真實課堂有效學習研究：腦際視角的探索

陳菁菁 張丹

腦科學研究者巴塔查亞分享過一個故事：一天，他熱情地給孩子科普實驗室“有趣”的腦科學發現，孩子說：“爸爸，你們的研究根本說不通！現實生活中，我們不會在監獄一樣的小隔間里等著去看顯示器上打亂的圖片。”孩子率真的評論，指向了生態效度這一腦科學研究的關鍵問題。傳統實驗室下的研究往往是對人們日常生活的抽象和簡化。這種思路的優勢在于可以盡可能地排除干擾因素，凸顯我們所關注的行為與腦活動之間的關系。但抽象和簡化往往意味著實驗室任務和真實場景之間存在較大差異。當實驗室任務與現實場景只能算得上是遙相呼應時，我們會發出疑問：實驗室中的腦科學研究發現真的可以推廣到日常生活中嗎？

這一問題在學習這個具有很強現實意義的話題上尤為凸顯。從微觀視角，個人發展的諸多關鍵節點都受學業表現的影響；從宏觀視角，學習的成效與國家乃至人類發展息息相關。當大家在談論學習中的腦科學研究時，人們總是期待著研究成果可以幫助我們理解和優化現實生活中的學習，以助力個人與社會的發展。然而，腦科學研究中存在的生態效度問題一定程度上限制了研究成果的轉化，也引來了教育領域從業者的批判。教育心理學家布魯那評論，腦科學與教育領域之間存在的是一座過于遙遠的橋梁。

伴隨著這些疑慮，面向真實場景研究的自然范式在腦科學領域中悄然興起，并引發了研究熱潮。相較于傳統研究中常用的高度簡化和參數化的實驗任務，自然范式強調引入觀影、對話等現實世界中存在的情景，讓研究者在更接近日常生活的實驗任務中開展工作。不僅如此，伴隨著可穿戴式設備的發展和成熟，秉持自然范式研究理念的腦科學研究者甚至開始走出實驗室，直接在真實世界場景中展開研究。

自然范式研究：打開真實學習場景的大門

課堂作為學校教育教學工作的主陣地，是人類正式學習最重要的場景之一。當腦科學研究者嘗試走出實驗室時，課堂也成了他們開展真實世界研究的起點。

2017年，研究者走入真實的中學生物課堂，利用可穿戴設備記錄了師生在課堂教學中的腦活動，首次研究了課堂互動這一傳統腦科學研究領域的“暗物質”。這篇研究引起了很大反響，它告訴我們，腦成像技術不僅可以在高度控制的實驗室中得到應用，還可以幫助我們在現實生活中建立起腦和行為的關聯。這一研究也為連接腦科學和教育實踐兩個看似遙遠的領域提供了可能性：如果研究成果本來就是在真實的學習場景中形成的，那么在考慮轉化問題時，也許就不需要在跨場景的可遷移性上下過多功夫，而有可能直接將研究成果應用在教學實踐中。

腦際分析：評價課堂學習過程的新興方法

研究者還在生物課堂中發現了一個有趣現象：學生與班級其他人的腦活動相似程度可以反映該生的學習狀態，如果某個學生的腦活動和班級平均的腦活動越相似，則這位同學上課的投入程度就越高。研究者認為，當不同人在完成同一任務時，個體大腦活動之間會體現出一致性。這種個體間的一致性可能源于不同個體在共同注意該任務時，受同一任務驅動誘發的相似腦活動。當學生處于低注意水平時，該生受課堂任務驅動誘發程度也低，因而體現出較低的個體間相似性；相對應的，高注意水平的學生則會體現出較高的個體間相似性。因此，學生與班級其他人腦活動的相似性可以反映個體對授課內容的專注程度。

這一分析思路正是近年來在腦科學領域快速發展的腦際視角。相較于傳統方法關注事件（任務）和個體腦活動的關系，腦際分析通過關注同一任務下不同個體間腦活動的相互關聯開展探索。由于腦際視角可以讓研究者繞開對事件/任務的參數化建模，因而非常適合在紛繁復雜、涉及多模態多層次信息的真實課堂情境下發揮作用。該研究團隊2023年的后續研究還報道了學生—班級腦際相似性與教學內容長期記憶效果的顯著正向關聯，進一步展示了腦際分析在評價學習過程的潛力。

班級平均：體現有效學習過程的參考系

2022年一項關于班級平均腦活動的研究進一步豐富了有效學習。研究者認為，有效學習意味著形成對知識的正確表征，而這一正確表征可以由個體間一致的腦活動體現。通過對計算機課上學生的腦活動進行追蹤，研究者證實了這一假設：個體與班級平均的腦活動越相似，則學習效果越好。研究者認為，對班級同學的腦活動疊平均可以抵消個體特異的腦活動，凸顯個體間一致的響應，而這種一致性響應可能反映了對教師授課內容的共同理解。當大多數學生在大多數時候都在關注課堂內容時，這種共同理解也就體現了對課堂意圖傳遞信息的正確理解。所以，如果某個學生學習過程中的腦活動和班級平均的腦活動越相似，則該生上課對課堂內容的理解程度越高，學業表現也越好。研究者發現，這種個體間一致響應與專家（學習科學領域中有效學習的典范）的響應模式相匹配，進一步揭示了班級平均腦活動作為有效學習神經表征的可能機制。

值得注意的是，上述關于班級平均的積極發現均來源自理工科（生物、化學和計算機等）。這些學科往往強調確定科學事實和規律的掌握和應用，需要學生專注于課堂內容，獲取知識。而班級平均腦活動作為對教師授課內容共同注意/共同理解的體現，其認知內涵正好與上述學科的有效學習目標（學業產出的評價標準）相契合，這就解釋了為什么班級平均腦活動可以作為上述學科有效學習過程的參考系。

學科差異視角下的有效學習過程參考系

然而，當我們在討論真實課堂學習中的有效學習時，必須要對“有效性”的評價標準進行深入考量。因為，與傳統實驗室研究常以知識記憶情況來評價學習產出不同，教學實踐中的評價體系要復雜得多，而且受學科特異育人理念的影響，不同學科會體現出差異化的評價標準。那么，適應理工學科有效學習內涵的班級平均腦活動，是否也可以用于評價人文學科學習過程有效性呢？不同學科的學習過程中，是否存在不同的、可以描述個體任務表現的“參考系”呢？

通過對比語文和數學課堂的學生腦活動，2023年，研究者對有效學習神經表征的學科差異進行了探討。研究團隊發現，數學和語文學習對應不同的腦際相似性神經表征：數學課堂學習過程學生—班級腦際相似程度與其數學學業表現顯著正相關，而語文課堂學習過程學生—優生腦際相似程度與其語文學業表現顯著正相關。這一研究結果符合數學和語文分別代表的理工與人文學科規律：數學學習強調對確定知識的掌握與應用，學生—班級腦際相似性可以體現個體對教學內容的投入與理解程度，是評價學習效果的可靠指標；語文學習需要更多個人建構和理解，高學業表現學生學習過程的腦活動可以更好地表征有效學習。該研究證明了學科差異對課堂學習腦活動的影響：不同學科確實存在不同的、描述個體任務表現的“參考系”。

什么樣的認知神經模式對應著有效學習過程？基于不同學科的研究提供了多個可能的答案：班級平均的就是好的、優生的就是好的、專家的就是好的，分別被解讀為以群體知識建構共性為參考、以知識建構表現優秀者為參考和以知識掌握典范為參考的學習有效性評價體系。雖然上述體系在實證研究中都指向過好的學習狀態，但這些“參考系”之間存在著系統性的差別。那么上述 “參考系”分別反映了什么樣的認知過程？哪種可以更好地預測學習效果？對上述問題的進一步探究將可以幫助我們更深入地明晰有效學習過程的腦認知內涵，也有望助力腦際視角在教育情境中更好地得到應用和推廣。

與此同時，考慮到課堂學習的現實意義，在探究有效學習認知神經表征的同時，如何促成學生的有效學習是研究者必須回應的重要話題。近年來，腦機接口技術的發展為實現基于腦響應的個體狀態動態、實時監測和提升提供了契機。那么，是否可以基于腦機接口技術，將有效學習的認知神經發現轉化為面向課堂學習效果評價與優化的方法體系，切實助力課堂教學質量的提升？

那么，我們應該如何建立從腦科學研究發現到教學實踐的“橋梁”？傳統腦科學研究選擇把人從真實學習場景中抽離出來，讓人只與精細設計、高度控制的實驗程序互動。這一思路固然幫助我們揭示了諸多腦認知規律，但也在一定程度上限制了研究成果與真實生活的連接。自然范式研究則將人重新放回到現實世界中，直接觀察真實學習中的大腦。這種研究范式或許可以為形成有實踐啟發意義的科學發現帶來新的契機。雖然追問還在繼續，但我們相信，進一步的研究將為我們更深入地理解課堂學習機理，預測和優化課堂學習行為提供力量源泉。