摘要:脑机接口涉及心理学、医学、神经科学、语言学、材料科学、人工智能等多学科的交叉融合,旨在让人脑与外部设备之间创建直接连接从而实现信息交换。文章探讨在中学开设脑机接口课程的教学目的和要求、课程结构和内容、多元评价量规等方面的内容,并以第一课时“脑机接口原理”为例呈现如何在课程教学活动中提升学生核心素养。
关键词:脑机接口,跨学科,课程设计
脑机接口(Brain Computer Interface,简称“BCI”)是多学科相互交叉融合的领域,是在大脑和外界(计算机或其他外部装置)之间建立信息输出通路的通讯和控制技术。临床上可用于神经康复治疗、提升专注力,工程上可用于无人脑控技术、脑控游戏等。
一、教学目的和要求
通过脑机接口课程的开设,让学生了解脑机接口的基本构成和功能,掌握神经信息编解码的基本方法及其应用,包括脑神经活动信息的获取和采集、神经反馈、基于脑机接口的机器人控制等内容,培养学生的生命观念和信息意识。
通过系统搭建、数据采集、数据分析及实验研讨,使相关领域的学生深入掌握脑机接口技术的科研动向,对脑机接口在不同领域的应用有初步了解,培养学生计算思维、科学探究精神。
二、课程的学习对象
本课程教学对象为普通中学七年级学生。从知识储备来看,学生对于探究本课内容有一定基础,对于人工智能、脑科学存在一定的认识。
从生活经验来看,学生在日常生活中有一定的人工智能产品使用体验,具备相应的感性认识,学生对于人工智能应用有着较高的体验热情,在体验中学习相关知识的积极性高。从思维特点来看,七年级学生的思维正处于由形象思维向抽象思维过渡的阶段,机械手采取图形化编程正顺应形象思维,硬件搭建和算法设计编程实现也是锻炼学生思维的过程。
本课程为校本课程,在每周四选修课第九、第十课时开设。
三、课程结构和内容
脑机接口是非常前沿的研究领域,涉及心理学、医学、神经科学、语言学、材料科学和人工智能等多学科的交叉。
课程开设既要体现国际前沿的研究成果,又要用中学生能听得懂的语言讲授,对课程提出了很高的要求。教师精心设计了课程结构,课程主要以“深度学习”教学实践模型2.0为教学设计与实现的理论基础(见图1)。
深度学习是在教师引导下,基于素养导向的学习目标,学生围绕引领性的学习主题积极主动地思考探究,获得发展的有意义的学习过程。在这个过程中,学生掌握学科的核心知识,理解学习的过程,把握学科的本质,形成高阶思维。从“原理→应用→实践→展望”四个模块(见图2),既有教师讲述前沿内容,也有学生自己动手实践环节,让学生在真实情境下了解脑机接口,亲身体验,积极运用数字化学习与创新工具,培养学生解决真实问题的能力。
具体来说,四个模块共8课时(见表1)。其中,第1课时为脑机接口原理,主要介绍什么是脑机接口,脑机接口的分类,让学生通过体验“机械手搬动能量块”对脑机接口形成初步认识;第2~3课时为脑机接口在生活中的应用,给学生通过观看视频、案例分析等形式介绍脑机接口在医学修复、注意力提升、记忆增强、脑脑交互等方面的应用,让学生对脑机接口产生兴趣;第4~7课时为具体实践操作环节,让学生自行搭建机械手的硬件,并通过算法设计和编程实现机械手搬运能量块,体现专注力大小的问题,体验求解问题的一般过程;最后1课时为对脑机接口未来的探讨,主要是针对脑机接口的伦理安全、人机融合、人机边界等让学生进行思考,培养学生的社会责任感。
四、以“脑机接口原理”为例,落实跨学科核心素养
学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。信息科技学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成,生物学科核心素养包括生命观念、科学思维、探究实践和态度责任(见图3)。
以第一小节“脑机接口原理”为例。教师发现本节课涉及的学科在核心素养要求方面的共性和交叉点,并基于此确定跨学科主题学习目标,构建跨学科的知识体系,介绍教学活动的实施情况,呈现如何在课程中落实跨学科核心素养,培养学生批判性思维。本节课通过播放双手残疾的运动员依靠智能仿生手正常生活的视频,引导学生归纳脑机接口的概念,形成对脑机接口的初步认识。教师给学生介绍脑机接口的三种实现方式,并通过实际体验头环、机械手的使用,体会脑机接口的获取信息方式,对脑机接口有直观的认识(见表2)。
五、课程评价量规
教师设计课程评价量规,将持续性评价融入整个教学过程中(见表3),促进学生深度学习。师生、生生的互动讨论,课堂的小组讨论,小辩手的发言,学生的交流展示,都是学习评价的一部分。
课程从“原理→应用→实践→展望”四个模块出发,为学生介绍脑机接口的底层逻辑,并让学生了解在医学修复、注意力提升、记忆增强和脑脑交互等方面的应用。
通过学生的自我动手实践,包括搭建机械手、算法设计、编程实现等,让学生对脑机接口有了更进一步认识,培养了学生发现问题、解决问题的能力。
参考文献
[1]义务教育信息科技课程标准(2022年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2022:4-5.
[2]普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)[M].北京:人民教育出版社,2022:4-5.
[3]田银,赵德春,等.如何在研究生教育中设置脑机接口课程[J].科技视界,2016(23):25-25.
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