“認知增強意念小球”實驗

撰文｜李想俁?

在天津大學衛津路校區劉瑞恒樓的一間電子工程實驗室，18名學生正在軟件中繪制電路板圖紙，準備制作一套能夠同步采集腦電、心電和肌電信號的神經信號采集系統。這堂課的老師沒有站在講臺上講課，而是在實驗室里穿梭回答問題。

這些學生并非研究生，他們還在上大二。而這個場景，發生在天津大學2024級本科腦機班的項目課上。這個班，也被稱為中國腦機“黃埔一期”。

今年4月，天津大學獲得教育部批準，在全國設立首個腦機接口本科專業。而在此前的2024、2025年，該校已從數百名大一新生中招收42名進入生物醫學工程專業的腦機接口方向，即腦機班。

比“全國首個”更值得關注的，或許是一個連行業邊界都還在不斷擴展的新專業，究竟該怎樣培養本科生？

按照天津大學官網的說法，天津大學的前身北洋大學1895年10月建立，是“中國第一所現代大學”。其創辦者盛宣懷提出過一句后來被天大人反復提及的話：“自強首在儲才，儲才必先興學”。

在天津大學副校長明東看來，這12個字揭示了教育、科技與人才之間一體推進的邏輯關系：技術創新首先要儲備人才，而人才培養又離不開專業和學科建設。

“現在腦機接口真正缺的不是應用場景，也不是資金，而是供給側的成熟。腦機接口自強，首在儲才。腦機接口儲才，必先興學。”明東告訴《知識分子》，“供給側成熟包括技術鏈和人才鏈的成熟。技術鏈成熟高度依賴于人才，而人才培養又必須靠專業和學科建設來支撐。”

在他看來，天津大學設立腦機接口本科專業，是在回應一個當下已然出現的巨大人才缺口。

一個更大的問題被擺在這所中國最早的現代大學面前：當腦機接口等未來產業建立在多學科深度交叉基礎上時，過去以單一學科為邊界、按課程組織的人才培養模式是否仍然有效？

傳統的學科培養模式和學生就業壓力凸顯，疊加國家發展新質生產力等多元變化，正對工科教育提出新要求。近年來，多所高校相繼布局新工科建設。作為全國新工科建設工作組組長單位，天津大學也在尋找自己的答案。

從某種意義上講，全國首個腦機接口本科專業，也是關于未來工科教育的一次實驗。

從“先學后做”到“做中學”

過去數十年，中國工科教育大體遵循相似路徑，先學習基礎理論，再進入專業課程；先完成知識積累，再進入實踐環節。

但腦機接口的出現正在挑戰這種邏輯。這個領域既需要電子工程、計算機科學、人工智能等工科知識，也離不開神經科學、醫學。不同學科知識并非按照課程順序依次出現，而是在解決具體問題時同時發揮作用。明東將其概括為“新工科”與“新醫科”的典型交匯。

因此，天大腦機班從誕生之初就試圖打破傳統“先學后做”的培養路徑。“學中做，做中學。”這是該專業老師反復提及的一句話。

“項目課是以一個真問題的需求去學相關的知識，能讓學生知道某一知識點如何運用到實踐，這樣學生的學習體驗會更好、反饋也會更強。” 首屆腦機班班主任王坤告訴《知識分子》，腦機接口專業培養最鮮明的特點是貫穿四年的項目式培養體系。

大一下學期，學生便會接觸“認知增強意念小球”項目。這是一個最基礎的腦機接口系統。學生需要采集腦電信號，通過算法處理后控制風洞中的小球，使其穩定漂浮，誤差需控制在2厘米內。

到了大二，項目升級為“多模態神經信號采集系統”。學生需要自主設計電路，實現腦電、心電、肌電等多種信號的采集、同步傳輸和顯示。如今2024級腦機班的李同學正在進行這一階段的工作。“整個系統的電路都是我們自己設計的。”他說，“畫完板之后還要打板、焊接，再不斷調試。”

大三階段進入腦控機器人項目，大四則進一步接近真實產品開發、落地。項目由簡入繁，腦機控制維度越來越多，信號處理難度也越來越高。

《腦機接口導論》課，體驗腦機實驗

“做項目的難度還是挺大的。我們大一做認知增強小球，需要自己搭硬件。當時還完全沒有接觸模擬電路、數字通信、信號與系統、數字信號處理等課程，就直接上手做這個項目。做完之后，當我再去學這些知識，就覺得書本上哪些知識要在什么實際場景中應用非常一目了然。”

在王坤看來，這正是項目課程的價值所在，項目驅動能讓理論知識獲得明確的問題導向。

“腦機接口需要什么知識，我們就教什么知識。”這是對項目式學習最直白的概括。但在明東看來，腦機班的培養體系依然扎牢課堂基礎知識，“它其實是傳統教學模式的升級，新興教學模式的迭代。”

明東認為，項目制具有兩方面功能。第一是“融”，把原本分散在不同課程中的知識，通過項目進行融通。電子電路、信號處理、神經科學、人工智能不再是彼此孤立的課程，而共同服務于一個真實問題。第二是“求”，相比傳統課堂中教師單向的傳授知識，項目制要求學生有更主動的求索精神和能力，對項目需要但屬于課堂以外的知識主動求索。

“已有的專業基礎課的知識怎么融？未知知識怎么求？項目制就是把這兩件事打通。”明東說。

大二開始，過上“準研究生”生活

如果說項目課重構的是課堂，那么本科生研究計劃重構的則是探索本科教學與科研融合的新模式。

在腦機班，每名學生都會參與“腦語者”本科生重大研究計劃。進入大二后，腦機班的學生可以選擇感興趣的研究課題和導師。每位學生都需要在兩年中完成開題、中期檢查、結題答辯以及全過程考核。

為了完成課題，李同學每周都會接受課題組博士生師兄三四個小時的指導。而此前，他需要通過自學來補齊項目所需要的知識。這種培養模式讓學生很早便接觸到研究生階段才會經歷的科研訓練。與導師溝通、制定研究計劃、階段性匯報等原本屬于研究生的科研日常，被提前搬到了本科階段。

在王坤看來，本科生最大的優勢是成長時間。如果從本科階段就進入科研軌道，未來進入碩、博士階段就能夠迅速研究更深的問題。這也正是本博貫通培養的重要邏輯。

2024級腦機班同學在老師指導下調試設備

當然，提早過上“準研究生”的生活，也意味著壓力。“現在我掌握更多的是實踐經驗，對理論知識的理解未必透徹。特別是電路，很多內容還沒有完全搞懂。雖然一些操作在實踐可以奏效，能正常使用，但到底是什么原因并不清楚。”潘同學告訴《知識分子》。

在實踐能力增強的同時，潘同學也會焦慮，從電路到最后的解碼，會遇到很多問題，但對于如何解決問題，還沒有特別系統的方法論。因此，同學們會倒回頭再去補充理論知識，以及在嘗試解決問題的過程中不斷試錯。

為什么要從本科開始培養腦機接口人才？

在天津大學醫學院副院長楊佳佳看來，隨著腦機接口的快速發展，傳統工科培養模式的局限開始顯現，培養周期過長。

“腦機接口的底層仍然是數理化，但同時又必須理解神經科學和醫學。”過去，這類人才主要依賴研究生階段培養，學生的本科專業分別來自計算機、自動化、電子信息、醫學等，進入碩博階段后再完成交叉融合。

“現在的知識迭代速度太快，如果等到研究生階段才開始進入這個領域，可能無法在最有限的時間中，保持交叉領域培養的強度和精度。”明東直言。

楊佳佳估算，一名碩士階段開始接觸腦機接口的學生，往往需要6年以上才能博士畢業。對此，天津大學將研究生階段的部分科研訓練提前嵌入本科，制定6至8年的本博貫通培養路徑。

這種思路與天津大學未來技術學院整體定位一致。今年，該學院面向全國招生600人，下設腦機接口等方向。學生達到規定培養標準后，可實現本博貫通培養。

如果說課程體系決定了學生學什么，遴選標準則折射了校方希望培養什么樣的人。過去兩年，腦機班一直采用校內二次選拔模式，學生需經筆試、面試篩選。

王坤表示，選拔最重要的并非知識儲備。“知識現在獲取相對容易。我們更關注的是內驅力、抗壓能力和抗挫折能力。”

因此，在某種意義上，腦機班希望選拔的并不是最會考試的學生，而是最愿意不斷解決問題的人。

腦機班所在的未來技術學院還采用達標制多元評價，只要達到培養方案規定標準，不需要卷“績點”，即可獲得相應的保研機會。

“我們不覺得末位淘汰的方法好，如果實施末位淘汰，同學們就內卷。評價考核達到水平就可以，這樣同一個班的同學都能相互幫助，是協作關系，而不是競爭關系。”王坤說。

在她看來，腦機接口專業的很多任務需要團隊協作。如果學生始終處于競爭狀態，反而不利于創新。這種理念也逐漸塑造出一種不同的班級氛圍。

“我們的關系遠超其他班級。”李同學也告訴《知識分子》

這場實驗中，同樣在不斷解決的問題還有專業的創辦者。在校內教師們的回憶中，推動專業設立的過程遠比外界想象的更緊迫。2024年4月，天津大學開始籌備腦機接口方向本科生培養，當年9月首屆腦機班招生，僅用了5個月時間。

“當時我們都覺得這是一件非常難的事情。”王坤回憶說，“明老師特別著急，一直在推動這件事。那時我也會想，怎么這么著急？一定要在這個時間節點之前把事情做出來？”

直到腦機班真正運行起來之后，她才逐漸理解這種緊迫感。

“腦機接口不是未來的事情，而是當下的事情。現在真正缺的不是應用場景，也不是資金，而是供給側中的人才鏈成熟。”明東說。

過去幾年，無論產業界還是科研界，對腦機接口人才的需求都在快速增長。雖然產業規模尚未完全形成，但一批企業已經開始嶄露頭角，而專業人才供給仍然十分有限。腦機接口本科專業的設立，本質上正是在回應這種已經出現的人才缺口。

從20人到200人，挑戰剛剛開始

更大的考驗來自擴招。過去兩年，腦機班在校內二次選拔，其中面試能夠更直觀地考察表達能力、邏輯思維、抗壓能力，這些能力是高考成績未必能體現的。

“思維能力很重要，如果一個學生很有邏輯，遇到問題能非常準地抓住核心，并且回答出來，那么一般動手能力也會比較好。”參加2025級腦機班面試評審的王坤這樣總結。

但隨著腦機接口專業正式獲批，楊佳佳也坦言，按高考志愿錄取會縮小學校對學生的篩選空間。

對此，明東表示，腦機接口專業的生源篩選整體是動態、雙向選擇的過程。如果學生進入專業后發現自己不適合，可能也會調整。其他專業如有更適合的優秀學生，也可以按需求轉到腦機專業。

與此同時，培養規模也將快速擴大。據楊佳佳估計，今年報考腦機接口專業的人數可能超過200人。

報考人數水漲船高，問題隨之而來，項目式培養高度依賴教師投入，導師制也需要大量科研資源，實驗課程更是需要設備、場地和耗材支持。

“如何在學生人數增長的同時，還能保證完全達到24、25級小班的教學效果，這對我們是一個挑戰。以前我們輔導大學生創新創業訓練時，一個項目可能有5名學生，還是比較靠他們的主動性，自驅力強的學生就容易脫穎而出，但也會有同學在里面摸魚，人一多就可能出現這種情況。”王坤坦言。

2024級腦機班同學“認知增強意念小球”實驗成功時的場景

目前2024級腦機班的18名學生對應十幾位導師，師生比在1:1到1:2之間。明東也表示，校方為投入目前為培養兩級腦機班傾注的精力、師資和其他資源都很多，比對碩士研究生的投入還要更大。

另一方面，學生規模成倍增長，平均每位導師可能會被分配更多學生，同時需要高年級的優秀碩、博研究生協助指導。授課師資則是另一項挑戰。腦機接口課程需要多學科的教師共同參與，如何建立長期穩定的教師激勵機制，仍然有待解決。

此外，實驗資源同樣面臨壓力。如果學生規模從20人擴大到200人，實驗室、設備和耗材的需求也將激增。

不過，明東介紹稱，從師資隊伍儲備到實驗教學條件保障，校方都已制定詳細預案。課堂授課的挑戰相對不大，即使學生規模增加，也可通過分班、分時授課等方式解決。壓力主要集中在實踐教學環節，學校會匹配更多教師，教師個人也需投入更多時間、精力。同時，教學條件也會按學生規模增加保障。

一場關于未來工科教育的實驗

腦機接口本科班的同學，對自己的未來怎么想？潘同學表示，希望在更多學習、嘗試后，再考慮選擇學術或是產業。

而全國首個腦機接口本科專業能培養出怎樣的人才，也有待時間和學生給出答案。招生規模擴張給師資和資源帶來的壓力已經顯現，培養模式仍需不斷優化。某種程度上，恰恰是這些不確定性構成了腦機接口這一新興的本科專業最值得觀察的地方。

明東表示，天大主張“腦機+”的人才培養模式，腦機接口學生首先需要系統掌握電子學、通用芯片、基礎軟件產品、關鍵底座系統等核心知識體系，作為橫向能力。同時，每個學生還要結合情況，在集成電路、人工智能、臨床醫學、生物或智能醫學工程、自動化、機械儀器等方向中選擇一個重點突破。

“腦機接口涉及面太廣，不可能什么都精通。本科只有四年時間，不可能面面俱到。有的學生對硬件感興趣，我們支持他做芯片和系統；有的學生對軟件和人工智能感興趣，就向相應方向發展。這樣學生既有知識的廣度和寬度，又有知識的深度和厚度，即‘T字形’的人才培養模式。”明東說。

在天津大學衛津路校區劉瑞恒樓那間實驗室里，18名腦機班大二學生正圍繞一個個尚未完成的項目工作。他們的電路板或許需要返工完善，信號解碼可能未必順利，也還需要在不斷試錯中成長。但這些同學正和自己的老師們一起，開啟一場意義重大的新工科教育實驗。