《脑与认知科学》教学大纲

《脑与认知科学基础》教学大纲课程编号学时/学分24/1.5开课单位信息科学技术学院、人工智能学院考核方式考试适用专业智能科学与技术、人工智能执笔者编写日期、课程说明脑与认知科学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、信息科学、人类学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果，是一门以脑科学为核心的多学科交叉的研究型课程。本课程针对计算机类、信息类、控制类学科门类下智能类专业开设的《脑与认知科学基础》，利用神经科学和信息科学等跨学科知识，理解脑与认知，目标是学习利用先进技术和工具，从量子、分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次上理解脑与认知的基本概念和现象，分析、处理、整合、建模、仿真与虚拟脑与认知。通过对这本课程的学习，学生可以理解人类如何通过脑与神经系统认知周围的世界、理解来自外界和自身的信息是如何在脑和神经系统中被处理的，掌握脑与认知科学的基本概念、基本理论、科学研究方法，促进学生对脑与认知的脑功能与结构以及系统构成、认知现象、神经机理、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，对已有成果展开分析与讨论，给智能设计、计算模式与方法及其实践带来新的启示，为进一步学习后续专业课程打下良好的基础。二、课程目标知识目标课程目标1：学习脑与认知科学基础知识和基本理论知识，掌握大脑与神经元的结构、特性等基本知识，了解各种认知心理特质（感觉、知觉、运动、控制、学习、记忆、睡梦、成瘾、语言、情绪、社会认知、脑神经可塑性）的脑神经原理，具备调研、分析和判断各种脑与认知现象的脑神经原理与框架的知识储备；课程目标2：掌握大脑与神经系统的组成要素与基本功能，了解脑与认知科学的研究现状和发展趋势，具备对已有成果展开分析与讨论并能针对存在问题提出前瞻性解决方案的知识储备；课程目标3：掌握脑与认知科学研究中所使用的基本技术（脑功能成像、电生理、心理测评）的原理与方法，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，培养学生追求创新的态度和意识；能力目标课程目标4：在掌握基础知识的基础上，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；

课程目标5：培养学生的脑与认知科学数据分析处理能，使学生掌握脑与认知科学行为实验的设计方法，掌握各种脑功能成像实验（fMRI、EEG、ERP、PET、ECT）的设计、执行与数据分析方法，具有独立进行行为、脑成像和神经生理实验的能力；课程目标6：培养学生的脑与认知科学实践研究能力，使学生掌握脑与认知相关联的脑机接口、智能系统、类脑系统设计方法，特别是学习非侵入式脑信号提取方法，通过硬件、软件设计，尝试实践意识控制、自主无人系统的能力。三、课程对毕业要求的支撑关系序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容对应课程目标1毕业要求1-1能够用脑与认知科学知识解决智能科学与技术领域复杂工程问题，通过正确的理解、建模、推演求解、比较分析等寻找解决方案；1，2，3，52毕业要求2-2能够基于计算机科学、智能科学原理，建立数学模型正确表达复杂脑与认知科学与技术问题；3，4，5，63毕业要求3-1能够根据需要进行人工智能系统的全周期全流程设计，了解技术方案和各种因素对目标产品性能、质量的影响并加以控制；2，4，64毕业要求4-4能对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论；3,5，65毕业要求5-2能够选择和使用恰当的信息资源对复杂脑认知科学与技术问题进行分析；2，3，4，56毕业要求12-2具备自主学习能力与工程思维能力，能够在学习中发现和提出问题并对所学知识进行恰当合理的归纳总结，能够理解所面临的各类技术问题；3，4，5，6序号教学内容教学要求总学时数24对应课程目标讲课实验实践上机1一、认知与计算.脑与认知科学的基本概念.大脑与神经元的基本结构和功能.认知计算及其框架.人类脑计划1,掌握脑与认知科学的基本概念2,掌握大脑的基本结构和功能.理解认知计算及其框架,了解人类脑计划21，22二、方法与技术.认知心理学与心理测评.认知计算与建模3,脑功能成像1,掌握认知心理学、认知建模、微电极技术、脑功能成像、机器学习相应技术的原理与方法。2.理解认知计算与神经网络、脑科学研究23，44.电生理学层次与相关技术3.理解fMRI、EEG、PET等脑功能成像技术的原理、特点及应用；3三、神经与信息.神经元及其信息编解码.神经信息传播机制.人工神经元4,深度学习系统1,掌握神经信息的产生和传播机制2•理解大脑皮层的精细结构3.理解人工神经元与人脑神经元的差异4•理解深度学习系统与人脑神经系统层级关系；21，2，4，64四、视觉与计算.视觉通路和基本要素.物体识别与运动视觉.视觉法则4,计算机视觉设计1,掌握视觉相关的三条神经通路2,掌握视觉信息的要素及脑内处理机制3,理解立体视觉、视知觉的完形法则、视觉恒常性、运动视觉的现象4,了解人工视网膜、计算机视觉的基本案例;1，2，4，65五、感觉与知觉1.听觉与平衡觉2,触觉与痛觉3.味觉与嗅觉4,直觉与联觉5.运动与控制1,掌握听觉、触觉、味觉和嗅觉的神经通路2.理解感觉器官的结构及感觉形成的原理、影响各种感知觉的要素、联觉的分类及影响因素；了解人工耳蜗等人工系统构建了解运动与控制层级性和框架21，2，3，46六、注意与意识.注意与分辨.注意网络.注意脑机理.思维与意识1,了解注意、分辨、变化视盲基本概念和现象2,掌握注意网络、心理模型、信息加工,了解注意的脑机理以及睡眠与梦.理解思维与意识的形成以及快慢竞争性21，2，4，67七、学习与记忆.学习与记忆的基本概念.记忆的脑神经基础.学习与记忆的细胞分子机制,了解迁移学习与贝叶斯推理1.掌握学习与记忆的概念、记忆的步骤、分类及各类特点，各类记忆的脑神经基础；2,掌握工作记忆模型；.理解短期和长期记忆形成的神经生物学基础和基本案例；.掌握迁移学习与贝叶斯推理系统构建21，2，4，68八、沟通与语言1,沟通、语言与演化.语言、语言障碍与大脑.语言理论4,脑电到语言转译.自然语言处理1.掌握人类语言的演化与起源、语言功能的塑成机制、大脑语言中枢与失语症；2.理解心理词典、语言输入的知觉分析、单词识另人句子中单词整合模型；了解语言功能与左脑功能的关系了解脑电到语言转译基本思路，以及自然语言处理方法21，2，3，49九、情感与计算1.大脑额叶子区域及功能2,前额叶与记忆和目标导向行为3.情绪的认知神经科学4,情绪加工的神经系统与计算1,掌握大脑前额叶的分区及功能、前额叶损伤的认知缺陷、情绪的基本成分及对应脑机制、恐惧情绪反应的神经通路；2,理解情绪理论的发展历程、盲视、恐惧记忆的形成与消退（创伤后压力失调）、情绪与决策；3,了解社会情绪与情绪的调节策略4,理解情感通路对强化学习、对抗网络启示21，2，3，610十、发育与可塑1.大脑的发育2,认知功能的发展与神经可塑性.大脑整体性与脑功能网络.人工神经网络架构搜索.掌握大脑发育历程、大脑发育与认知发展、神经可塑性、大脑老化与退化的特点；.了解性本善与本恶的相关研究，了解视觉和听觉的大脑适应力；3,理解脑功能分区与整体性功能网络的构建和分析方法4,理解脑网络可塑性与人工深度网络架构搜索21，2，3，411十一、社会与创造.选择与决策.同理心与社会认知3,人类智力的起源与演化4,智力进化与提升创造力.掌握选择的多寡与心境状态的关系、做正确决策的要素、经济决策的偏误、道德两难决策与道德推理、生物间的合作机制2.理解卡尼曼的决策理论，理性、情绪与决策，同理心与社会认知，同理心与公平感；3,掌握智力与创造力的概念、人类智力的起源与进化、弗林效应、提升创造力策略；.理解动物的智力水平、人类智力与动物智力的区别、人类智力的极限、专家智力的形成策略；21，2，3，412十二、人工与系统.人工智能与类脑系统.脑科学与机器智能.脑启发式系统与伦理法律1,掌握脑机界面的原理与研究进展、典型应用；2,理解自主意识建模方法及其自主无人系统、仿真机器人；了解智能系统复杂性与简约性关系了解脑部植入术、脑结构和功能异常、智能善用与犯罪；63，4，5，6合计24无六、教学方法以课堂教学为主，辅以适当的课堂提问、讨论来强化学生对脑与认知科学主要概念、基本原理、实验方法的理解与认识；以脑与认知科学实验案例分析使学生充分认识到脑与认知科学对科学、经济和社会等方面的作用与意义；以课后扩展阅读结合文献综述的方式拓宽课程内涵，通过上述教学活动来实现学生理论联系实际解决复杂科学问题能力的培养。七、考核及成绩评定方式考试成绩由平时成绩和期末成绩两部分构成。平时成绩占总成绩的30%，期末成绩占总成绩的70%。平时成绩由课堂表现、出勤、课后作业成绩按相应的比例折算并相加后得出（具体评分标准见下表）。期末成绩由期末考试卷面（满分100分）成绩折算得出。考核方式及成绩占比为：序号成绩构成考核方式占比1平时成绩课堂表现10%2课堂测试3课后作业20%4实验（实践）5上机6研究报告7文献综述8期末成绩课程论文9期末考试70%合计100%评价标准：1.课堂表现课堂表现可通过回答问题、分组讨论、演讲汇报等方式进行考核，按照百分制评分，总评后按照10%进行折算。评分标准为：观测点评分80-100分60-79分40-59分1-39分0分回答问题、参与讨论或汇报情况（权重0.4）积极主动回答问题、参与讨论或做汇报能够被动回答问题、参与讨论或做汇报勉强能回答问题、参与讨论或做汇报不能正常地回答问题、参与讨论或做汇报不能回答问题、参与讨论或做汇报资料查阅、知识运用情况（权重0.3）熟练查阅全部资料、运用相关知识基本做到资料的查阅、知识的运用能做到部分资料的查阅、部分知识的运用不能做到资料的查阅、知识的运用观点和想法的表达（权重0.3）观点和想法清晰、合理，逻辑性好观点和想法比较明确，具有一定的合理性、逻辑性观点和想法比较明确，但合理性、逻辑性不足没有明确的观点和想法2、课后作业课后作业按照百分制评分，然后按照20%进行折算。评分标准为：观测点评分80-100分60-79分40-59分1-39分0分作业完成进度（权重0.3）提前完成按时完成延时完成后期补交未提交基本概念掌握程度（权重0.2）概念清晰，分析得当主要概念清晰，但部分分析有误部分概念清晰，分析中有明显的知识漏洞基本概念不清晰解决问题的方案正确性（权重0.4）所提