“脑与认知科学基础”教学研究

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摘要：“脑与认知科学基础”是“智能科学与技术”本科专业的3门核心课程之一，3门核心课程包括“智能科学技术导论”，“脑与认知”和“机器智能”。本文在国内外的教学形式与方法基础上，探讨了“脑与认知科学基础”的教学模式、教学内容的设计和授课方式的多样化。

关键词：脑科学；认知科学；教学模式；教学设计；教学方法

中图分类号：G642　文献标识码：A

1　引言

“脑与认知科学基础”是“智能科学与技术”专业的一门重要的专业基础课程，是现代脑科学、认知科学、心理学、神经科学、数学、语言学、人类学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果。通过对这门课程的学习，要求学生掌握脑与认知科学的基本概念、原理、方法、知识结构、应用等，了解脑与认知科学的研究现状和发展趋势，对已有成果展开分析与讨论，为今后进一步的学科探索打好基础。

由于该课程具有一定的抽象性和难度，学生在学习中容易出现学习目的不明确、学习方法不清楚，以至于只知道表面不知道其本质，从而变为变动学习。如何使学生从抽象中理解具体，从困难中学会知识，更好地、自主地、创新地学习，就要求老师在知识的传授过程中，要注重学习方法的传授。故教学模式、教学设计和教学方法的探讨，成为“脑与认知科学基础”课程中重要研讨内容之一。

随着社会的发展、国际交流的日渐频繁及网络技术的日臻完善，如何借鉴先进的国外教学理念，更好地培养具有创新能力的学生，也成为教学研究的一个主要问题。

2　国内外教学比较

下面从教材内容、课堂形式和学生培养三个方面来阐明国内外教学的差异。

(1)教材内容

目前MIT的有关于“脑与认知科学”的开放课程(MITUndergraduate Course：Brain and Cognitive Sciencel，其信息量大、知识面广，并且注重系统性和实践性的分析和研究。

北京师范大学罗跃嘉教授的《认知神经科学教程》讲授了认知神经科学基础、认知神经科学的研究技术与方法、认知过程的神经基础和认知神经的发展与障碍。该教材系统介绍了认知神经科学的兴起与发展、大脑的解剖与生理、脑和认知功能的进化；主要的神经数据收集方法(fMPd、MEG、ERP、TMS、光学成像)和数据处理方法(数学模型、计算神经科学、图像处理技术)；力图反映感知觉、注意、记忆、语言、意识、情绪等领域的最新研究进展以及认知发展、老年化、语言加工障碍、认知与遗传等内容；此外，还专门介绍了认知神经科学的研究仪器及其在中国的使用。

武秀波教授的《认知科学概论》讲授了作为认知科学核心组成部分的认知神经科学、认知心理学、认知语言学、认知的计算机模拟等主要内容、基本概念、基本原理及实际应用情况，阐述了各种认知过程的多方面的研究规律和研究成果，并将丰富的试验资料与理论分析相结合，促进了理论之间的比较和相关学科的交叉。

北京邮电大学钟义信教授的《人工智能统一理论》，讲授了知识表示，信息获取，信息处理，信息利用，专家系统，人工神经网络，人工智能研究的最新进展和机制主义方法等。

(2)课堂形式

国外的授课往往注重内容的学习、知识的掌握，课堂教学方法也是各有迥异。我国的课堂教学主要以教师讲授为主，学生被动接受，留给学生的自主空间相对狭窄；而国外课堂相对活跃，讲授和讨论相辅相成，学生能积极地加入到课堂教学中。

(3)学生的培养

由于国内教学中以教师为主，所以往往只注意知识的传授，忽略了学生能力和全面素质的培养。我国学生知识掌握牢固，但知识运用能力差，主动和创新能力欠缺。

3　教学模式、设计和方法的探索

3.1 实现目标

“脑与认知科学基础”是“智能科学与技术”专业的一门重要的专业基础课，对该专业的学生在将来的学习工作中都起着举足轻重的作用。该课程的教学目标不仅仅是知识的掌握，更重要的是学生能力的培养。

通过对本课程的学习，将使学生掌握人脑结构、脑功能以及人类基本认知能力的基本概念和系统知识，对脑与认知研究中所使用的技术有初步的了解，通过学习和教学，着重激发学生对人脑结构与人类基本认知能力的思索，激发学生对进一步研究智能形成机理和工作方式的强烈兴趣，为今后深入研究自然智能、并将人类智能产生机制的相关假说和研究成果用于机器智能奠定基础。

在掌握知识的基础上，增强学生批判性思维和解决问题的能力。学会解决问题、分析问题的方法和手段，掌握信息的收集、检索、分析、评价利用的机能，提高合作技能，促进班级内学生的合作交流，开阔学生的综合素质，最终提高学生的创新能力。

3.2　教学模式

主要涉及教学模式转变、教学课堂和激发学生学习兴趣三个方面。

(1)教学模式转变

针对当前教学过程中存在的问题，按照学生认知规律，应该对新的教学模式进行探索，主要涉及以下五个方面的转变。

教师角色的转变。使教师从原来以教师为中心的“讲解者”角色，转化为学生学习的引导者、学生活动的导演者角色，由此引导学生掌握学习方法。

学生地位的转变。使学生有原来的单纯听讲、接受灌输的被动地位，转化为能有机会主动参与、发现、探究的主体地位；要积极调动学生参与，充分发挥学生主体的作用，使学生不仅要学会知识，还能更好地学会学习方法。

媒体作用的转变。使教学媒体从教师手中转化到学生手中，使媒体由作为教师的讲解工具转化为学生的认知工具；使学生学会利用工具来完成学习和研究任务。

教学过程的转变。使教学过程由传统的逻辑分析或逻辑综合，转变到为学生建立教学情景，使学生通过与教师、同学的协商讨论，参与操作，发现知识，理解知识，从而获得知识和掌握知识。

教材应按人类联想规律组织教学信息，符合学生的认知规律。

(2)课堂教学模式

教师应运用灵活多样的教学方法，授课时充分结合讲授、讨论、思考、测试和自学等多种方式。教学过程中注重双向性，突出启发性，调动学生的积极性。

所谓双向性是指教学过程中，教师是课堂的主导，学生是课堂的主体，既强调教师的讲授，又强调学生能动性的发挥，促使教师和学生在教学中相互联系、相互作用，使教学过程成为师生双方主动介入的过程。

突出启发性，即在教学过程中突出以学生为主体，促进学生学会思、善于思考、主动理解和掌握知识，培养分析和解决问题的能力。

除了灵活运用上述各类教学方法之外，考虑到课上学时的限制，适当地给学生留思考题，让学生课下独立思考，巩固课堂上的知识，也是课堂教学模式的一大补充。另外还可以促进学生利用先进的手段广泛查阅资料，学会自己解决问题的方法。为了得到良好的教学效果，教师在充分 理解知识的基础上，提炼出精华的思考题，使学生通过思考，更精确地理解课本知识，发挥学生的主观能动性，培养学生积极思考、解决问题的能力；把学生从传统被动的学习状态转化为主动的学习主体，给学生充分的学习空间和创新思考的余地。

(3)激发学生学习兴趣

学习兴趣有直接和间接之分，间接兴趣有学习活动的结果激发，如意识到学习的重要性，对学习的结果产生兴趣。对大学生来说，到底什么是积极健康、持久旺盛的学习动力?最具积极健康和持久旺盛特性的三种学习动力是：兴趣、理想和事业，而且每个学习阶段积极健康、持久旺盛的学习动力也是不同的：小学主要是兴趣，中学是理想，大学则是事业。

人生进入大学阶段后，开始思索实现的人生之路，面对现实，就必须从事一个职业，必须做事，必须根据社会的发展和个人的自身条件，包括自己的个人爱好和自己的理想以及社会的需求去从业干事，因此，在人生的大学阶段，产生了职业理想。有了职业理想，才有明确的人生奋斗目标。美国的戴维・坎贝尔说过：目标之所以有用，仅仅是因为它能帮助我们从现在走向未来。大学生只有明确了职业理想、职业目标，才会有为职业理想、职业目标的实现制定出科学合理的规划，并付诸实施，避免随波逐流。

直接兴趣是有学习内容和学习过程的特点直接引起的，如趣味性强的学习资料、新颖的教学内容、生动而又系统地讲解等等。下面结合作者从事的《脑与认知科学基础》课程教学，给出下面的建议。

首先，充分利用实物、影视等手段进行直观教学。凡是教学内容涉及的脑的52个分区等都尽量的在课堂上将实物展示出来，让学生通过亲睹实物，增加感性认识；同时最大限度的利用电教化手段，通过生动的画面吸引学生的注意力，将抽象的理论形象化，学生印象深刻而又便于理解。

其次，培养师生感情，树立教师威信。“师者，传道、授业、解惑也”，教师的职责不仅仅是“授业”，也应该注重“传道”与“解惑”，在课堂上有针对地传授学生为人处事的道理，这样不仅活跃了课堂气氛，教师也因为博学而受到学生的敬仰；对学生在生活、学习上遇到的可能、苦恼，适时地以朋友的身份，对他们关怀备至，帮助他们客服可能，他们就会从心里热爱老师，感情上接近教师，爱屋及乌，从而对你交的课程产生浓厚的兴趣。“亲其师，信其道”表明了这样一个道理，相融的师生关系可以直接影响到学生的学习兴趣和学习效果。

再次，教学中联系实际，学以致用。教师在上理论课时，应该做到理论联系实际，注重学生实践能力的培养。

3.3　教学设计

根据教学大纲，对“脑与认知科学基础”课程进行了如下的教学设计：

《脑与认知科学基础》共分14个章，分别介绍了脑与认知纲要、脑论、新皮层、神经组织、神经信息活动、脑的工作机理、一个假说、认知概论、感知、记忆、语言、思维和情绪。

第1章主要围绕着中心问题“智能科学与技术专业为什么要学习脑与认知科学”和“应当怎样学习‘脑与认知科学’课程”来展开，具体内容包括：智能、自然智能、人工智能的基本概念：人工智能与自然智能的关系；“脑与认知”是自然智能的基础；21世纪是智能科学技术的世纪；“脑与认知科学”课程的学习方法。

第2章的中心问题是“什么是脑科学，什么是认知科学”和“它们与智能科学技术的关系是什么”，具体内容包括：脑科学的研究对象与目的、脑科学的研究方法。

第3章主要围绕着“脑是一个怎样的系统”和“我们将由宏观至微观进行逐步的分析”的中心问题来展开，具体内容包括：自然智能系统基本工作模型；神经系统组成：中枢神经系统组成；脊髓结构与功能：脑的基本构件与功能；左右半球的功能优势和脑组织的总体特征。

第4章主要围绕着“什么是大脑皮层”和“它在大脑系统中起什么作用”的中心问题来展开，从组织生物学层次讨论了脑的结构，具体包括：大脑皮层的分叶；皮层叶区的功能定位；皮层的细胞类型；皮层的分层：皮层的分型；皮层的分区；大脑半球的纤维联系；大脑的柱形结构和Hawkins的皮层说。

第5章主要围绕着中心问题“什么是神经元，什么是神经胶质细胞”和“它们有那么神奇的功能”来展开，从细胞生物学层次探讨了脑的结构，具体包括：神经细胞(神经元)：神经元分类；神经元结构；突触：神经胶质细胞；和神经纤维与神经末梢。

第6章主要围绕着中心问题“神经系统的工作原理是什么”和“为什么神经系统能够处理各种信息”来展开，首先从分子生物学的层次讨论了神经系统的工作机理，接着讨论了最基本的神经系统反射特性，以及神经元的各种模型。

第7章主要围绕“脑是怎样工作的…‘你觉得这些理论怎么样?”来展开，大脑皮层是一个层级结构：皮层分为若干“叶”，每个叶又有许多不同的“区”，每个区都存在“6个层”，每个层包含若干不同的细胞(神经元)。这些神经元互相结成大量的功能柱。大脑皮层反映外部世界的方式，是建立“恒定表征”，后者就是皮层细胞兴奋的层级结构。大脑认识世界的方式，是“记忆，预测”。记忆，就是建立事物的“恒定表征”。预测，就是利用“恒定表征”去判断它的细节。

第8章提出了一个假设，认为“任何智能系统督应当具有明确的目的；否则就不能成为智能系统”。同时认为：作为一种完全自主的智能系统，人是具有明确目的的；作为一种“他主”的智能系统，它的目的是由它的设计者设定的。

第9章围绕着“什么是‘认知科学”’和“从‘众家之说’中择优”来展开，讨论和比较了“认知科学”有关的基础概念、相关模型和几种“认知科学”的定义，从而说明认知科学研究应当关注的主要内容。需要特别注意的是，认知科学目前仍处于发展阶段，关于“认知科学”的定义仍是众说纷纭。对于学习和研究认知科学的人来说，这种状况也不是坏事。相反，只要认真研究这些说法的实质，就有可能从中得到比较深刻比较科学地认识。因此，特别鼓励学习者带着问题学习，发现问题，分析问题，争取在此基础上创造性地解决问题。

第10章讨论了“注意的机制”：人为什么会产生“注意”机制，根本的机制在于“人有目的”。当与“目的”相关(无论是正相关还是负相关)的对象出现时就会注意这个对象：关联的程度越高，注意的程度就越强。所以，“注意”的关键机制在“目的”；而实现注意力选择的关键机制则是“目的与刺激之间的关联度分析”。相反，如果没有“目的”存在，人们对所面临的任何刺激就会表现得麻木不仁，注意力分散，没有特别的兴趣。可见，“目的”在认知活动中处于十分关键的地位。

接着对于感知的基本概念和基本机理做了必要的讨论，为认识感知理论奠定了一般的基础。但是由于学时限制，对于具体的“视觉感知”、“听觉感知”以至其它感知(嗅觉、味觉、触觉、平衡觉等)理论，就只能略而不论了。幸好，这方面的材料比较容易找到，就作为学生课外学习 的内容而不做课内的要求了。

最后讨论了“认知过程”的最初环节――感知的基本问题，包括感觉、知觉、表象的基本概念和工作机理。它们是后续认知环节的基础。对于这些认知环节工作机理的认识，存在不同的学派。这是学习《脑与认知科学》所面临的挑战，但更是研究《脑与认知科学》的创新机遇。应当深入分析各个学派的理论(包括优点和缺点)，这样就有可能在它们的基础上获得更加科学地认识，做出新的贡献。

第11章围绕着“什么是‘记忆与提取’”和“人为什么能够进行‘信息记忆和提取’”来展开，讨论了“长时记忆的语义存储”：以语义为中心、以知识结构的方式进行存储；通过概念(或特征)来表达语义章；通过概念／特征的相互关系表达完整语义；通过概念／特征的层级结构来表达某类的复杂语义：通过类间互连形成的知识结构来表达多类事物的语义；概念、特征、类等等都是以语义来定义的。

第12章首先对相关术语进行了解析；介绍了近年来脑科学的发现和认知学的研究进展。

第13章探讨了“思维的脑机制”，或者说“为什么脑会思维”，因此，首先要说明什么是这里所说的“思维”。显然，思维是脑的功能，是在给定问题、条件和目标的情况下，人的大脑寻求解决问题达到目标的一种能力。在这里，核心的问题是：在获得了“问题、约束、目标”。这些信息和相关知识的条件下，如何运用这些信息和知识来解决问题、满足约束、达到目标?根据问题、条件、目标情况的不同，思维可以有形象思维、逻辑思维、灵感思维、创造性思维等不同的类型。那么，大脑是怎样执行思维功能的呢?

第14章总结了目前认知科学对情绪的研究已经取得的不少成果，包括情绪的定义、分类、情绪的脑机制、情绪与认知的关系等等。另一方面也指出，同其他方面的研究一样，认知科学对于情绪的研究也忽视了“目的”的作用。人为什么会快乐?为什么会悲伤?除了生理上的原因之外，主要是受到“目的”实现的可能程度的影响。在这里，“目的”包括各个方面的追求：生存的追求，发展的追求，信念的追求等等。大多数喜、怒、哀、乐情绪都以这些“目的”是否能够实现以及实现的程度来衡量。因此，如果离开“目的”要素来考察情绪，就难以准确把握情绪产生的缘由。

3.4　授课方式

多媒体教学可以通过文字、图像、动画、录像等方式向学生传授知识，形象生动地完成教学任务。采用多媒体手段，既便于教师解释问题，同时也可以提高学生的学习积极性，加深学生的理解。教师还可以适当引入一些联系实际的例子，更好地帮助学生理解和应用所学的知识。

为了增强课堂的互动性，提问也是教学中值得研究的问题。所提问题必须准确、明白，无论在含义上，还是在语言本身：多用特殊疑问词发问，易于引导学生保持积极的思维状态；追问则可采用选择问句，它有某种限定作用，可引导学生定向思考。鼓励学生随时随地向老师发问，增强了师生的沟通，活跃了课堂气氛，给学生一个更广阔的思维空间。

在课堂时间允许的条件下，适当展开一些小的讨论活动，鼓励学生积极思考，大胆地提出自己的观点，加深学生对某些抽象问题的理解，永远保持一种积极乐观的态度进行学习。

学习是为了将来更好的工作，故学习方法也应该在教学环节中培养。适当地给学生一些拓展型的问题，鼓励学生去查资料，分析、研究问题，这些环节结果不重要，重要的是过程。学生可以学到从查资料、分析、对比，到归纳、成文等一系列分析研究问题的方法。

4　结束语

“脑与认知科学基础”在“智能科学与技术”专业课程中占有极其重要的地位，同时它也是一门比较难掌握的课程，其教与学的方式方法值得我们去研究和探索。在今后的教学中，我们一定要多从课程本身特点出发，从学生学习方式出发，不断改革，实践，创新，同时不断提高教师自身的素质，才能不断提高课堂教学质量，为国家和社会培养出更多的合格的应用型本科人才。