超掃描技術在教師教育領域的運用

趙肖倩 孫炳海 李偉健

[摘? ?要]良好的課堂師生互動不僅能提高課堂教學質量，也能有效地提高學生素質和教師素質。以師生互動為出發點，了解超掃描技術及近年來該技術在教師教育領域的運用，將幫助我國教育者了解國內外基礎教育的新動態，為未來運用認知神經技術進一步探索教師教育領域提供方向和借鑒。

[關鍵詞]超掃描技術;師生互動;教育

一、超掃描技術在教育領域的研究背景

教育部等五部門聯合發布的《教師教育振興行動計劃（2018—2022年）》提出了五大目標任務、十大行動，用5年左右時間建設一支高素質專業化創新型教師隊伍。然而，當前教師隊伍的培養和考察仍然基于學科核心能力[1]，對于影響教師職業發展具有重要作用的教師社會性能力重視不足。教師角色需由知識的傳遞者向學習活動的設計者和指導者轉變，使師生關系轉變為新型的學習伙伴關系，這對教師的社會性能力提出了更高的要求。良好的課堂師生互動不僅能提高課堂教學質量，也能有效提高學生素質和教師素質[2]。

對課堂中師生互動的研究表明，探索潛在的神經活動可能有助于從教師和學生的角度理解和預測教育成果[3]。傳統認知神經科學的研究重點是理解相關刺激對單個大腦的影響，但這種方法不足以研究現實生活中的社會互動[4]。2002年，蒙塔歌（Montague）首次提出超掃描技術的概念，即通過借助功能磁共振成像（fMRI）、腦電圖（EEG）、功能性近紅外光譜成像（fNIRS）等神經科學技術同時記錄兩人或多人的大腦神經活動[5]。通常以被試間的大腦神經活動的同步性（即腦際神經同步）作為衡量個體間互動情況的指標。

2013年，霍爾普（Holper）等人首次將fNIRS超掃描技術運用于課堂，以了解復雜而真實的教學互動，為成功的教學提供科學指導。運用認知神經科學手段，尤其是超掃描技術探討自然情境中教師教育活動的神經機制，為發現、解釋互動教學中的問題提供了新視角。

二、超掃描技術在教師教育領域的運用

1.教師差異

自20世紀70 年代后期開始，“專家—新手”比較范式就被應用于教師研究領域。研究者們試圖探明新手教師與專家型教師的差異，進而通過精準培養，促進新手教師快速成長為專家型教師[6]。根據以往的行為研究，專家型教師在教學領域的表現優于新手教師，如課前規劃和課后反思。但在與學生的合作方面是否也如此尚不清楚。在前人研究的基礎上，孫（Sun）等人在2020年基于教師的專業發展階段（職稱）和經驗（教齡）將教師劃分為專家與新手，通過教師與學生的聯合決策任務考察了不同類型教師與學生合作的差異[7]。在該項研究中，屏幕中央放置一個方程，如“（ ）+（ ）=3的倍數”，方程下方顯示1到9的數字。教師要與學生共同完成特定的加法算數任務，使兩人選擇的數字之和為3或3的倍數。選擇完成后屏幕會呈現是否正確，每個數字只能被選擇一次。每對師生一共完成六輪，每輪九次選擇。

結果顯示，在教師與學生各自與計算機完成合作算數任務時，被試間的準確率不存在顯著差異。但當教師與學生合作完成算數任務時，在準確率方面，專家型教師顯著高于新手教師。同時，在合作條件下，專家型教師和學生在左側背外側前額葉腦區出現了顯著的人際間神經同步，而新手教師和學生之間沒有發現這種顯著的同步。這表明，相比于新手教師，專家型教師與學生的合作更好，且其觀點采擇能力與師生間準確率及腦際神經同步呈正相關。這可能是由于專家型教師豐富的經驗使他們更能采用他人視角來推斷同伴意圖并預測其行為，所以與學生合作得更好。故未來對于新手教師的培訓可考慮增強其觀點采擇能力。

2.教學組織

一些研究表明，在學習抽象材料時，講授比互動教學更利于學生理解。還有研究認為，視頻教學與傳統的面對面教學同樣有效[8]。2018年，鄭（Zheng）等人比較了線下教學、線上教學和視頻教學對教學效果的影響[9]。研究者選擇用數字推理內容評估教學效果，事先將講解例題和解題步驟發給教師，教師通過準備和練習后向研究者演示教學，直到表現獲得研究者的認可。之后教師通過線下教學、線上教學或事先錄制的視頻教學，以一對一的方式將內容傳授給學生。教師講解知識點后，學生有一定的思考時間。結果顯示，三種教學方式都使學生的成績比教學前有了顯著提高，但三種方式間的差異不顯著，即效果相似。線下教學與線上教學的腦際神經同步增幅無顯著差異，但都顯著高于視頻教學。無論采用哪種教學方式，教師與學生的腦際神經同步與教學效果呈正相關，腦際神經同步越強，教學效果越好。研究還發現，成功的知識傳遞與師生間的大腦活動相關，因此，通過師生間的大腦活動情況可推測課堂教學效果。該研究結果也為新冠肺炎疫情期間的線上教學提供了支持，即線上教學方式不一定會削弱教學效果。

3.教師教學技巧

霍爾普等人在2017年以“蘇格拉底對話”為載體，用fNIRS同步記錄師生對話期間大腦前額葉的活動[10]。研究者事先告知參與實驗的教師，在與學生的交談過程中按照結構化對話進行。對話由50個問題組成，代表了一個關于算術問題的結構化討論，如“怎樣使一個正方形的面積翻倍”。對話目的是通過自我闡述來幫助學生發現解決問題的方法，包括使用強制性問題（必須回答）、條件性問題（當回答錯誤時……）和線性問題（按順序提問）。研究結果顯示，教師引導學生關注正方形的對角線時，提出了一個新的幾何推理路徑，使問題得以解決。在這個信息傳遞的關鍵時刻，學生和教師的大腦活動同步。并且研究發現，在成功的教育對話中（即學生能進行知識遷移），學生的大腦激活模式與教師相似。

2018年，潘（Pan）等人通過近紅外超掃描技術考察了師生歌曲教學中整體教學方式占優還是部分教學的式占優[11]。在整體教學方式中，教師演唱完整首歌曲后學生模仿;在部分教學方式中，教師唱一句，學生模仿一句，直到學完整首歌。兩種方式的不同在于師生互動的數量。根據卷入理論，學生和教師之間的互動量是促進學習的關鍵因素。結果顯示，接受部分教學方式的學生在實驗后的測試中表現更好，并且與教師的腦際神經同步更高，尤其是在學生觀察階段。此外，潘等人還考察了支架式教學法與解釋式教學法對學生概念學習的影響[12]。結果表明，當教師使用支架式教學法（如提示）時，學生與教師的腦際神經同步增強，且腦際神經同步的強度與學習效果存在顯著正相關。

以上研究表明，選擇適當的教學方式（如結構化討論、分解教學）可以增強師生間的大腦神經同步，提高學生的表現。可能因為這些方式更注重師生互動，引導學生成為了教學活動的主體。

4.課堂互動質量

2017年，迪克爾（Dikker）等人使用便捷式腦電在現實中自然課堂活動期間對12位高中生的大腦神經活動同時進行掃描和記錄，探討學生間的大腦同步程度是否可以預測學生的課堂參與程度[13]。學生需要在11個實驗日里（為期三個月）持續使用EEG，期間學生會體驗四種不同的教學方式（大聲朗讀、觀看視頻、講座和教學討論）并完成問卷評分（如課堂滿意度）。這項研究主要關注學生之間的相互依賴關系以及學生課堂參與程度，可以使研究者分析學生在三個社會層面上大腦之間的同步，即群體同步、學生和群體的同步以及學生和學生之間的同步。

結果顯示，學生更喜歡觀看視頻和參加教學討論，這在后半學期的評分中更為明顯。結合腦電數據發現，學生與群體的同步表現與學生評分有很強的正相關：后半學期學生評分越高，學生群體的同步時間越多，且面對面有言語互動的學生之間的同步性最高。研究表明，課堂上面對面的交流增加了學生之間的腦際神經同步，這種同步可以看成是人際關系的“活化劑”，學生之間的神經同步可以反映學生在課堂上的參與度。

三、結語

師生互動不僅是保證教學目的達成的重要形式，也是促進學生社會性、行為和認知發展的重要途徑。研究者認為腦際神經同步可以被看做是評估人際互動的一個有效的神經指標。通過比較不同情境下教師與學生的腦際神經同步，可以幫助教育者理解和尋找更為適合的教學方式。上述研究也表明，腦際同步可能是課堂互動中的一個靈敏的神經標志，可以預測動態的課堂互動。未來的研究可以借助認知神經手段在教師教育領域進行更多探索，為教師的教學及育人過程提供科學指導。

參考文獻

[1]丁鋼，李梅.中國高等師范院校師范生培養狀況調查與政策分析報告[J].教育研究，2014（11）：97-108.

[2]黃翠華.民族地區農村小學課堂師生互動的問題與對策[J].現代教育，2015（12）：20-22.

[3][10]Holper L， Goldin A P， Shalóm， Diego E， et al. The teaching and the learning brain： A cortical hemodynamic marker of teacher-student interactions in the Socratic dialog[J].International Journal of Educational Research， 2013（59）：1-10.

[4]Gvirts， Hila Z， Rotem Perlmutter. What guides us to neurally and behaviorally align with anyone specific？ A neurobiological model based on fNIRS hyperscanning studies[J].The Neuroscientist，2020， 26（2）：108-116.

[5]Montague P R， Berns G S， Cohen J D， et al. Hyperscanning： simultaneous fMRI during linked social interactions[J].NeuroImage， 2002，16（4）：1159-1164.

[6]張春莉，馬曉丹.專家型與新手型教師的對比研究綜述[J].教師發展研究， 2017（1）：90-97.

[7]Sun B， Xiao W， Feng X， et al. Behavioral and brain synchronization differences between expert and novice teachers when collaborating with students[EB/OL].https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0278262619303586.

[8][9]Zheng L， Chen C， Liu W， et al. Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students' knowledge state[J]. Human brain mapping，2018， 39（7）：3046-3057.

[11]Pan Y， Novembre G， Song B， et al. Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song[J]. Neuroimage， 2018， 38（2）：831-841.

[12]Pan Y， Dikker S， Goldstein P， et al. Instructor-learner brain coupling discriminates between instructional approaches and predicts learning[EB/OL].https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811920301440.

[13]Dikker S， Wan L， Davidesco I， et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom[J]. Current Biology，2017， 27（9）：1375-1380.

（責任編輯? 郭向和）