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。
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