“認知科學基礎”線下“金課”建設研究與實踐

劉柯　王燁　于洪

［摘 要］ 認知科學是智能科學與技術的生物基礎，是一門研究人類感知和認知信息處理過程的學科。根據新工科背景下“金課”建設的基本要求，結合“認知科學基礎”課程在智能科學與技術專業中的特征和地位，進行“認知科學基礎”線下“金課”建設。針對課程教學手段單一、教學內容與多學科融合有差距、考核方式單一等問題，從明確教學目標、更新教學內容、課程思政育人、豐富教學方法、多樣化考核方式等方面提出了建設“認知科學基礎”線下“金課”的有效方法，并有效改善了“認知科學基礎”課程的教學效果。

［關鍵詞］ 智能科學與技術專業；認知科學基礎；線下“金課”建設

［基金項目］ 2021年度重慶郵電大學秋季學期線下金課建設項目“認知科學基礎”（XJKXX2021-20）；2019年度國家級一流本科專業建設點“智能科學與技術”（教高廳函〔2019〕46號）；2020年度重慶市高等教育教學改革研究項目“工程教育認證背景下的智能產業創新型人才培養模式改革研究與實踐”（203395）

［作者簡介］ 劉 柯（1989—），男，四川南充人，博士，重慶郵電大學計算機科學與技術學院副教授，主要從事腦信號分析和腦機接口系統研究；王 燁（1988—），男，重慶人，博士，重慶郵電大學計算機科學與技術學院講師，主要從事自然語言處理和機器學習研究；于 洪（1972—），女，重慶人，博士，重慶郵電大學計算機科學與技術學院教授，主要從事智能信息處理及數據挖掘研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0081-04［收稿日期］ 2023-02-06

“認知科學基礎”一直是重慶郵電大學智能科學與技術專業的核心課程，其目標是銜接智能科學與技術的先行課程和后修課程，注重神經信息處理、神經信息通路、模型以及認知啟發的智能計算模型，為智能設計、人工智能帶來了啟示［1-2］。通過對本課程的學習，學生可以理解人類如何通過腦與神經系統對外界信息進行感知、編碼和處理，掌握認知科學的基本概念、基本理論和科學研究方法，促進學生對認知科學的腦功能與結構以及系統構成、認知現象、認知模型的理解，領悟腦科學、認知科學、人工智能及計算機和信息科學等多學科領域交叉的特點，形成較為全面系統的知識框架。結合腦認知基礎相關教學內容，通過課堂教學、項目大作業、課堂討論等教學組織形式，培養學生的創新意識、辯證思維和法律意識，分析與解決復雜工程問題的能力，以及求真務實的專業精神、踏實嚴謹的科學素養和理論聯系實際的能力。

針對智能科學與技術專業“認知科學基礎”課程教學設計不夠合理、教學手段單一、教學內容與多學科融合有差距、考核方式單一等問題，筆者對新工科建設背景下線下“金課”的建設和實施，以及使課程具有創新性、高階性和挑戰性［3］進行了初步探索。

一、線下“金課”建設需要解決的問題

（一）以學生為中心的教學理念知易行難

目前，教學中仍是以教師為主體，學生被動聽課學習。由于“認知科學基礎”課程涉及腦科學、認知科學、人工智能、計算機和信息科學等多學科知識點，容易使學生感到枯燥、缺乏代入感，導致其聽課意愿不足，教學成果不佳。從教學效果反饋來看，學生對“認知科學基礎”缺乏興趣和熱情。教師在課堂中一般采用電子課件，因此使得學生對課堂內容記憶不深刻。此外，學生對該門課程的認識不夠，不知道課程所學內容如何應用、課程對自己后續的發展有什么幫助，從而使學生產生了抵觸情緒。踐行工程教育專業認證標準，需要改變以往以教師為中心的教學理念，而轉向以學生為中心。傳統教學以“說教式”教學為主，過分強調了教師的主導作用，學生只是被動接受，主要是以“灌輸式”為主。而工程認證則是以學生為中心，傳統的教學模式無法滿足工程認證的需求，也無法充分發揮學生的積極性和主觀能動性，工程認證能夠完全調動學生的內驅力，真正達到學習的目的。

（二）教學內容多，課程難度大

“認知科學基礎”課程利用神經科學和信息科學等跨學科知識，理解認知科學，目標是學習利用先進技術和工具，在細胞、系統、全腦等不同層次上理解認知科學的基本概念和現象，分析、處理、整合、建模、仿真與虛擬腦認知?！罢J知科學基礎”課程的基本內容包括腦與神經系統的基本構造、工作原理和基本研究手段，腦與學習、意識、行為的關系，感知、注意、記憶的生物和生理學本質，實現人工神經網絡、聽覺計算、視覺計算、腦機接口、認知機器人等部分。在課堂講授中，教師一般只講授必學單元的基本知識點。由于內容多、學時少，對于智能科學與技術應用方面的知識點講解時間較少。

（三）考核方式單一

許多課程通常將期末卷面考試成績作為考核學生學習效果的唯一標準。在實際教學中發現，這種單一的考核方式無法體現課程特色［4］。部分學生平時很少復習理論知識，期末突擊應付考試、課后題相互抄襲現象時有發生。因此，單一的期末卷面成績難以反映學生的學習效果，授課教師也無法從學生學習成績中得到有效反饋，無法充分發揮以考促學、以考促建的目的，難以有效提高教學質量、加強課程建設。

二、“金課”建設方案

（一）明確教學目標

“認知科學基礎”課程力求使學生能夠掌握扎實的專業核心知識，了解認知科學前沿發展現狀和趨勢，培養對新知識、新技術較敏銳的洞察力，同時使學生具有數據分析與處理能力，具有自主學習和終身學習的意識。學生具備文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息的基本能力。課程目標對應的學生知識和能力要求如下。

課程目標1：能夠描述并分享腦科學與認知科學的發展及各個心理學派的構成；能夠分析感覺與知覺的關系和區別；能夠通過課后文獻檢索和文獻閱讀，分析注意與意識及其神經機制；能夠認識人類思維與表征的認知科學原理。

課程目標2：能夠構建從神經元到神經系統的概念架構；能夠描述并分析感覺和運動系統及常見認知障礙，并利用腦節律和最新的智能科學技術與認知科學原理針對部分腦功能障礙康復設計方案。

課程目標3：能夠認識學習的原理和情緒及其調控機制；能夠利用記憶的認知性質，比較長期記憶和短期記憶；能夠根據心理語言學原理，描述人類語言的發展和形成過程；能夠對腦功能信號進行分析，并根據認知科學原理對結果進行解釋。

課程目標4：能夠分析腦機接口系統的基本原理和方法，并利用信號和數據處理方法對BCI系統進行解碼分析；能夠通過文獻查閱，描述并分析腦機接口系統項目中涉及的數據管理和分析方法。

（二）選擇合適教材，持續更新教學內容

課程組以往使用的教材以心理學、認知科學、神經科學專業編寫的《認知神經科學》和《認知心理學》為主。雖然該類教材對人腦生理結構、腦功能障礙、認知心理學講解得比較詳細，但無法完全匹配智能科學與技術專業的培養要求，學生也存在學習吃力、內容學不全的情況。當前，課程組教師在授課過程中選擇高等學校智能科學與技術/人工智能專業系列規劃教材《腦與認知科學基礎》（清華大學出版社）作為授課教材。該書系統介紹了腦與認知科學基本概念、基本理論、腦與神經系統基本結構，外界信息感知、編碼和處理，促進學生對腦認知中的腦功能結構與系統組成、認知現象、神經機理、認知模型的理解，使學生在腦科學、認知科學、人工智能、信息科學等領域形成較為全面、系統的知識框架。此外，結合課程組教師的科學研究，在此基礎上補充腦認知啟發的認知計算模型、腦功能信號分析與處理、腦機接口等教學內容，促進學生結合認知科學基本理論和智能信息處理技術，實現對腦功能信號的分析。經過課程組不斷探索和更新，目前“認知科學基礎”的主要教學內容如表1所示。

（三）課程思政育人

結合課程教學內容，通過課堂教學、項目作業等教學組織形式，在培養學生的創新意識和分析與解決復雜工程問題能力的同時，培養學生的辯證思維和法律意識，以及求真務實的專業精神、踏實嚴謹的科學素養和理論聯系實際的能力，引導學生認識到新一代信息技術變革帶來的機遇與挑戰，愛黨愛國，自覺踐行社會主義核心價值觀，堅定理想信念，勇擔時代使命［5］。

在授課過程中，以問題為引導，融入工匠精神和踏實、嚴謹的科學素養，讓學生先動腦思考，再由淺入深地理解知識，實施啟發式教學。如學習《注意與意識》章節時，先給學生介紹“雞尾酒會問題”，引導學生思考：“雞尾酒會問題”體現了認知過程的哪個環節？注意的“選擇性”又暗示了什么？然后從注意的早選擇、衰減理論、晚選擇、多階段選擇和資源有限理論解釋注意的認知機理，在此基礎上進一步比較知覺組織的局部優先和整體優先理論，并介紹相關的注意功能障礙，如偏側空間失調、巴林特綜合征等，最后討論受注意認知過程啟發的注意力機制在深度神經網絡中的應用，加深學生對知識的理解程度。通過這一教學過程，培養學生實事求是、求真務實的專業素養。

（四）豐富教學方法，提高學生參與的積極性

精練課堂教學，合理利用線上教學資源。圍繞“認知科學基礎”課程目標，精心選擇教學內容。充分利用課堂教學學時，精講課程核心內容，使學生掌握腦與神經系統構建，認知信息感知、編碼、處理的基本理論和基本技術。同時，利用在線視頻資源，如“打開思想的大門”，國內外知名高校（如中山大學、美國加州大學洛杉磯分校等）關于腦認知的視頻公開課，以及本實驗室設計的腦機接口系統演示視頻等。通過讓學生在課后學習這些在線視頻，激發學生的學習興趣，拓寬知識視野。

強化實踐教學，組織課堂討論。課程中設置了項目大作業，主要內容是通過學生自由組隊，以小組合作的方式，利用機器學習算法和人腦情感認知機理，對腦電情緒數據進行解碼分析。最后通過課堂討論，每個小組在課堂上現場演示答辯，教師和其余學生就該小組大作業的結果及存在的問題進行討論。通過小組大作業報告和課堂現場答辯，評價該環節中學生的成績。該實踐和課堂討論環節有效培養了學生的工程意識、創新思維、動手能力和團隊合作精神，使學生更好地理解了先修課程和本門課程的知識能夠用在哪些環節，認識到了知識積累和創新的重要性。

（五）多樣化考核方式

“認知科學基礎”課程的考試需要學生理解和掌握本課程所講的概念、原理和方法，了解認知科學中的相關知識以及在現實生活中的應用，系統掌握人工大腦、認知計算的相關理論和方法。學會用腦科學、認知科學、心理學以及計算機科學的交叉領域知識解決實際問題，提高學生分析問題和解決問題的能力。

本課程成績由平時成績、項目大作業成績和期末考試成績組成，采用百分計分制。各部分所占比例如下：平時成績占30%（其中，平時作業占24%、課堂表現占6%），項目大作業成績占10%（其中，大作業報告占7%、課堂答辯占3%），期末考試成績占60%。在項目大作業現場答辯和討論中，為提高學生的參與積極性，課堂答辯分數的50%由教師打分，剩余的50%取自其他小組學生互評成績的平均分。

結語

認知科學是計算機科學與技術、人工智能領域的重要研究方向。課程組根據“金課”建設的標準，對課程的教學內容、教學方式進行了設計和優化，更加注重以學生為中心、以成果為導向，適應新工科建設背景下培養學生解決復雜工程問題的能力及創新能力的要求。從評教數據可以看出，學生對授課教師的教學態度、教學內容和教學方式等方面均有很高的認可度。同時，學生的知識綜合運用和創新能力均得到了提高。多名學生根據課程教學內容，依托實驗室，申請并立項了國家級創新創業訓練等本科生科研訓練項目。部分學生也在項目大作業的基礎上進一步拓展，作為本科畢業設計的選題。

參考文獻

［1］劉柯，鄧欣，于洪.智能科學與技術專業的“認知科學基礎”課程建設探析［J］.教育教學論壇，2020（15）：84-85.

［2］陳義明，劉桂波，張林峰，等.智能科學與技術專業課程體系建設的理論思考［J］.計算機教育，2020，309（9）：99-103.

［3］吳巖.建設中國“金課”［J］.中國大學教學，2018（12）：4-9.

［4］李倩，施瑞盟，李小明，等.新工科背景下專業課程考核的改革與實踐［J］.教育教學論壇，2022（34）：61-64.

［5］宮曉虹，戴雙月.人工智能時代高校思政課教學困境及其對策［J］.湖北理工學院學報（人文社會科學版），2022，39（6）：53-60.

Research and Practice of “Foundation of Cognitive Science” offline “Gold Class” Construction

LIU Ke， WANG Ye， YU Hong

（College of Computer Science and Technology， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： Cognitive science is the biological basis of intelligence science and technology， and a discipline that studies human perception and cognitive information processing. According to the basic requirements of “gold class” construction under the background of new engineering， and in combination with the characteristics and status of “cognitive science foundation” course in intelligence science and technology specialty， we carried out? the offline “gold class” construction of “Foundation of Cognitive Science”. In view of the problems of single teaching means， the gap between teaching content and multidisciplinary integration， and the single assessment method， this paper puts forward effective methods to build “Foundation of Cognitive Science” offline “gold class” from the aspects of clear teaching objectives， updating teaching content， curriculum ideology and politics， enriching teaching methods， and diversifying assessment methods. These methods effectively improve the teaching effect of “Foundation of Cognitive Science” .

Key words： intelligent science and technology specialty; Foundation of Cognitive Science; offline “Gold class” construction