劉柯 鄧欣 于洪

摘要：探討面向智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。分析了該課程目前所面臨的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)、認(rèn)知科學(xué)和數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)以及當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)等學(xué)術(shù)研究前沿，探討了教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)以及教學(xué)方式的變革。

關(guān)鍵詞：智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè);認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ);腦機(jī)接口;教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）15-0084-02

一、關(guān)于認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程

認(rèn)知科學(xué)是智能科學(xué)與技術(shù)的生物基礎(chǔ)，是從“自然智能”到“機(jī)器智能”之間的橋梁。作為一門研究人類感知和思維信息處理過(guò)程的學(xué)科，認(rèn)知科學(xué)主要研究目的就是要說(shuō)明和解釋人類再完成認(rèn)知活動(dòng)時(shí)是如何進(jìn)行信息加工的，一直是認(rèn)知心理學(xué)等教學(xué)領(lǐng)域的重要課程。[1，2]自我校2009年設(shè)立智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)以來(lái)，認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)一直是該專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人腦認(rèn)知活動(dòng)中的信息處理方法與過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)有較敏銳的洞察能力，同時(shí)使學(xué)生具有數(shù)據(jù)分析與處理能力的意識(shí)，在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科體系中占據(jù)著十分重要的地位。[3]特別是隨著人工智能和腦科學(xué)研究的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的計(jì)算架構(gòu)不能有效實(shí)現(xiàn)具有泛化能力的人類認(rèn)知信息加工機(jī)制。借鑒人類腦認(rèn)知機(jī)制，通過(guò)腦認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)相融合的方式，構(gòu)建一種類腦的“學(xué)習(xí)機(jī)器”，而不是簡(jiǎn)單的“機(jī)器學(xué)習(xí)”，已成為當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。因此，學(xué)習(xí)并理解人類認(rèn)知和信息處理過(guò)程，對(duì)于提高學(xué)生的智能信息和數(shù)據(jù)建模與分析能力，有著重要的意義。

然而，對(duì)于以工程技術(shù)應(yīng)用為背景的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)而言，該學(xué)科涉及多學(xué)科內(nèi)容，比如心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、人工智能科學(xué)乃至自然哲學(xué)等，學(xué)生存在畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不太濃厚，教師對(duì)于該課程的教學(xué)也頗為費(fèi)心。此外，由于“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程在大三上學(xué)期開設(shè)，大部分學(xué)生在模式識(shí)別和數(shù)字信號(hào)處理等上面的基礎(chǔ)較薄弱，對(duì)于該門課程的腦功能信號(hào)分析與腦機(jī)接口技術(shù)部分的教學(xué)也存在較大的困難。

針對(duì)該課程理論和實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、涉及教學(xué)內(nèi)容多、交叉廣泛等特點(diǎn)，筆者自承擔(dān)本課程教學(xué)來(lái)，結(jié)合我校學(xué)生和專業(yè)建設(shè)實(shí)際情況，立足培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)素養(yǎng)和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力和綜合素質(zhì)，積極摸索改進(jìn)。本文將信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)方法融合進(jìn)認(rèn)知科學(xué)的神經(jīng)機(jī)制探索與學(xué)習(xí)，從教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等方面進(jìn)行了初步探索。

二、課程建設(shè)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

本課程將使學(xué)生學(xué)習(xí)到認(rèn)知科學(xué)的基本知識(shí)，包括腦與神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)造、工作原理、基本研究手段，腦與學(xué)習(xí)、意識(shí)、行為的關(guān)系，深入了解感知、注意、記憶的生物和生理學(xué)本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)人工大腦、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聽覺計(jì)算、視覺計(jì)算、腦機(jī)接口、認(rèn)知機(jī)器人等前沿技術(shù)的理解與應(yīng)用。

目前認(rèn)知科學(xué)方面的教材大多為國(guó)外翻譯教材，并且聚焦于其中的某個(gè)方面（比如認(rèn)知心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等）。同時(shí)該學(xué)科實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，和當(dāng)前腦與認(rèn)知科學(xué)的前沿研究緊密相連，因此很難找到合適的教材同時(shí)將智能信息處理技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)相融合。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)旨在聯(lián)合心理學(xué)、哲學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的方法幫助我們理解大腦是如何產(chǎn)生心智的，并闡明人類認(rèn)知過(guò)程中的腦機(jī)制，即在分子、細(xì)胞、腦功能區(qū)到全腦等多個(gè)尺度上如何實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能。腦機(jī)接口是近二十多年來(lái)興起的涉及神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制及信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域的人機(jī)接口方式，是在大腦與外部環(huán)境之間建立的神經(jīng)信息交流與控制通路。

該課程在大三年級(jí)開設(shè)，且該專業(yè)的學(xué)生已在前面學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)人工智能原理、信號(hào)處理等課程，這些課程的學(xué)習(xí)為本課程的理論學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。在教材選擇上，選擇上海人民出版社的《認(rèn)知、大腦和意識(shí)——認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)引論》，并參考其他輔助教材，比如機(jī)械工業(yè)出版社的《腦機(jī)接口導(dǎo)論》、中國(guó)輕工業(yè)出版社的《認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)》。教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分：

1.腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展歷程及基本概念，包括感覺與知覺、注意與意識(shí)、情緒、語(yǔ)言、記憶、學(xué)習(xí)等。

2.認(rèn)知活動(dòng)的生理基礎(chǔ)，包括大腦結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的基本組成等。

3.腦功能信號(hào)的采集與分析，包括大腦節(jié)律、腦功能信號(hào)（EEG、fMRI等）采集、常見腦功能障礙、腦信號(hào)分析基本方法（包括基于時(shí)域/頻域分析的EEG分析方法、腦電源成像基礎(chǔ)等）。

4.腦機(jī)接口技術(shù)，包括腦電信號(hào)預(yù)處理（零參考電位、拉普拉斯空間濾波、數(shù)據(jù)歸一化、插值技術(shù)），腦功能信號(hào)特征提取方法、模式分類器（比如Fisher線性分類器、支持向量機(jī)）設(shè)計(jì)。

三、以學(xué)生為中心的教學(xué)方法

1.提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程交叉性強(qiáng)，尤其涉及心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等非工科學(xué)科，對(duì)于我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來(lái)講，學(xué)習(xí)壓力較大，學(xué)習(xí)興趣不高。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在授課過(guò)程中，盡量發(fā)揮自身樂觀活潑的性格特點(diǎn)，選擇大家生活中常見的例子，在語(yǔ)言表達(dá)上盡量避免生硬，力求用簡(jiǎn)單直白的語(yǔ)言講解知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，善于利用網(wǎng)絡(luò)視頻，比如在課程緒論部分，通過(guò)播放網(wǎng)絡(luò)公開視頻《打開思想的大門》片段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)腦認(rèn)知功能的興趣。

2.注重與智能科學(xué)與技術(shù)其他課程知識(shí)的銜接。在神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的教學(xué)部分，筆者安排了兩個(gè)課時(shí)的內(nèi)容講解了常見的人工神經(jīng)元模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)講解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的基礎(chǔ)——感知機(jī)。在腦機(jī)接口教學(xué)部分，安排了兩個(gè)課時(shí)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)的回顧，重點(diǎn)復(fù)習(xí)信號(hào)濾波、主成分分析、Fisher線性判別分析和支持向量機(jī)等內(nèi)容，再進(jìn)入腦機(jī)接口系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，教學(xué)效率得到了明細(xì)提升。

3.適當(dāng)使用板書，細(xì)化推導(dǎo)過(guò)程。對(duì)于一些知識(shí)點(diǎn)，比如動(dòng)作電位產(chǎn)生過(guò)程、部分公式的展示，僅依靠PPT教學(xué)過(guò)于單薄，學(xué)生難以理解，因此在播放PPT時(shí)需要適時(shí)插入細(xì)致的板書。同時(shí)板書過(guò)程中要結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況循序漸進(jìn)，例如在學(xué)習(xí)神經(jīng)細(xì)胞和感知機(jī)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，教師從點(diǎn)到平面的距離入手，并引導(dǎo)學(xué)生回顧梯度下降法等相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，幫助學(xué)生切實(shí)地把前面學(xué)習(xí)的信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到本課程。

4.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)和學(xué)生綜合能力素質(zhì)培養(yǎng)。根據(jù)本專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃，在理論課程教學(xué)期間，“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)踐課程，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、自學(xué)能力和專業(yè)綜合素質(zhì)。在實(shí)踐課程教學(xué)環(huán)節(jié)，基于Matlab和Python等工具，以2005年國(guó)際BCI競(jìng)賽的P300數(shù)據(jù)為分析數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)常見的模式分類器（如Fisher線性分類器、支持向量機(jī)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）分析腦電事件相關(guān)電位。同時(shí)，使用計(jì)算智能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的NeuroScan和Brain Products腦電采集放大設(shè)備，利用E-Prime設(shè)計(jì)腦電刺激程序，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以小組合作的方式采集并分析P300字符拼寫腦電數(shù)據(jù)。

四、結(jié)論

根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教育中的認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐探索，提出在課程理論和實(shí)踐教學(xué)中注重智能信息處理和認(rèn)知科學(xué)相結(jié)合，通過(guò)一系列的創(chuàng)新摸索，不僅順利完成了教學(xué)任務(wù)，而且有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筑牢學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題和動(dòng)手能力，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及專業(yè)綜合素質(zhì)的提升打下了良好的基礎(chǔ)。

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