《脑与认知科学概论》教材编写体会

　　摘要：脑与认知科学是智能科学与技术本科专业的核心课程之一，针对本课程的教材建设是支持该核心课程建设的重要内容。但至今为止还没有系统的综述脑与认知科学的配套教材基于此，作者编写了《脑与认知科学概论》一书，弥补了教材的空缺。本文总结编写该教材的心得体会，分享教材编写经验。
　　关键词：脑与认知科学；教材编写；智能科学与技术；脑科学；认知科学
　　
　　脑与认知科学(Brain and Cognitive Sciences)作为最具挑战性和最活跃的科学前沿之一，已成为全球性的研究热点。认识大脑从而认识人类自身是摆在各国科学家面前的首要科学使命。美国、澳大利亚、加拿大、法国、德国等多国合作的国际人类前沿科学计划(Human Frontier Science Program)项目[1]将对人类认知的研究作为这一计划的重点内容；美国将1990-2000年命名为“脑的十年”计划[2]；欧洲于1991年开始实施“EC脑十年计划”；日本在1996年推出的“脑科学时代”计划；我国政府在《国家中长期科学和技术发展纲要(2006-2020年)》中，将“脑与认知科学”被列为我国基础研究中的重大科学前沿问题[3]，国家科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等机构也先后部署了脑与认知科学领域的科研项目，使脑科学与认知科学在中国得到了前所未有的重视。
　　自2003年北京大学在国内率先开设“智能科学与技术”本科专业以来，至今已经有北京科技大学、北京邮电大学、南开大学、西安电子科技大学、厦门大学、湖南大学等数十所高校经教育部批准设立智能科学与技术本科专业。“脑与认知科学”是智能科学与技术本科专业的核心课程之一，但至今为止都没有前例将脑科学和认知科学同时统一到一部教材中进行综合性地论述，作为合适的课程配套教材供教师和学生选用[4]。作者自2008年开始在北京科技大学讲授“脑与认知科学”课程，经过多年的教学，作者对脑与认知科学的知识进行了系统地梳理，形成一套较为完整的知识体系，最终形成《脑与认知科学概论》一书。
　　1教材编写构思
　　《脑与认知科学概论》将脑科学和认知科学作为同等的知识主体进行论述。其中，脑科学是研究人脑的结构与功能的综合性学科，它从分子水平、细胞水平、行为水平研究人脑智能机理，建立脑模型，揭示人脑的本质[5]。在教材中我们将脑科学描述为“智能科学与技术”的生物学基础。认知科学是研究人类感知、学习、记忆、思维、意识等人脑心智活动过程的科学，它探索人类的智力如何由物质产生和人脑信息处理的过程，包括从感觉的输入到复杂问题求解，从人类个体到人类社会的智能活动，以及人类智能和机器智能的性质[6]。在教材中，认知科学被描述为“智能科学与技术”的中间件，即从自然智能到机器智能之间的桥梁。
　　根据教学大纲的要求，并考虑到脑科学与认知科学二者之间的关系，我们将全书分为4篇，共8章，如图1所示。其中，第1篇为总论，即第1章绪论，整体论述脑科学与认知科学的研究意义、研究现状、研究内容、研究方法以及研究前景。
　　第2篇为脑科学，论述脑科学的基础知识、脑科学知识在现实中的应用，以及利用信息技术模拟人脑功能制造人工大脑。该篇共包含3章，其中，第2章脑科学基础知识，分析人脑的基本构造、左右脑的联系及协调工作机理、男性大脑与女性大脑的区别、大脑的工作原理、神经系统的基本构造，以及现阶段脑科学的基本研究手段；第3章脑科学知识的应用，从脑与学习、脑与意识及脑与行为三个角度论述了脑科学知识在生活中的应用，并介绍了大脑保养的科学方法，在第2章中学习到的脑科学基础知识应用到现实生活中指导人类大脑的科学开发与保养；第4章人工大脑，在第2章论述的脑科学知识的基础上，抽象并总结人工大脑的工作模型，并利用信息技术等手段模拟人脑功能实现人工大脑。
　　第3篇为认知科学，论述认知科学的知识科学、认知计算，以及智能认知系统。该篇共包含3章，其中第5章“认知科学基础知识”论述了感知、注意、记忆以及知识的构建与表征等基础知识；第6章认知计算，基于第5章，认为认知的本质就是计算，通过几种认知模型，使计算机模拟认知过程称为可能；第7章智能认知系统实例，论述了仿人机器人、无人驾驶汽车及认知计算机3个智能认知系统的实际应用，使读者可以更直观的体验到认知计算在现实生活中有哪些用武之地。
　　第4篇为实践，共1章即第8章实验，提供了5个实验，即大脑模型认知实验、核磁共振成像体验实验、脑波检测与信息处理体验实验、人工大脑简单记忆功能电路的设计与实现，以及智能车的设计与实现，可以作为第2、4、6、7章中相关内容的配套教学实验使用。其中大脑模型认知实验为课堂演示性实验，即教师通过相关教具、幻灯片等进行展示，使学生认识大脑的基本构造和工作原理等，配合第2章使用；“核磁共振成像体验实验”为体验性实验，即学生通过现场参观或实际操作的方式达到核磁共振成像的工作原理等目的，配合第2章使用；“脑波检测与信息处理体验实验”为体验性实验，即学生通过具体操作意念耳机产品实直观体验脑机接口技术在实际如何应用，配合第4章使用；“人工大脑简单记忆功能电路的设计与实现”为综合性实验，即学生通过设计并用电路实现人工大脑的简单记忆功能，配合第4章使用；“智能车的设计与实现”为综合性实验，即学生通过设计并实现一个简单的智能车，配合第6章和第7章使用。
　　2教材编写特色
　　教材系统地论述了脑科学、认知科学的基本概念和研究内容与研究方法，综合前人将脑与认知科学引入到信息科学领域的宝贵思想和最新研究成果。具体地，该教材具有如下特色：
　　1) 紧跟前沿，反映最新研究成果。
　　脑与认知科学是当前最具前沿的研究领域之一，教材紧跟时代前沿，汇聚国内外最新的研究成果，使读者能够掌握该领域的最新研究动态。
　　2) 体现学科交叉。
　　脑科学与认知科学是边缘性交叉学科，是心理学、神经科学、语言学、人类学、人工智能科学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果。教材选取各门学科相互交叉、联系的部分，科学地将这些知识进行融合。
　　3) 体系结构清晰，知识完整。
　　教材将脑科学与认知科学作为两个并列的知识主题，整合到一本书之中。教材分为4篇。第1篇对二者进行简明地综合性论述。第2、3篇依次单独论述脑科学、认知科学，且每篇中各章节都建立在之前章节基础之上，使得知识具备很好的衔接性，又有一定的跨越性。教材的实验全部放在最后，独立形成第4篇。
　　4) 强调实用性。
　　教材不是仅仅罗列脑科学与认知科学的基本知识，而是在此基础之上，将脑与认知科学的知识引入到我们的生活实践中，使读者能够科学用脑，理解生活中与此相关的某些现象，如做梦、植物人等。
　　5) 体现工程性，符合工科专业需求。
　　作为智能科学与技术本科专业的教材，该书汇总了常用的大脑工作模型、认知模型等数学模型，使得学生能够了解和掌握这些模型并根据模型动手开发智能系统。教材第4章人工大脑和第8章实验等章节对学生动手实践能力的提高将会有很好的帮助和促进作用。
　　6) 生动趣味，实例丰富。
　　为了吸引学生的兴趣，教材在每个章节根据知识点，特意穿插入生动的实例供学生阅读，增强了教材的趣味性。
　　7) 实验、习题齐全，方便教学。
　　教材在第8章安排5个实验，可供教师根据需要作为教学实验使用。教材在每章后都安排有丰富的课后习题，并配有详细解答，适合教师教学和学生学习。
　　
　　3教材编写手段
　　脑科学与认知科学作为交叉性和前沿性学科，对教材编写提出了较高的挑战。为了编好教材，作者在编写过程中采取了如下4种方法。
　　1) 组织编写团队。
　　作者在确定教材的体系结构安排之后，组织了一只编写团队，该团队包含教授、副教授、博士研究生、硕士研究生等。编写团队成员定期召开例会进行讨论。
　　2) 跟踪世界研究最前沿。
　　作者通过查阅大量的期刊和搜集网络信息，紧跟国内外相关研究机构的最新研究动态。除此之外，作者积极与国外知名研究机构进行学术交流，先后到加拿大多伦多大学、日本九州工业大学进行访问或访学，将国际最新研究动态带回国内，在该教材中与读者分享。
　　3) 广泛收集资料。
　　脑科学与认知科学是交叉性的学科，作者在教材编写过程中广泛占有心理学、神经科学、社会学、语言学等多门学科的资料和资源，吸取现有各种资料中的知识并对其进行归纳和梳理，最终形成该教材。
　　4) 听取本科生意见建议。
　　为了使该书适合作为智能科学与技术本科专业的教材使用，作者从2008年开始在本科教学过程中不断探索，并对教学讲义进行改进，到现在为止在课堂教学中学生反映良好。在本书完稿后，交由本科高年级学生进行试读，根据反馈结果进行数次改进，不断完善，最后学生评价普遍反映良好。
　　4教材使用方法
　　本书可作为智能科学与技术、计算机科学与技术、自动化等专业高年级本科生、研究生的专业课教材或参考用书。授课教师可以根据本校的教学技术，灵活调整授课学时。建议授课学时安排如下：
　　1) 针对智能科学与技术本科专业教学，要求学生学习本书所讲的全部内容，使其能够掌握脑科学与认知科学的基础知识，并能够使用相关技术手段实际动手设计和开发某些现实应用。可以安排32个学时(18个授课学时和14个实验学时)，学时建议分配如下：第1章为2个学时(授课2个学时)；第2章为6个学时(授课2个学时，2个实验各2个学时)；第3章为4个学时(授课4个学时)；第4章为10个学时(授课4个学时，2个实验分别2个学时、4个学时)；第5章为2个学时(授课2个学时)；第6章为8个学时(授课4个学时，1个实验4个学时)；第7章为2个学时(授课2个学时)。
　　2) 针对其他专业，如计算机科学与技术、电子科学与技术、控制科学与技术、物联网工程等专业的教学，要求学生了解脑与认知科学的基础知识，以及脑与认知科学相关的技术手段，重点掌握教材中与人工智能相关的知识点。可以从中选取16个学时进行讲授。
　　5结语
　　脑与认知科学在智能科学与技术专业课程中占有极其重要的地位，同时也是一门较难讲授的课程。作者在《脑与认知科学概论》教材的编写过程中，立足于科学前沿，体现了脑科学、心理学、认知科学、生理学及计算机科学与技术等诸多学科领域交叉的特点，在设计和构思上力争为读者提供全面、系统的知识框架。作者希望该教材能够弥补空缺，并为我国智能科学与技术本科专业的教育教学贡献微薄的力量。
　　
　　参考文献：
　　[1]Human Frontier Science Program Organization. HFSP:Strategic Outlook 2010-2016[EB/OL].[2011-03-17]. http://www.hfsp.org/sites/www.hfsp.org/files/webfm/Executive/HFSP Strategic outlook Final.pdf.
　　[2]GEORGE BUSH. Presidential Proclamation 6158 [EB/OL].[2011-01-17]. http://www.loc.gov/loc/brain/proclaim.html.
　　[3]中华人民共和国国务院. 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)[EB/OL]. [2011-02-10]. http://www.npc. gov.cn/npc/xinwen/szyw/zhbd/2006-02/10/content_344553.htm.
　　[4]