4959
0
2026-03-22
2026-03-22
該論文發(fā)表于Psychological Science（SSCI一區(qū)，IF=4.8），題目為《The Temporal Dynamics of Brain-to-Brain Synchrony Between Students and Teachers Predict Learning Outcomes》。
紐約大學(xué)心理學(xué)系的Ido Davidesco博士為此論文的第一作者，Suzanne Dikker博士為此論文的通訊作者（與David Poeppel博士共同擔(dān)任資深作者）。論文鏈接:https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/09567976231163872
論文概要
文章聚焦于研究人類學(xué)習(xí)過程當(dāng)中，教師與學(xué)生大腦之間的互動(dòng)關(guān)系。該研究設(shè)計(jì)了九個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組包含四名學(xué)生和一名教師。通過研究他們的腦電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生間的alpha頻段（8-12 Hz）腦間同步可預(yù)測(cè)其即時(shí)與延遲測(cè)試成績(jī)，且特定授課片段中學(xué)生間的腦同步水平與答題正確率顯著相關(guān)。師生腦間同步則揭示出約300毫秒的神經(jīng)活動(dòng)滯后（學(xué)生腦活動(dòng)滯后于教師），這與口語(yǔ)理解的時(shí)間特征相符。這些發(fā)現(xiàn)為在生態(tài)效度情境中同步采集群體學(xué)習(xí)者腦數(shù)據(jù)的重要性提供了關(guān)鍵新證據(jù)。
研究背景
人類學(xué)習(xí)在很大程度上是通過與他人互動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，從兒童期開始，個(gè)體就通過觀察、模仿和交流來獲取知識(shí)和技能。社會(huì)互動(dòng)不僅塑造了認(rèn)知發(fā)展，也深刻影響著課堂學(xué)習(xí)的效果——師生關(guān)系、同伴互動(dòng)和課堂氛圍都被證明與學(xué)生的學(xué)習(xí)投入和學(xué)業(yè)成就密切相關(guān)。
然而，盡管社會(huì)互動(dòng)在學(xué)習(xí)中扮演著核心角色，其背后的神經(jīng)機(jī)制卻知之甚少。傳統(tǒng)學(xué)習(xí)神經(jīng)科學(xué)研究多采用功能性磁共振成像或近紅外光譜技術(shù)，聚焦于單一被試在孤立環(huán)境中的腦活動(dòng)，難以捕捉真實(shí)課堂中多人互動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。近年來，腦間同步逐漸成為研究熱點(diǎn)，指多個(gè)個(gè)體的大腦活動(dòng)在時(shí)間上的耦合現(xiàn)象。已有研究表明，腦間同步與注意力、記憶編碼和社會(huì)聯(lián)結(jié)等因素相關(guān)，但關(guān)于其是否直接預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)效果，尤其是師生之間的腦間同步與學(xué)習(xí)的關(guān)系，尚缺乏一致結(jié)論。
此外，現(xiàn)有研究多采用低時(shí)間分辨率的成像技術(shù)，無法精確考察師生腦活動(dòng)的時(shí)間先后關(guān)系。語(yǔ)言理解的研究表明，聽者的腦活動(dòng)通常滯后于說話者數(shù)百毫秒，但這種時(shí)間滯后是否存在于課堂師生互動(dòng)中、是否與學(xué)習(xí)效果相關(guān)，仍有待實(shí)證檢驗(yàn)?；谝陨媳尘埃狙芯坎捎酶邥r(shí)間分辨率的腦電技術(shù)，在模擬課堂環(huán)境中同時(shí)記錄多名學(xué)生與一名教師的腦活動(dòng)，旨在探討：學(xué)生間及師生間的腦間同步是否預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)效果？這種同步的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征如何？
研究方法
本研究在模擬課堂環(huán)境中進(jìn)行，共招募31名大學(xué)生作為學(xué)生參與者，以及兩名高中科學(xué)教師作為授課教師，組成9個(gè)“四學(xué)生一教師”的實(shí)驗(yàn)小組。所有參與者均為英語(yǔ)母語(yǔ)者、右利手、無神經(jīng)系統(tǒng)疾病史。
實(shí)驗(yàn)流程如下：
1）前測(cè)：講座前一周完成，評(píng)估學(xué)生對(duì)四個(gè)科學(xué)主題的先驗(yàn)知識(shí)；
2）腦電采集：學(xué)生與教師同時(shí)佩戴32通道Enobio腦電設(shè)備（采樣率500Hz），進(jìn)行四節(jié)各約7分鐘的教師講授式講座。學(xué)生被要求保持靜止、減少頭部運(yùn)動(dòng)、不提問以降低腦電偽跡；
3）后測(cè)：每節(jié)講座后立即進(jìn)行即時(shí)后測(cè)，一周后進(jìn)行延遲后測(cè)，測(cè)試題均為10道選擇題，與前測(cè)試題相同。
此外，還通過時(shí)間滯后分析考察師生腦活動(dòng)的時(shí)間關(guān)系，并將腦間同步與學(xué)習(xí)效果進(jìn)行多水平模型分析。為進(jìn)一步探究腦間同步的時(shí)間特異性，研究者還根據(jù)講座逐字稿，識(shí)別出與每個(gè)測(cè)試題目相關(guān)的內(nèi)容片段，分別計(jì)算學(xué)生在“學(xué)會(huì)”與“未學(xué)會(huì)”題目對(duì)應(yīng)片段的腦間同步水平。
圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與時(shí)間線
腦電數(shù)據(jù)使用MATLAB和EEGLAB進(jìn)行預(yù)處理，包括0.5-35Hz帶通濾波、剔除噪聲通道、1秒分段、獨(dú)立成分分析去除眼電偽跡、剔除異常電壓片段。教師數(shù)據(jù)因運(yùn)動(dòng)偽跡較多，采用更嚴(yán)格的剔除標(biāo)準(zhǔn)。腦電數(shù)據(jù)預(yù)處理后，研究者采用圓形相關(guān)系數(shù)（circular correlation）計(jì)算每對(duì)參與者之間相同電極的相位同步性，重點(diǎn)關(guān)注θ、α、β三個(gè)頻段，以及后部、中央、前部電極這三個(gè)感興趣區(qū)。圓形相關(guān)值經(jīng)Fisher Z轉(zhuǎn)換后標(biāo)準(zhǔn)化，并在epoch、講座和電極對(duì)上平均。
研究采用了多種統(tǒng)計(jì)方法來檢驗(yàn)?zāi)X間同步與學(xué)習(xí)效果的關(guān)系。首先，為了控制虛假的腦間同步，采用了基于自助法的配對(duì)t檢驗(yàn)，將學(xué)生在匹配講座（同一講座）與非匹配講座（不同講座）中的腦間同步進(jìn)行比較，預(yù)期匹配講座的同步性顯著更高。該分析分別在三個(gè)頻段（θ、α、β）和三個(gè)感興趣區(qū)（后部、中央、前部）進(jìn)行，p值經(jīng)FDR校正。
其次，由于學(xué)生嵌套于實(shí)驗(yàn)小組，采用多水平模型（以小組為分析單位）檢驗(yàn)?zāi)X間同步對(duì)學(xué)習(xí)效果（前測(cè)至即時(shí)后測(cè)變化、前測(cè)至延遲后測(cè)變化）的預(yù)測(cè)作用，將腦間同步作為第一層預(yù)測(cè)變量。第三，為探究腦間同步的時(shí)間特異性，根據(jù)講座逐字稿識(shí)別每個(gè)測(cè)試題目對(duì)應(yīng)的內(nèi)容片段（僅選取時(shí)長(zhǎng)≥3秒的片段），將題目分為“學(xué)會(huì)”（后測(cè)正確但前測(cè)錯(cuò)誤）與“未學(xué)會(huì)”（答案未改變）兩類，采用重復(fù)測(cè)量方差比較兩類片段下的腦間同步差異。最后，通過時(shí)間滯后交叉相關(guān)分析考察師生腦間同步的時(shí)間動(dòng)態(tài)：將教師腦活動(dòng)時(shí)間序列相對(duì)于學(xué)生進(jìn)行-500ms至500ms的平移（步長(zhǎng)100ms），計(jì)算各滯后下的α頻段腦間同步，并使用自助法檢驗(yàn)各滯后同步性的顯著性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本研究首先對(duì)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示學(xué)生在前測(cè)中的平均正確率為43%，即時(shí)后測(cè)提升至73%，延遲后測(cè)為64%，前測(cè)與兩次后測(cè)之間均存在顯著差異，且即時(shí)后測(cè)與延遲后測(cè)之間也存在顯著下降，表明學(xué)生在講座中確實(shí)學(xué)到了新知識(shí)，但一周后有所遺忘。前測(cè)成績(jī)顯著預(yù)測(cè)延遲后測(cè)成績(jī)，但對(duì)即時(shí)后測(cè)無顯著預(yù)測(cè)作用。
圖2 前測(cè)、即時(shí)后測(cè)與延遲后測(cè)中的平均得分
在腦間同步分析中，研究者首先通過比較匹配與非匹配講座的腦間同步來檢驗(yàn)其統(tǒng)計(jì)特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅α頻段在中央電極區(qū)域的腦間同步在匹配講座中顯著高于非匹配講座，其他頻段和腦區(qū)均未達(dá)到顯著，因此后續(xù)分析均聚焦于α頻段中央電極的腦間同步。進(jìn)一步的多水平模型分析顯示，學(xué)生間的α頻段腦間同步顯著正向預(yù)測(cè)前測(cè)至即時(shí)后測(cè)的變化以及前測(cè)至延遲后測(cè)的變化，且時(shí)間因素與腦間同步無顯著交互作用，說明腦間同步對(duì)即時(shí)與延遲學(xué)習(xí)效果的影響強(qiáng)度相當(dāng)。相比之下，個(gè)體α功率與學(xué)習(xí)效果無顯著關(guān)聯(lián)。
圖3 α波段腦間同步（BBS）與測(cè)試前-延遲后測(cè)變化之間的關(guān)聯(lián)
為探究腦間同步的時(shí)間特異性，研究者根據(jù)講座逐字稿識(shí)別出每個(gè)測(cè)試題目對(duì)應(yīng)的內(nèi)容片段，并將題目分為“學(xué)會(huì)”與“未學(xué)會(huì)”兩類。結(jié)果顯示，無論是即時(shí)后測(cè)還是延遲后測(cè)，學(xué)生在“學(xué)會(huì)”題目片段的α頻段腦間同步均顯著高于“未學(xué)會(huì)”題目片段，表明腦間同步在特定內(nèi)容片段上的波動(dòng)與學(xué)生的答題表現(xiàn)密切相關(guān)。
在師生腦間同步方面，時(shí)間滯后分析發(fā)現(xiàn)，師生間的α頻段腦間同步僅在教師腦活動(dòng)領(lǐng)先學(xué)生約300毫秒時(shí)達(dá)到顯著水平，其他時(shí)間滯后均未顯著。該300毫秒滯后下的師生腦間同步顯著預(yù)測(cè)學(xué)生的延遲后測(cè)成績(jī)，但對(duì)即時(shí)后測(cè)無顯著預(yù)測(cè)作用，且兩名教師之間的腦間同步水平無顯著差異。
圖4 師生腦間同步性（BBS）的時(shí)域分析
結(jié)論
本研究通過同步記錄師生在模擬課堂中的腦電活動(dòng)，揭示了腦間同步與學(xué)習(xí)效果之間的密切關(guān)系。研究得出以下主要結(jié)論：
首先，學(xué)生間的α頻段腦間同步能夠顯著預(yù)測(cè)即時(shí)和延遲學(xué)習(xí)效果，且這種關(guān)聯(lián)在控制個(gè)體腦電功率后依然成立，表明腦間同步作為一種群體層面的神經(jīng)指標(biāo)，比個(gè)體腦活動(dòng)更能反映課堂學(xué)習(xí)的效果。其次，腦間同步具有時(shí)間特異性，學(xué)生在掌握特定知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的講座片段中，與同伴的腦同步水平顯著高于未掌握內(nèi)容的片段，說明腦間同步能夠捕捉學(xué)習(xí)過程中動(dòng)態(tài)變化的神經(jīng)活動(dòng)。第三，師生間的腦間同步在約300毫秒的時(shí)間滯后處達(dá)到峰值，這一時(shí)間特征與語(yǔ)言理解過程中聽者滯后于說話者的神經(jīng)耦合模式一致，表明師生之間的神經(jīng)耦合可能支撐了課堂信息的有效傳遞。最后，師生腦間同步對(duì)延遲學(xué)習(xí)效果的預(yù)測(cè)作用顯著，但對(duì)即時(shí)學(xué)習(xí)效果無顯著預(yù)測(cè)，提示延遲后測(cè)更能反映深度學(xué)習(xí)的效果，可能與新知識(shí)與已有知識(shí)的整合過程有關(guān)。
綜上所述，本研究首次在具有生態(tài)效度的課堂模擬環(huán)境中，利用高時(shí)間分辨率的腦電技術(shù)證實(shí)了師生及學(xué)生間腦間同步與學(xué)習(xí)效果的關(guān)系，為社會(huì)性學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制提供了重要證據(jù)，也為未來在真實(shí)課堂中開展多人腦同步研究奠定了基礎(chǔ)。
撰稿人：陳梓杰
審稿人：黃海云
