，由易到难、层层深入，逐步培养学生的创新思维、创新能力和创新精神。在今后的工作中，我们将继续探索专业建设过程中的经验，形成特色鲜明的创新人才培养模式。参考文献：1 谭咏梅， 王小捷， 钟义信. “脑与认知科学基础”教学研究j. 计算机教育， 2009 （11）： 81-85.2 王志良， 李明， 谷学静. “脑与认知科学概论”教材编写体会j. 计算机教育， 2011（15）： 108-111.3 曾毅， 刘成林， 谭铁牛. 类脑智能研究的回顾与展望j. 计算机学报， 2