日前，由華為登記的“控制刺激器的方法、刺激器、腦機接口系統(tǒng)和芯片于國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站更新。早在去年6月，華為就曾公布一項技術(shù)專利。今年9月，華為與中軟國際教育、浙江強腦共同簽署實訓中心合作協(xié)議，在培育腦機人才和科研領(lǐng)域展開全面合作。

作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表性領(lǐng)域之一，腦機接口是生命科學和信息技術(shù)深度交叉融合的前沿新興技術(shù)，也是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。作為前置技術(shù)，人們必須對復雜的神經(jīng)系統(tǒng)開展研究，探索生物電信號的奧秘。

然而生物神經(jīng)結(jié)構(gòu)及其信號極為復雜，傳統(tǒng)的教學模式在相關(guān)專業(yè)課程教授方面顯得捉襟見肘。虛擬仿真技術(shù)的引入，有望改變目前專業(yè)中受制于教學瓶頸的境況。

背景與痛點

神經(jīng)產(chǎn)生的電信號本身具有普遍性，動作電位是組成電信號的基本通用單元，在不同動物之間具有高度的相似性。電信號的傳遞又具有特殊性，大腦通過神經(jīng)元龐大的數(shù)量與其形態(tài)與連接的多樣性，對電信號進行反復的編碼與加工，從而賦予其不同的生理意義，而人類大腦是最為復雜的結(jié)構(gòu)之一。這些微觀且復雜的機理往往難以直觀呈現(xiàn)。

生物實驗首先需要投入大量的設(shè)備與材料，具有一定成本門檻。與此同時，其具有物理、化學實驗不具備的特殊性，其對操作條件的要求往往更高，任意變量的細微差別都可能導致實驗結(jié)果截然相反。并且生物實驗往往涉及倫理問題，具有不可逆轉(zhuǎn)的風險性。

解決方案：設(shè)計原則與思路

恒點與南京航空航天大學開展校企合作，創(chuàng)新地將虛擬仿真技術(shù)用于相關(guān)教學，共同開發(fā)腦神經(jīng)元網(wǎng)絡電信號微電極采集與分析虛擬仿真實驗。

本實驗課程充分考慮學生認知特點，分為循序漸進的三個實驗環(huán)節(jié)，實現(xiàn)細胞培養(yǎng)環(huán)境和儀器的認知、神經(jīng)元放電信號的采集、分析和分類。同時，每一個實驗環(huán)節(jié)同樣遵循“循序漸進式”的設(shè)計思想。

實驗各個環(huán)節(jié)都有明確的操作提示、結(jié)果解釋、錯誤分析等交互式模塊，每個學生的學習場景都是不一樣的。學生可以根據(jù)自己前期對知識點的掌握情況，選擇相應模塊進行反復、重點練習，提高學生對知識點的掌握。

根據(jù)本科生的知識能力，實驗將科研內(nèi)容和數(shù)據(jù)進行細化和分解，使其能夠在教學中實施、便于學生學習掌握。以真實的案例加深學生對于學習知識點的興趣，并有效的促進學生動手能力的提升。

解決方案：設(shè)計亮點

實驗通過循序漸進的課程設(shè)置，合理化教學難度；交互式實驗操作，培養(yǎng)學生的實操與探究能力，彌補傳統(tǒng)教學的不足。實驗開展過程中，校方還可以通過多種教學方法優(yōu)化教學效果。

① 以興趣為牽引的課程思政教學法

本實驗以國家腦科學研究重大需求、南航腦機接口特色發(fā)展和人才培養(yǎng)三個維度出發(fā)，將實驗、教學與思政融通，激發(fā)學生的興趣和使命擔當。實現(xiàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識的獲取、實驗技能的掌握，培養(yǎng)學生報國奮斗的思想和良好的科學素養(yǎng)。

②以學生為主體的容錯探究式教學方法

本實驗具有大量的容錯實驗路線，突出以學生為主體，以能力培養(yǎng)為核心。學生在不同的操作流程及參數(shù)設(shè)置下均可以進行仿真實驗操作，并對應不同的實驗結(jié)果，從而實現(xiàn)探究性的實驗流程。

③ 以任務為主線的驅(qū)動式教學法

本實驗內(nèi)容可以分解為若干子環(huán)節(jié)，明確任務目標，以有效完成任務為考核目的的實驗教學方法。本實驗在教學上可以實現(xiàn) “以任務為主線，以教師為主導，以學生為主體”。

值得一提的是，為了突破應試教育的固有缺陷，試驗系統(tǒng)還內(nèi)置全新的考評系統(tǒng)，“客觀化”全程評價學生實驗操作、“多元化”評價學生綜合能力。本實驗可以全程記錄學生的實驗操作過程和各個環(huán)節(jié)結(jié)果，從而可以根據(jù)核心環(huán)節(jié)的操作過程，動態(tài)評價學生對知識點的掌握情況。讓教師從知識點掌握、試錯過程、實驗報告等方面對學生的學習能力進行全面評估。

結(jié)語

立足當下，打好基礎(chǔ)。人才是新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的第一要素，人才的培養(yǎng)是腦機開發(fā)的第一步。利用虛擬仿真技術(shù)開展神經(jīng)科學人才培養(yǎng)，進而反哺相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的題中之義。