脑与认知科学主动学习教学研究

摘要：针对智能科学与技术专业脑与认知科学课程教学实际，在分析专业特色、课程特点的基础上，阐述教师课堂讲授、实验创新教学与学生主动学习实践相结合的观点。大连海事大学智能科学与技术专业2009级教学实际表明，脑与认知科学课程主动学习在教学中取得良好效果。

关键词：脑与认知科学；教学模式；教学方法；主动学习

脑与认知科学是心理学、神经科学、计算机科学技术、网络与通信技术、信息科学和人工智能中发展很快的前沿领域。它立足功能定位理论与神经元理论，试图揭开人类认知活动的脑机制之谜。目前，脑与认知科学是国内外备受关注的科学分支，在一系列认知领域的研究已取得显著进展，成为智能控制、分布式控制、机器人、人机交互系统、脑机接口、智能交通、复杂问题求解(特别是分布式求解)、决策理论及支持等方面的基本理论和方法[1-2]。

1内容与目标

脑与认知科学是高等学校智能科学与技术专业本科二年级的专业课，该课程意在加强脑与认知科学的基本知识、基本理论、基本方法及基本技能，其内容主要包括脑和认知科学导言、脑与神经及功能解剖、脑和认知科学的研究技术和手段、认知框架、视觉、听觉与言语、注意与意识、思维与问题解决、语言、目标与执行控制及行动、情绪、社会认知、认知发展等领域的最新研究进展。通过该课程的学习，让学生基本掌握自然智能和人工智能之间的密切联系，其教学目标不仅仅是知识的掌握，还注重学生能力的培养[3]。

2策略与方法

2.1尊重个性 因材施教

尊重个性是指尊重学生的个体特点和兴趣爱好，给学生更大的自由学习空间。教师需要转变角色，从原来以课堂讲授为中心的“讲解者”，转化为学生主动学习的引导者、学生活动的服务者，根据学生的特点引导学生掌握适当的学习方法和个性化的实现。同时，学生也需要转变角色，由原来单纯听讲、接受灌输的被动角色，转化为能主动参与、自由探究、自我发现的主体。这样，学生就会积极参与，充分发挥学生主体的作用，使学生不仅快乐自由地主动学会知识，还能体验自己的学习方法，实践自我发现的过程[4]。

2.2关注前沿 结合实际

近些年来脑与认知科学的研究与实践发展非常迅速，Nature、Science、Nature Review Neuroscience、Trends in Cognitive Science等具有重要影响的期刊上几乎每一期都有脑与认知科学相关的热点研究和最新进展报道[5-6]，有些内容甚至否定了早期的一些研究结果，所以，我们在脑与认知科学教学中以一本主讲教材和一本参考教材为主，以期刊论文和研究报告为辅，充分利用最新研究成果，结合我们生活学习密切相关的主题，例如，什么是前瞻记忆，前瞻记忆对我们的学习生活有什么作用；我国著名的数学家华罗庚说“学习使人聪明”，我们脑与认知科学方面是否有相应的证据？这些与自身生活学习密切相关的探索性主题，在教学中能够突出其启发性，调动学生的积极性，同时注重交流的双向性、学习实用性。

2.3结合专业 发展特色

我们的脑与认知科学课程是面向智能科学与技术专业学生开设的。根据现行专业目录，智能科学与技术专业属于计算机科学体系，我们智能科学与技术系的教师、课程设置主要也是以计算机科学技术为班底，笔者虽然在博士研究生、生物医学博士后流动站工作期间选修过一些神经科学、认知科学的课程，但还是以计算机应用技术为主要基础。因而，我们还是要通过这门课程理解复杂人脑这一生物智能，影响、引导机器智能的设计与实现。

2.4双语教学 培育能力

如前所述，脑与认知科学最新热点和研究成果大量发表在英文期刊和杂志上，相关的文献和资料大部分是英文的，而其中的专业词汇在平时的英文读写中很少接触，以计算机专业为基础的教学单元如果不加强双语、英文教学和学习强化，学生很难在短时间内真正学好脑与认知科学课程中的内容。同时，双语教学是教学实践的需要，也是建设一流课程和一流教学队伍的需要、建立高水平学科的需要[7]。我们必须采用多种方式坚持汉英双语教学，并不断积累经验。双语教学不仅有助于学生的专业英语学习，提高学生的学习兴趣，并能够引导学生学习英文参考文献，为查阅英文专业文献资料打下良好基础。

2.5加强合作 促进交流

脑与认知科学本身是多学科交叉发展而成的，它需要加强跨专业合作。在大连有不同类型的学校，大连海事大学、大连理工大学、大连医科大学、辽宁师范大学、大连外国语学院、大连大学、大连交通大学、大连民族学院、中国人民解放军二一〇医院等，有人工智能、计算语言学、神经信息学、认知心理学、生物医学工程、医学影像学、计算机应用技术、计算机网络、通信与信息系统、数学与应用数学、物理学等不同学科或专业，这些资源需要组织在一起，并结合自身专业特色，从事脑与认知信息相关理论与技术的课程教学和科学研究。我们与美国奥本机器智能实验室网络、法国群智中心、美国卡内基梅隆大学心理学系、美国安纳学院机器智能研究所、国立爱尔兰大学梅努斯分校电子工程系进行交流和合作，建立互访机制，合作实验研究、共同培养学生。

2.6强化实验 倡导多元

现代理工科课程教学必须理论联系实际。为智能科学技术课程建立实验平台的主要目的是使学生通过实验，研究探讨课程讲授的基本原理和实现过程，提出思路并加以积极验证，从而更好地掌握知识、加深理解，培养学生理论联系实际的能力和创新能力。

脑与认知科学是脑科学与认知科学交叉的新兴学科，本质上是一门实验性科学。科学家在解答认知科学的许多问题时要借助于实验手段，他必须按照某一设定好的程序来收集数据、分析数据，最后才能得到答案[8]。今天，脑与认知科学教科书中的许多知识都是依靠这些程序积累起来的，这些程序就是脑科学与认知科学实验。脑与认知科学实验为解答脑科学和认知科学的疑难问题提供了开放的和完备的程式，它可以保证得到尽可能准确和完整的答案。想学习并进一步研究脑与认知科学，仍然需要这种科学方法。如果要理解脑与认知科学、完整地享用脑科学和认知科学家关于脑与认知的发现，也必须对实验研究方法有一个基本把握。

在实验教学过程中，我们提倡多元化的模式。首先，提倡多学科相互结合，共同推进交叉型实验课程。例如，脑电实验课程就需要心理学的实验设计方法、计算机的图像处理技术和神经科学的脑神经知识[9]，学生通过这门课的学习，取长补短，拓展了学习和研究的视野。其次，鼓励学生在学好本专业的基础上，积极主动地涉猎其他相关学科的实验和技术，从而培养脑与认知科学“通才型”的科研后备军。比如，我们购置综合心理实验和机器人创新教学实验平台，结合诱发电位、脑功能成像等实验和技术[10]，为学生设置多学科交叉的实践课程，这样，学生在今后学习和创新研究中，碰到心理学、神经科学、计算数学等方面的问题就能够做到迎刃而解。

3实践与实例

我们在脑与认知科学课程教学过程中，践行双语教学，采用教材、课件、论文、学术报道等内容，与学生积极互动，引导学生主动学习。如课程的考核依据采用报告评分的方式，利用最后4课时，让学生分组报告，采用动态评分组的形式评分，即一名老师、两名互不同组且不与报告人同组的学生组成一个评分组参与评分，最后得分取中值。大部分学生报告积极、生动，有些报告的内容非常深入，它对于包括主讲教师在内的所有听众而言，都是很好的知识补充，如下是几个有趣的例子。

1) 有的小组报告了“似曾相识”的体验。当人们身处一个全新场景时，会有几秒钟的时间，觉得完全了解或确切经历过这些场景。一个声音、一种味道或某瞬间的场景，都可能激起一个人回忆的感觉。这种现象到底是怎么回事？最新研究表明，这与大脑中“海马”的活动有关。麻省理工学院的生物学教授利根川进(Susumu，1987年生物学与医学诺贝尔奖获得者)一直在研究这个区域，他认为海马就是辨认新旧情景相似点的区域。当小鼠被破坏了海马区中控制N－甲基－D－天冬氨酸受体的基因时，它们置身于一个从未到过的容器时的反应，与置身于一个只与平常常见的容器略微不同的容器的反应是一样的，即这些小鼠无法区分类似场景。海马位于控制学习和记忆活动的中枢，主要负责形成和储存长期记忆。其实，记忆是被化学作用联系在一起的脑细胞群。唤起某种记忆相当于找到特定脑细胞群并激活它。海马可帮我们根据现在的经历，在记忆中寻找相同或相似的回忆。找到后，就将现在的印象认为是发生过的并形成似曾相识的感觉。有时海马也会因疏忽出现错误：它们有时会将眼前的观感归到人曾经发生的过去感觉中，从而产生了前世记忆般的“似曾相识”。

2) 有的小组探讨了说谎的脑依据。研究发现，经常说谎的人前额大脑皮层中的白质含量普遍比正常人高，而相对的，他们的灰质含量较少。白质能使人的思维变得迅速，而灰质起到调停、仲裁的作用。较多的白质和较少的灰质是研究人员在骗子和普通人的大脑中最早发现的生理差异。研究人员曾用脑成像技术证明过，在普通人说谎时，大脑皮层中的白质十分活跃。并不是所有的谎言都比真相更加复杂，也不是所有的谎言都带来更多的心理压抑。撒谎的神经生物学基础也可能并不仅仅局限于大脑某一区域的变化，而要比这个复杂得多。

3) 有的小组讨论为什么很多动物都是“右撇子”，认为是阳光、避害、进化的综合结果。还有的小组尝试揭示视觉误差的原因，包括视觉限制、人脑创造的逻辑将非现实的信息合理化、认识习惯忽略事物的真实面貌、“噪音”影响“眼见之景象”、传统想法加上利害关系等。

图1是学生成绩分布及主动学习比重，其中灰色的条状图表示学生课程总分分布情况，黑色条状图是学生主动学习的成绩分布情况，可以直观地看出，主动学习占较大比重的学生表现更为积极活跃。

4结语

脑与认知科学在智能科学与技术专业课程体系中具有重要地位，学生需要该门课程作为专业基础，掌握其基本知识、基本理论、基本方法及基本技能，同时，还需要注重能力培养，但是对于以计算机科学为基础的本科生来说，它也是一门有专业跨度、比较难掌握的课程，其教学方式方法值得我们去研究和探索，我们在分析专业特色、课程特点的基础上，阐述教师课堂讲授、实验创新教学与学生主动学习实践相结合的观点，并根据大连海事大学智能科学与技术专业2009级教学实际，探索主动学习的教学方法。在今后的教学中，我们将继续完善、践行、丰富这一教学方法和过程，不断提高教师自身的素质，提高教学质量，为国家和社会培养出更多的合格的人才。

参考文献：

[1] 周昊天,傅小兰. 认知科学:新千年的前沿领域[J]. 心理科学进展,2005,13(4):388-397.

[2] 中国科学院心理研究所战略发展研究小组. 认知科学的现状与发展趋势[J]. 中国科学院院刊,2001(3):168-171.

[3] 谭咏梅,王小捷,钟义信. 脑与认知科学教学研究[J]. 课程与教学,2009:81-85.

[4] 王本洋,罗富合. 以人为本与因材施教的探讨[J]. 中国林业教育,2010,28(1):1-4.

[5]H. Ko,S. B. Hofer,B. Pichler,et al. Functional specificity of local synaptic connections in neocortical networks[J]. Nature,2011(473):87–91.

[6]R. Glenn Northcutt. Evolving Large and Complex Brains[J]. Science,2011(5):926-927.

[7] 杨谊. 计算机专业双语教学的探索实践[J]. 南方医学教育,2009(1):19-20.

[8] 王丹,冯锐. 认知神经科学研究对元认知教育潜力的探索[J]. 扬州大学学报:高教研究版,2010,14(6):8-10.

[9] 张志利,田心. 认知诱发电位动态提取的研究进展[J]. 国外医学生物医学工程分册,2005,28(2):85-88.

[10] 冯涛,张进辅. 认知心理学与无创性脑功能成像技术[J]. 心理科学,2006,29(1):151-153.

Teaching Study on Active Learning of Brain and Cognitive Science

FENG Shigang, LIU Hongbo, ZHANG Jun

(School of Information, Dalian Maritime University, 116026 Dalian, China)

Abstract: Aimed to Brain and Cognitive Sciences course teaching practice for Intelligence Science and Technology professional and based on the analysis of professional and course characteristics, the view of combining classroom lectures, laboratory innovative teaching practice and active learning of students are discussed. According to teaching practice of Intelligence Science and Technology in Dalian Maritime University, active learning of Brain and Cognitive Sciences has made good results.

Key words: Brain and Cognitive Sciences; teaching model; teaching method; active learning

(编辑：郭小明)