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[成果]卢春明课题组在Human Brain Mapping发表封面论文揭示教与学的神经同步机制

  通过教学,将人类世代积累起来的知识传递下去,是人类文明得以延续和繁荣的重要途径。中国是一个人口大国,更是一个教育大国,教育在我国社会经济发展中更是发挥着举足轻重的作用。但是,教学是如何进行的?在教学过程中,老师和学生的大脑是如何工作的呢?

 

  长期以来,由于研究手段的限制,研究者无法对教学过程的脑机制开展实证研究。以往研究的局限性主要表现在两个方面:一方面,脑科学在教育领域的应用主要集中在学生的学习过程,但是却忽略了老师,特别是忽略了师生互动在学习过程中的重要作用;另一方面,教育学等学科虽然关注教学过程,但是主要采用思辨和描述性的方法,无法了解人脑的工作机理。因此,通过脑科学的手段探讨教学过程中师生互动的神经机制是当前教育学、心理学、脑科学等各个领域的迫切需求。

 

  7月5日,脑科学领域的重要杂志 Human Brain Mapping 以封面文章的形式发表了认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明课题组的研究论文 Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students' knowledge state。该论文采用基于功能性近红外光谱成像(fNIRS)的多人同时脑成像技术,在较为真实的教学情境下,探讨了师生间的脑活动同步在教学过程中的关键作用机制。

 

 

  COVER ILLUSTRATION The cartoon shows that Confucius (left) is teaching his students (right). The text is a citation of  The Analects of Confucius . It means that “The Master knows admirably how to lead people on step by step. He has enlarged my mind with an extensive knowledge of the arts, while guiding and correcting my judgement and taste. Thus I could not stop in my progress, even if I would.” The light spectrum behind the text implies the application of functional near infra‐red spectroscopy technique to the field of teaching in a naturalistic context.

  

  图1 本期封面。图示为孔子在向弟子讲学,上方的彩色光代表fNIRS技术。文言文的译文为:“老师慢慢而有步骤地,善于引导人,用诗文典籍开阔我的眼光与思路,用道德规范约束我的为人与言行,让人想停止不前都不可能。”

  

  著名教育学家维果斯基提出了著名的“最近发展区”假设。该假设认为,在教学过程中,教师需要对学生的知识水平做出恰当的估计,进而制定学习目标。这个目标不能太难,太难了学生就学不会;但是也不能太简单,太简单了学生就没有学习兴趣了。因此,这个目标一定是学生通过“适当的努力”就能够实现的,即所谓的“跳一跳,摘桃子”。基于这一假设,该研究提出了教学过程的“预测—传递”模型,即教师在教学过程中提前对学生的知识水平进行动态、实时的预测,以此形成恰当的知识表征,然后师生间再进行有效的知识传递。

 

  

图2 最近发展区假设

  

  为了检验上述模型,该研究要求老师分别采用“讲授式”、“讨论式”以及“视频”三种教学方法,以一对一的教学方式向三组学生分别讲授数字推理知识。学生在教学前后分别完成有关的知识测验。在教学过程中,采用fNIRS同时测量了老师和学生的脑功能信号,并计算了老师和学生的脑活动随着时间共同变化的关系,即脑活动同步。

 

  结果发现,教师的脑活动与大约10秒后学生的脑活动有显著的脑间同步,并且该同步出现在教师的颞顶联合区和学生的颞叶前部。以往研究表明,颞顶联合区主要负责预测社会互动时对方的心理状态,而颞叶前部则是概念知识表征的重要脑区。因此,这些结果提示,教师可能通过脑间同步,提前预测学生的知识表征状态。以往采用类似方法的研究虽然也发现师生间在存在脑同步,但是并未对脑同步的预测机制进行探讨。因此,卢春明课题组的该项研究为“预测—传递”模型的预测机制提供了重要的支持证据。

 

  该研究进一步发现,无论采用哪种教学方法,老师—学生的脑间同步越强,教学效果就越好。而且,上述脑间同步在教学过程进行到大约一分半钟左右(总时长平均为20分钟)时,就已经能够很好的预测最终的教学效果了。而与知识的实时传递有关的脑间同步(即教师和学生在同一时刻的脑活动同步)在教学进行过半后才能够显著预测最终的教学效果。可见,通过脑间同步发生的预测发生在知识传递之前,并对教学效果有显著的促进作用。

 

 

  图3 分别与教学过程中预测和传递对应的师生间脑活动同步

  

  该项工作是卢春明课题组系列工作的一部分。该课题拟将最新的脑科学研究方法应用于教育科学领域,系统探讨教育教学领域的重要理论问题,并希望为教育教学实践提供启示。这些工作对促进教育科学研究的实证化,促进脑科学、教育学、心理学的深度融合将产生重要影响。

 

  该论文的第一作者郑丽芬本科毕业于福州大学,2013年考入北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,跟随卢春明教授攻读博士学位,并担任上述课题的负责人。目前她的工作主要采用fNIRS、tDCS等无创脑成像和脑刺激技术深入探讨教学情境下师生社会性互动的认知和脑机制。

 

  该项研究是卢春明课题组与加州大学尔湾分校的陈传声教授以及重点实验室语言认知与障碍研究团队的同事共同完成。该研究得到了国家自然科学基金(31622030 和 31421130158)和中央高校基本科研业务费专项基金(2017EYT32 和2017XTCX04)等基金项目的资助。

  

  欢迎下载原文:http://dx.doi.org/10.1002/hbm.24059 

  

  卢春明课题组网站:http://sc.bnu.edu.cn/

  

  注:7月5日杂志刊出本期文章时,将封面误标为同期发表的另一篇文章。值得一提的是,该文章同样出自国家重点实验室(毕彦超课题组)。这也充分显示了实验室在认知神经科学领域的突出贡献和领先地位。

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