“认知科学基础”线下“金课”建设研究与实践

刘柯　王烨　于洪

［摘 要］ 认知科学是智能科学与技术的生物基础，是一门研究人类感知和认知信息处理过程的学科。根据新工科背景下“金课”建设的基本要求，结合“认知科学基础”课程在智能科学与技术专业中的特征和地位，进行“认知科学基础”线下“金课”建设。针对课程教学手段单一、教学内容与多学科融合有差距、考核方式单一等问题，从明确教学目标、更新教学内容、课程思政育人、丰富教学方法、多样化考核方式等方面提出了建设“认知科学基础”线下“金课”的有效方法，并有效改善了“认知科学基础”课程的教学效果。

［关键词］ 智能科学与技术专业；认知科学基础；线下“金课”建设

［基金项目］ 2021年度重庆邮电大学秋季学期线下金课建设项目“认知科学基础”（XJKXX2021-20）；2019年度国家级一流本科专业建设点“智能科学与技术”（教高厅函〔2019〕46号）；2020年度重庆市高等教育教学改革研究项目“工程教育认证背景下的智能产业创新型人才培养模式改革研究与实践”（203395）

［作者简介］ 刘 柯（1989—），男，四川南充人，博士，重庆邮电大学计算机科学与技术学院副教授，主要从事脑信号分析和脑机接口系统研究；王 烨（1988—），男，重庆人，博士，重庆邮电大学计算机科学与技术学院讲师，主要从事自然语言处理和机器学习研究；于 洪（1972—），女，重庆人，博士，重庆邮电大学计算机科学与技术学院教授，主要从事智能信息处理及数据挖掘研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0081-04［收稿日期］ 2023-02-06

“认知科学基础”一直是重庆邮电大学智能科学与技术专业的核心课程，其目标是衔接智能科学与技术的先行课程和后修课程，注重神经信息处理、神经信息通路、模型以及认知启发的智能计算模型，为智能设计、人工智能带来了启示［1-2］。通过对本课程的学习，学生可以理解人类如何通过脑与神经系统对外界信息进行感知、编码和处理，掌握认知科学的基本概念、基本理论和科学研究方法，促进学生对认知科学的脑功能与结构以及系统构成、认知现象、认知模型的理解，领悟脑科学、认知科学、人工智能及计算机和信息科学等多学科领域交叉的特点，形成较为全面系统的知识框架。结合脑认知基础相关教学内容，通过课堂教学、项目大作业、课堂讨论等教学组织形式，培养学生的创新意识、辩证思维和法律意识，分析与解决復杂工程问题的能力，以及求真务实的专业精神、踏实严谨的科学素养和理论联系实际的能力。

针对智能科学与技术专业“认知科学基础”课程教学设计不够合理、教学手段单一、教学内容与多学科融合有差距、考核方式单一等问题，笔者对新工科建设背景下线下“金课”的建设和实施，以及使课程具有创新性、高阶性和挑战性［3］进行了初步探索。

一、线下“金课”建设需要解决的问题

（一）以学生为中心的教学理念知易行难

目前，教学中仍是以教师为主体，学生被动听课学习。由于“认知科学基础”课程涉及脑科学、认知科学、人工智能、计算机和信息科学等多学科知识点，容易使学生感到枯燥、缺乏代入感，导致其听课意愿不足，教学成果不佳。从教学效果反馈来看，学生对“认知科学基础”缺乏兴趣和热情。教师在课堂中一般采用电子课件，因此使得学生对课堂内容记忆不深刻。此外，学生对该门课程的认识不够，不知道课程所学内容如何应用、课程对自己后续的发展有什么帮助，从而使学生产生了抵触情绪。践行工程教育专业认证标准，需要改变以往以教师为中心的教学理念，而转向以学生为中心。传统教学以“说教式”教学为主，过分强调了教师的主导作用，学生只是被动接受，主要是以“灌输式”为主。而工程认证则是以学生为中心，传统的教学模式无法满足工程认证的需求，也无法充分发挥学生的积极性和主观能动性，工程认证能够完全调动学生的内驱力，真正达到学习的目的。

（二）教学内容多，课程难度大

“认知科学基础”课程利用神经科学和信息科学等跨学科知识，理解认知科学，目标是学习利用先进技术和工具，在细胞、系统、全脑等不同层次上理解认知科学的基本概念和现象，分析、处理、整合、建模、仿真与虚拟脑认知。“认知科学基础”课程的基本内容包括脑与神经系统的基本构造、工作原理和基本研究手段，脑与学习、意识、行为的关系，感知、注意、记忆的生物和生理学本质，实现人工神经网络、听觉计算、视觉计算、脑机接口、认知机器人等部分。在课堂讲授中，教师一般只讲授必学单元的基本知识点。由于内容多、学时少，对于智能科学与技术应用方面的知识点讲解时间较少。

（三）考核方式单一

许多课程通常将期末卷面考试成绩作为考核学生学习效果的唯一标准。在实际教学中发现，这种单一的考核方式无法体现课程特色［4］。部分学生平时很少复习理论知识，期末突击应付考试、课后题相互抄袭现象时有发生。因此，单一的期末卷面成绩难以反映学生的学习效果，授课教师也无法从学生学习成绩中得到有效反馈，无法充分发挥以考促学、以考促建的目的，难以有效提高教学质量、加强课程建设。

二、“金课”建设方案

（一）明确教学目标

“认知科学基础”课程力求使学生能够掌握扎实的专业核心知识，了解认知科学前沿发展现状和趋势，培养对新知识、新技术较敏锐的洞察力，同时使学生具有数据分析与处理能力，具有自主学习和终身学习的意识。学生具备文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本能力。课程目标对应的学生知识和能力要求如下。

课程目标1：能够描述并分享脑科学与认知科学的发展及各个心理学派的构成；能够分析感觉与知觉的关系和区别；能够通过课后文献检索和文献阅读，分析注意与意识及其神经机制；能够认识人类思维与表征的认知科学原理。

课程目标2：能够构建从神经元到神经系统的概念架构；能够描述并分析感觉和运动系统及常见认知障碍，并利用脑节律和最新的智能科学技术与认知科学原理针对部分脑功能障碍康复设计方案。

课程目标3：能够认识学习的原理和情绪及其调控机制；能够利用记忆的认知性质，比较长期记忆和短期记忆；能够根据心理语言学原理，描述人类语言的发展和形成过程；能够对脑功能信号进行分析，并根据认知科学原理对结果进行解释。

课程目标4：能够分析脑机接口系统的基本原理和方法，并利用信号和数据处理方法对BCI系统进行解码分析；能够通过文献查阅，描述并分析脑机接口系统项目中涉及的数据管理和分析方法。

（二）选择合适教材，持续更新教学内容

课程组以往使用的教材以心理学、认知科学、神经科学专业编写的《认知神经科学》和《认知心理学》为主。虽然该类教材对人脑生理结构、脑功能障碍、认知心理学讲解得比较详细，但无法完全匹配智能科学与技术专业的培养要求，学生也存在学习吃力、内容学不全的情况。当前，课程组教师在授课过程中选择高等学校智能科学与技术/人工智能专业系列规划教材《脑与认知科学基础》（清华大学出版社）作为授课教材。该书系统介绍了脑与认知科学基本概念、基本理论、脑与神经系统基本结构，外界信息感知、编码和处理，促进学生对脑认知中的脑功能结构与系统组成、认知现象、神经机理、认知模型的理解，使学生在脑科学、认知科学、人工智能、信息科学等领域形成较为全面、系统的知识框架。此外，结合课程组教师的科学研究，在此基础上补充脑认知启发的认知计算模型、脑功能信号分析与处理、脑机接口等教学内容，促进学生结合认知科学基本理论和智能信息处理技术，实现对脑功能信号的分析。经过课程组不断探索和更新，目前“认知科学基础”的主要教学内容如表1所示。

（三）课程思政育人

结合课程教学内容，通过课堂教学、项目作业等教学组织形式，在培养学生的创新意识和分析与解决复杂工程问题能力的同时，培养学生的辩证思维和法律意识，以及求真务实的专业精神、踏实严谨的科学素养和理论联系实际的能力，引导学生认识到新一代信息技术变革带来的机遇与挑战，爱党爱国，自觉践行社会主义核心价值观，坚定理想信念，勇担时代使命［5］。

在授课过程中，以问题为引导，融入工匠精神和踏实、严谨的科学素养，让学生先动脑思考，再由浅入深地理解知识，实施启发式教学。如学习《注意与意识》章节时，先给学生介绍“鸡尾酒会问题”，引导学生思考：“鸡尾酒会问题”体现了认知过程的哪个环节？注意的“选择性”又暗示了什么？然后从注意的早选择、衰减理论、晚选择、多阶段选择和资源有限理论解释注意的认知机理，在此基础上进一步比较知觉组织的局部优先和整体优先理论，并介绍相关的注意功能障碍，如偏侧空间失调、巴林特综合征等，最后讨论受注意认知过程启发的注意力机制在深度神经网络中的应用，加深学生对知识的理解程度。通过这一教学过程，培养学生实事求是、求真务实的专业素养。

（四）丰富教学方法，提高学生参与的积极性

精练课堂教学，合理利用线上教学资源。围绕“认知科学基础”课程目标，精心选择教学内容。充分利用课堂教学学时，精讲课程核心内容，使学生掌握脑与神经系统构建，认知信息感知、编码、处理的基本理论和基本技术。同时，利用在线视频资源，如“打开思想的大门”，国内外知名高校（如中山大学、美国加州大学洛杉矶分校等）关于脑认知的视频公开课，以及本实验室设计的脑机接口系统演示視频等。通过让学生在课后学习这些在线视频，激发学生的学习兴趣，拓宽知识视野。

强化实践教学，组织课堂讨论。课程中设置了项目大作业，主要内容是通过学生自由组队，以小组合作的方式，利用机器学习算法和人脑情感认知机理，对脑电情绪数据进行解码分析。最后通过课堂讨论，每个小组在课堂上现场演示答辩，教师和其余学生就该小组大作业的结果及存在的问题进行讨论。通过小组大作业报告和课堂现场答辩，评价该环节中学生的成绩。该实践和课堂讨论环节有效培养了学生的工程意识、创新思维、动手能力和团队合作精神，使学生更好地理解了先修课程和本门课程的知识能够用在哪些环节，认识到了知识积累和创新的重要性。

（五）多样化考核方式

“认知科学基础”课程的考试需要学生理解和掌握本课程所讲的概念、原理和方法，了解认知科学中的相关知识以及在现实生活中的应用，系统掌握人工大脑、认知计算的相关理论和方法。学会用脑科学、认知科学、心理学以及计算机科学的交叉领域知识解决实际问题，提高学生分析问题和解决问题的能力。

本课程成绩由平时成绩、项目大作业成绩和期末考试成绩组成，采用百分计分制。各部分所占比例如下：平时成绩占30%（其中，平时作业占24%、课堂表现占6%），项目大作业成绩占10%（其中，大作业报告占7%、课堂答辩占3%），期末考试成绩占60%。在项目大作业现场答辩和讨论中，为提高学生的参与积极性，课堂答辩分数的50%由教师打分，剩余的50%取自其他小组学生互评成绩的平均分。

结语

认知科学是计算机科学与技术、人工智能领域的重要研究方向。课程组根据“金课”建设的标准，对课程的教学内容、教学方式进行了设计和优化，更加注重以学生为中心、以成果为导向，适应新工科建设背景下培养学生解决复杂工程问题的能力及创新能力的要求。从评教数据可以看出，学生对授课教师的教学态度、教学内容和教学方式等方面均有很高的认可度。同时，学生的知识综合运用和创新能力均得到了提高。多名学生根据课程教学内容，依托实验室，申请并立项了国家级创新创业训练等本科生科研训练项目。部分学生也在项目大作业的基础上进一步拓展，作为本科毕业设计的选题。

参考文献

［1］刘柯，邓欣，于洪.智能科学与技术专业的“认知科学基础”课程建设探析［J］.教育教学论坛，2020（15）：84-85.

［2］陳义明，刘桂波，张林峰，等.智能科学与技术专业课程体系建设的理论思考［J］.计算机教育，2020，309（9）：99-103.

［3］吴岩.建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：4-9.

［4］李倩，施瑞盟，李小明，等.新工科背景下专业课程考核的改革与实践［J］.教育教学论坛，2022（34）：61-64.

［5］宫晓虹，戴双月.人工智能时代高校思政课教学困境及其对策［J］.湖北理工学院学报（人文社会科学版），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