多腦同時掃描范型下國內(nèi)師生互動研究：內(nèi)容、局限與展望

朱 怡， 胡 誼

(華東師范大學(xué) 心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院， 上海 200062)

個體是在與周圍人進(jìn)行直接或間接交往與互動過程中存在和發(fā)展的。[1]師生互動(teacher-student interaction)是其中一種重要的表現(xiàn)形式，它是指在教師和學(xué)生之間發(fā)生的各種形式、各種性質(zhì)和各種程度的交互作用和相互影響。[2-3]師生互動對促進(jìn)師生雙方特別是學(xué)生的學(xué)習(xí)、認(rèn)知和社會性的發(fā)展起到關(guān)鍵性的作用。但前人有關(guān)師生互動的動態(tài)分析和實(shí)證研究還相對欠缺，也未對其過程、影響因素和認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制等方面進(jìn)行深入的探究。運(yùn)用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)——多腦同時掃描(simultaneous multi-brain scanning)可以對兩個或多個個體在任務(wù)過程中的大腦活動進(jìn)行同時記錄，為揭示師生互動背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制提供了可能。國外運(yùn)用多腦同時掃描技術(shù)進(jìn)行師生互動研究起始于2013年，而國內(nèi)的第一篇相關(guān)研究發(fā)表于2018年。迄今，筆者通過“Web of Science”數(shù)據(jù)庫共檢索到7篇英文期刊論文，研究內(nèi)容大致涉及以下三個方面：探究師生互動的過程、影響因素和結(jié)果。

一、師生互動的概念界定

師生互動一般被界定為教師和學(xué)生之間發(fā)生的一切交互作用和相互影響。[2]在對師生互動這一概念的理解和把握上，需要明確以下三點(diǎn)：首先，它發(fā)生在教師和學(xué)生之間，教師和學(xué)生在互動中同等重要并互為主體。其次，師生互動不是由一方指向另一方的單向、線性、一次性的影響，而是發(fā)生在師生間的雙向、交互、持續(xù)性的影響。再次，師生互動是一個發(fā)生在多情景中、具有多種形式、多種內(nèi)容的互動體系，它既可以發(fā)生在有組織的課堂教學(xué)中，也可以發(fā)生在課外活動中；其內(nèi)容既包括教師向?qū)W生講授知識，進(jìn)行情感教育，也包括學(xué)生向老師提出問題、尋求指導(dǎo)等；其形式除了教師與個別學(xué)生的互動，還可以是教師和小組或全班學(xué)生的互動。

二、新研究范型——多腦同時掃描

(一)多腦同時掃描技術(shù)

為探究社會互動背后的神經(jīng)機(jī)制，基于多腦同時掃描技術(shù)的新研究范型應(yīng)運(yùn)而生。多腦同時掃描指同時記錄任務(wù)過程中兩個或多個個體的大腦活動。為實(shí)現(xiàn)多腦數(shù)據(jù)的同時采集，在技術(shù)上需要聯(lián)結(jié)兩臺或多臺相同的腦成像設(shè)備，如腦電圖(electroencephalogram，EEG)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)等，或?qū)⒁慌_腦成像設(shè)備分配給兩人或多人使用。這一新的研究范型，除體現(xiàn)了技術(shù)上的革新，也打破了大腦數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)思路：不再割裂地分析互動過程中單一個體的大腦活動，而更多地關(guān)注互動過程中兩個或多個個體腦活動之間存在的關(guān)聯(lián)，常見的指標(biāo)有多腦活動的相關(guān)性、同步性等。迄今為止，多腦同時掃描這一范型已被廣泛地用于研究兩人或多人參與的社會互動，涵蓋感知與運(yùn)動、信息傳遞與加工、思維與決策等眾多互動內(nèi)容，并共同揭示出多腦活動與社會互動的數(shù)量、質(zhì)量存在密切關(guān)聯(lián)，多腦活動很可能是支持社會互動的潛在神經(jīng)基礎(chǔ)。[4-6]

(二)多腦同時掃描在教學(xué)領(lǐng)域的國外研究概況

師生互動作為社會互動的一種形式，外國研究者也嘗試了用多腦同時掃描這一研究范型來探究師生互動背后的認(rèn)知和神經(jīng)機(jī)制。第一項(xiàng)有關(guān)師生互動的多腦同時掃描研究由Holper等人在2013發(fā)表。研究招募了17對師生組合，在師生進(jìn)行蘇格拉底式教學(xué)對話過程中，用fNIRS技術(shù)同時采集師生前額葉的腦活動。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生獲得知識并實(shí)現(xiàn)知識遷移時，學(xué)生和教師的腦活動呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)學(xué)生沒能實(shí)現(xiàn)知識遷移時，這種正相關(guān)關(guān)系不復(fù)存在。[7]除了使用fNIRS,研究者也嘗試用多臺EEG設(shè)備在真實(shí)課堂中開展多腦同時掃描研究。比如，Dikker研究團(tuán)隊(duì)在真實(shí)的生物課課堂教學(xué)過程中，用EEG同時采集了12名學(xué)生和1名老師的腦活動。他們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生與老師之間的腦同步能夠反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)投入程度和對課堂的喜愛程度。[8]上述研究一致表明，新研究范型——多腦同時掃描，可以作為研究師生互動的新手段，為揭示發(fā)生在真實(shí)教學(xué)情境中的師生互動背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制提供了可能，也可以為有效教學(xué)提供來自神經(jīng)層面的建議和指導(dǎo)。

三、國內(nèi)初步研究

迄今為止，國內(nèi)研究者和其團(tuán)隊(duì)運(yùn)用多腦同時掃描范型對師生互動已經(jīng)開展了一些初步的研究。筆者檢索到已發(fā)表的相關(guān)英文文章共有7篇，其中涉及的師生互動均按一對一的雙人形式進(jìn)行，使用的技術(shù)手段均為基于fNIRS技術(shù)的多腦同時掃描。fNIRS技術(shù)是基于大腦組織中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對近紅外光有不同的吸收率和散射率，通過測量近紅外光在經(jīng)過大腦組織前后的強(qiáng)度變化推知個體相應(yīng)腦區(qū)血氧濃度的實(shí)時變化情況。[9]教師和學(xué)生大腦活動的同步性分析采用的算法均是基于小波變換相干性(wavelet transform coherence，WTC)，得到師生大腦活動在時域和頻域上的相干性大小。[10]研究內(nèi)容包括師生互動過程、影響因素、結(jié)果這三方面。

(一)師生互動過程的研究

涉及師生互動過程本身的研究，考慮到互動可以按不同的數(shù)量、頻率進(jìn)行，通過記錄教師和學(xué)生在進(jìn)行互動過程中的大腦活動變化情況，揭示出師生互動潛在的神經(jīng)基礎(chǔ)。

1.數(shù)量。在Zheng等人開展的一項(xiàng)數(shù)學(xué)推理教學(xué)研究中，他們招募了60名參與者作為學(xué)生，4名經(jīng)過6～7年教學(xué)訓(xùn)練的參與者作為教師，組成60對師生組合。研究者安排20組師生進(jìn)行問答教學(xué)，過程不限制師生的互動；20組師生進(jìn)行講授教學(xué)，過程中不允許學(xué)生向教師提問；剩余20組師生進(jìn)行視頻教學(xué)，過程中無直接的互動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在問答和講授教學(xué)過程中，師生在顳頂聯(lián)合區(qū)的腦同步顯著大于視頻教學(xué)。該研究表明，隨著師生互動數(shù)量的增加，教師和學(xué)生的大腦活動出現(xiàn)更大的同步性反應(yīng)。[11]

2.頻率。在Pan等人開展的一項(xiàng)音樂教學(xué)研究中，他們招募了24名沒有經(jīng)受過音樂訓(xùn)練的大學(xué)生作為學(xué)生和1名經(jīng)過了13年音樂訓(xùn)練的大學(xué)生作為教師，組成24對師生組合。研究者安排所有師生組合教與學(xué)兩首同類型的歌曲：一首按高頻的方式進(jìn)行教唱，過程中教師領(lǐng)唱一小句，學(xué)生跟唱一小句；另一首按低頻的方式進(jìn)行教唱，過程中教師領(lǐng)唱完四句后，學(xué)生才需要進(jìn)行跟唱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于低頻教唱，在高頻教唱的過程中，師生在額下回的腦同步顯著增大。該研究表明，在師生互動的數(shù)量不變的情況下，隨著互動頻率的增加，老師和學(xué)生的大腦活動出現(xiàn)更大的同步性反應(yīng)。[12]

(二)師生互動的影響因素研究

師生雙方各自的特征會影響互動，因此師生互動可以理解為“師生雙方特征結(jié)合的產(chǎn)物”或“交往的產(chǎn)物”[13]。這類研究在前人教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，聚焦師生互動的影響因素，在教師層面涉及教學(xué)策略、教學(xué)專長等，在學(xué)生層面涉及先驗(yàn)知識、睡眠情況等。這類研究通過操縱這些因素來探究它們?nèi)绾斡绊憥熒蛹耙l(fā)師生大腦活動怎樣的變化，從而揭示出師生互動的潛在神經(jīng)基礎(chǔ)。

1.教師因素。(1)教學(xué)策略。采用不同的教學(xué)策略會直接改變師生互動的模式。在Pan等人開展的一項(xiàng)心理學(xué)概念教學(xué)的研究中，他們招募了24名非心理學(xué)專業(yè)的大學(xué)生作為學(xué)生，另外招募了24名心理學(xué)專業(yè)的研究生作為教師。研究者安排所有師生組合使用兩種不同的策略教學(xué)兩組心理學(xué)概念：第一種是支架策略，過程中教師需要通過講授提供支架，引導(dǎo)學(xué)生自己講出概念定義；第二種是解釋策略，過程中教師直接對概念定義進(jìn)行講解，學(xué)生只需回答是否聽明白。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于使用解釋策略，在使用支架教學(xué)策略時，前額葉出現(xiàn)更大的師生腦同步。[14](2)教學(xué)專長。相比于新手教師，專家教師所具備的有關(guān)教學(xué)的知識和能力被認(rèn)為是教學(xué)專長。[15]那么教學(xué)專長又會如何影響師生互動呢？在Sun等人開展的一項(xiàng)師生合作研究中，他們招募了18名教齡大于10年的專家教師、16名教齡少于5年的新手教師和34名學(xué)生。教師和學(xué)生兩人一組分別從1到9中選擇1個數(shù)字，使得兩個數(shù)字相加得到的和是3的倍數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，專家教師和學(xué)生組合相對于新手教師和學(xué)生組合完成合作任務(wù)的正確率更高，任務(wù)過程中他們的前額葉活動出現(xiàn)同步；但新手教師和學(xué)生配對完成合作任務(wù)時并未發(fā)現(xiàn)腦同步；專家教師和學(xué)生的腦同步與教師的觀點(diǎn)采擇能力以及合作任務(wù)的正確率存在正相關(guān)關(guān)系。[16]

2.學(xué)生因素。(1)先驗(yàn)知識?？紤]到學(xué)生先驗(yàn)知識水平的不同可能會影響師生互動的過程以及伴隨著的腦同步，Liu等人開展了一項(xiàng)數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)知識教學(xué)的研究。他們招募了84名參與者組成42對師生組合。教師需向?qū)W生教授兩類不同的知識，一類是學(xué)生具備一定知識基礎(chǔ)的概率論，而另一類是學(xué)生不具備相關(guān)知識的期權(quán)理論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行概率論教學(xué)時，相比于期權(quán)理論教學(xué)，學(xué)生具備更多的先驗(yàn)知識，教學(xué)過程也引發(fā)師生在額葉上更大的腦同步。[17](2)睡眠情況。個體的睡眠情況會對其社會互動產(chǎn)生影響[18]，那么學(xué)生的睡眠情況會對師生互動帶來怎樣的影響呢？在Pan等人開展的一項(xiàng)數(shù)字推理教學(xué)的研究中，他們招募了16名學(xué)生和2名教師。每名學(xué)生需分兩次參加教學(xué)任務(wù)，第一次是在經(jīng)歷了正常睡眠的情況下，第二次是在經(jīng)歷了睡眠剝奪的情況下。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于正常睡眠的情況，當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷了睡眠剝奪，教學(xué)過程在額葉上引發(fā)更大的腦同步。研究者認(rèn)為睡眠剝奪下出現(xiàn)的更大的師生腦同步體現(xiàn)的是學(xué)生為了取得和正常睡眠下相同的學(xué)習(xí)效果出現(xiàn)的補(bǔ)償表現(xiàn)。[19]

(三)師生互動結(jié)果的研究

師生互動大多圍繞如何促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)、認(rèn)知和社會性發(fā)展這一目的及其相應(yīng)的教育內(nèi)容即知識、能力、社會行為和交往能力等的培養(yǎng)而展開。這類研究主要聚焦在師生互動的結(jié)果上，可以是知識、技能的增長與提升，也可以是情感關(guān)系的培養(yǎng)與建立。

1.教育性。教育性是師生互動有別于其他形式的社會互動的關(guān)鍵特征。[2]在前面介紹過的五項(xiàng)研究中均有涉及對師生互動帶來的教育性結(jié)果的測量，即經(jīng)過師生互動，學(xué)生的知識、技能等是否得到了提高以及如何得到提高。綜合來看，研究發(fā)現(xiàn)師生互動可以增長學(xué)生在心理學(xué)概念、數(shù)字推理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方面的知識并提高學(xué)生在音樂演唱上的技能。此外，師生互動過程引發(fā)的腦同步與學(xué)生的各類學(xué)習(xí)表現(xiàn)存在正相關(guān)關(guān)系，說明師生腦同步可以預(yù)測師生互動所帶來的教育性結(jié)果。[11-12][14][17][19]

2.情感性。師生互動除了可以帶來學(xué)生知識技能方面的增長和提升，也可以幫助師生建立起更為密切的情感聯(lián)結(jié)，促成師生關(guān)系的良性發(fā)展。在Zheng等人開展的另一項(xiàng)教學(xué)研究中(任務(wù)同文獻(xiàn)[11])，研究者把關(guān)注點(diǎn)放在師生互動帶來的情感性結(jié)果上，探究經(jīng)過師生互動，教師和學(xué)生之間是否建立了情感聯(lián)結(jié)，以及互動后靜息情況下的師生腦同步是否可以反映這種情感聯(lián)結(jié)。他們在教學(xué)開始前和結(jié)束后，各設(shè)置了10分鐘的休息，同時采集休息過程中師生的大腦活動并計(jì)算腦同步。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有在經(jīng)過互動較多的問答教學(xué)后的休息階段，感覺運(yùn)動皮層才出現(xiàn)了比教學(xué)開始前的休息階段更大的腦同步。教學(xué)過程中的腦同步部分中介了教學(xué)前后師生休息階段腦同步的增長和任務(wù)結(jié)束后主觀報(bào)告的情感聯(lián)結(jié)之間的關(guān)系。研究表明，師生在非任務(wù)狀態(tài)下的腦同步可以反映出師生情感聯(lián)結(jié)的建立，而正是師生互動過程促成了這種情感聯(lián)結(jié)的建立。[20]

四、與傳統(tǒng)研究方法的比較

為了追溯師生互動的認(rèn)知過程和背后潛在神經(jīng)機(jī)制，漸漸開始有研究者借助認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)手段，轉(zhuǎn)而展開跨學(xué)科的研究。由于師生互動的復(fù)雜性和技術(shù)水平的限制，早期的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究大多是在單腦水平上開展的，即單個被試的實(shí)驗(yàn)室研究。這些研究一般通過電腦程序讓被試與想象中的教師或?qū)W生進(jìn)行非真實(shí)的互動，進(jìn)而獲得單個被試在師生互動情境下的行為和大腦活動數(shù)據(jù)。通過單腦掃描雖然能夠?qū)熒拥哪承┓矫孢M(jìn)行探究，但高度控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境并不能有效地還原在課堂上或課外真實(shí)發(fā)生的師生互動。想要進(jìn)一步探明師生互動的過程、影響因素、結(jié)果和機(jī)制等，就需要在更貼近真實(shí)情境的師生互動過程中，同時采集教師和學(xué)生的大腦活動。隨著技術(shù)手段的日益革新，多腦同時掃描這一新的研究范型應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的研究方法相比，基于多腦同時掃描的新研究范型具有其獨(dú)特的優(yōu)勢與價(jià)值：(1)實(shí)驗(yàn)任務(wù)具有更高的生態(tài)效度，能更有效地還原真實(shí)師生互動的全貌；(2)記錄的大腦活動數(shù)據(jù)可以來自互動雙方或多方，為雙腦或多腦數(shù)據(jù)分析提供了可能；(3)研究發(fā)現(xiàn)能更多地為日常的教學(xué)實(shí)踐提供有價(jià)值的建議。

五、總結(jié)與展望

綜上所述，多腦同時掃描這一新的研究范型為探究真實(shí)的師生互動提供了可能，師生腦同步為探究師生互動背后的認(rèn)知神經(jīng)過程提供了新的觀察視角。從國內(nèi)初步的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：(1)師生互動過程變量的改變，如互動數(shù)量和頻率會引發(fā)師生腦同步相應(yīng)的變化；(2)師生互動的影響因素，如教師的教學(xué)策略、教學(xué)專長，學(xué)生的先驗(yàn)知識、睡眠情況等，同樣會引發(fā)師生腦同步的變化；(3)師生互動過程中的腦同步能預(yù)測師生互動的教育性、情感性結(jié)果。

然而，目前國內(nèi)師生教學(xué)多腦掃描研究仍存在很大的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)技術(shù)手段和數(shù)據(jù)分析方法單一，均采用fNIRS進(jìn)行多腦同時掃描并用WTC算法計(jì)算腦同步；(2)任務(wù)局限在以一對一形式開展的師生互動上；(3)師生互動更多的是一種師生間雙向、交互、持續(xù)性的影響，但目前的研究更多地關(guān)注師生互動中教師對學(xué)生帶來的影響和作用?；谝陨暇窒蓿覀兤谕罄m(xù)研究在先前研究的基礎(chǔ)上從以下三方面進(jìn)一步展開。首先，使用或整合其他技術(shù)手段，如基于EEG技術(shù)的多腦同時掃描相對于fNIRS技術(shù)的時間分辨率更高，所以能更有效地追溯師生互動過程中認(rèn)知過程和神經(jīng)反應(yīng)在時間上的動態(tài)變化。隨著技術(shù)手段的改變，在數(shù)據(jù)分析的方法上也可以相應(yīng)改變和拓展。其次，因?yàn)槎嘈螒B(tài)的互動才是現(xiàn)實(shí)生活中師生互動的常態(tài)，所以后續(xù)研究可以轉(zhuǎn)變師生互動發(fā)生的形態(tài)，比如從教師和個別學(xué)生的一對一互動轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熀托〗M學(xué)生的一對多互動，從課堂教學(xué)中的互動轉(zhuǎn)變?yōu)檎n外活動中的互動，從教師向?qū)W生講授知識的互動轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動向教師提出問題的互動等。最后，因?yàn)榛訋淼挠绊懞妥饔檬请p向且持續(xù)的，研究可進(jìn)一步探究師生互動會給教師帶來的可能影響，比如教學(xué)相長等；也可進(jìn)一步開展追蹤研究，在更長的時間維度上考察師生互動的持續(xù)作用和影響。