案例分享|脑神经元网络电信号微电极采集与分析虚拟仿真实验

日前，由华为登记的“控制刺激器的方法、刺激器、脑机接口系统和芯片于国家知识产权局网站更新。早在去年6月，华为就曾公布一项技术专利。今年9月，华为与中软国际教育、浙江强脑共同签署实训中心合作协议，在培育脑机人才和科研领域展开全面合作。

作为新质生产力的代表性领域之一，脑机接口是生命科学和信息技术深度交叉融合的前沿新兴技术，也是未来产业发展的重要方向。作为前置技术，人们必须对复杂的神经系统开展研究，探索生物电信号的奥秘。

然而生物神经结构及其信号极为复杂，传统的教学模式在相关专业课程教授方面显得捉襟见肘。虚拟仿真技术的引入，有望改变目前专业中受制于教学瓶颈的境况。

背景与痛点

神经产生的电信号本身具有普遍性，动作电位是组成电信号的基本通用单元，在不同动物之间具有高度的相似性。电信号的传递又具有特殊性，大脑通过神经元庞大的数量与其形态与连接的多样性，对电信号进行反复的编码与加工，从而赋予其不同的生理意义，而人类大脑是最为复杂的结构之一。这些微观且复杂的机理往往难以直观呈现。

生物实验首先需要投入大量的设备与材料，具有一定成本门槛。与此同时，其具有物理、化学实验不具备的特殊性，其对操作条件的要求往往更高，任意变量的细微差别都可能导致实验结果截然相反。并且生物实验往往涉及伦理问题，具有不可逆转的风险性。

解决方案：设计原则与思路

恒点与南京航空航天大学开展校企合作，创新地将虚拟仿真技术用于相关教学，共同开发脑神经元网络电信号微电极采集与分析虚拟仿真实验。

本实验课程充分考虑学生认知特点，分为循序渐进的三个实验环节，实现细胞培养环境和仪器的认知、神经元放电信号的采集、分析和分类。同时，每一个实验环节同样遵循“循序渐进式”的设计思想。

实验各个环节都有明确的操作提示、结果解释、错误分析等交互式模块，每个学生的学习场景都是不一样的。学生可以根据自己前期对知识点的掌握情况，选择相应模块进行反复、重点练习，提高学生对知识点的掌握。

根据本科生的知识能力，实验将科研内容和数据进行细化和分解，使其能够在教学中实施、便于学生学习掌握。以真实的案例加深学生对于学习知识点的兴趣，并有效的促进学生动手能力的提升。

解决方案：设计亮点

实验通过循序渐进的课程设置，合理化教学难度；交互式实验操作，培养学生的实操与探究能力，弥补传统教学的不足。实验开展过程中，校方还可以通过多种教学方法优化教学效果。

① 以兴趣为牵引的课程思政教学法

本实验以国家脑科学研究重大需求、南航脑机接口特色发展和人才培养三个维度出发，将实验、教学与思政融通，激发学生的兴趣和使命担当。实现相关基础知识的获取、实验技能的掌握，培养学生报国奋斗的思想和良好的科学素养。

②以学生为主体的容错探究式教学方法

本实验具有大量的容错实验路线，突出以学生为主体，以能力培养为核心。学生在不同的操作流程及参数设置下均可以进行仿真实验操作，并对应不同的实验结果，从而实现探究性的实验流程。

③ 以任务为主线的驱动式教学法

本实验内容可以分解为若干子环节，明确任务目标，以有效完成任务为考核目的的实验教学方法。本实验在教学上可以实现 “以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体”。

值得一提的是，为了突破应试教育的固有缺陷，试验系统还内置全新的考评系统，“客观化”全程评价学生实验操作、“多元化”评价学生综合能力。本实验可以全程记录学生的实验操作过程和各个环节结果，从而可以根据核心环节的操作过程，动态评价学生对知识点的掌握情况。让教师从知识点掌握、试错过程、实验报告等方面对学生的学习能力进行全面评估。

结语

立足当下，打好基础。人才是新质生产力发展的第一要素，人才的培养是脑机开发的第一步。利用虚拟仿真技术开展神经科学人才培养，进而反哺相关产业发展，实现新质生产力发展的题中之义。