真實(shí)課堂有效學(xué)習(xí)研究：腦際視角的探索

陳菁菁 張丹

腦科學(xué)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(shí)驗室“有趣”的腦科學(xué)發(fā)現(xiàn)，孩子說：“爸爸，你們的研究根本說不通！現(xiàn)實(shí)生活中，我們不會在監(jiān)獄一樣的小隔間里等著去看顯示器上打亂的圖片?！焙⒆勇收娴脑u論，指向了生態(tài)效度這一腦科學(xué)研究的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)實(shí)驗室下的研究往往是對人們?nèi)粘Ｉ畹某橄蠛秃喕＿@種思路的優(yōu)勢在于可以盡可能地排除干擾因素，凸顯我們所關(guān)注的行為與腦活動之間的關(guān)系。但抽象和簡化往往意味著實(shí)驗室任務(wù)和真實(shí)場景之間存在較大差異。當(dāng)實(shí)驗室任務(wù)與現(xiàn)實(shí)場景只能算得上是遙相呼應(yīng)時，我們會發(fā)出疑問：實(shí)驗室中的腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)真的可以推廣到日常生活中嗎？

這一問題在學(xué)習(xí)這個具有很強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義的話題上尤為凸顯。從微觀視角，個人發(fā)展的諸多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都受學(xué)業(yè)表現(xiàn)的影響；從宏觀視角，學(xué)習(xí)的成效與國家乃至人類發(fā)展息息相關(guān)。當(dāng)大家在談?wù)搶W(xué)習(xí)中的腦科學(xué)研究時，人們總是期待著研究成果可以幫助我們理解和優(yōu)化現(xiàn)實(shí)生活中的學(xué)習(xí)，以助力個人與社會的發(fā)展。然而，腦科學(xué)研究中存在的生態(tài)效度問題一定程度上限制了研究成果的轉(zhuǎn)化，也引來了教育領(lǐng)域從業(yè)者的批判。教育心理學(xué)家布魯那評論，腦科學(xué)與教育領(lǐng)域之間存在的是一座過于遙遠(yuǎn)的橋梁。

伴隨著這些疑慮，面向真實(shí)場景研究的自然范式在腦科學(xué)領(lǐng)域中悄然興起，并引發(fā)了研究熱潮。相較于傳統(tǒng)研究中常用的高度簡化和參數(shù)化的實(shí)驗任務(wù)，自然范式強(qiáng)調(diào)引入觀影、對話等現(xiàn)實(shí)世界中存在的情景，讓研究者在更接近日常生活的實(shí)驗任務(wù)中開展工作。不僅如此，伴隨著可穿戴式設(shè)備的發(fā)展和成熟，秉持自然范式研究理念的腦科學(xué)研究者甚至開始走出實(shí)驗室，直接在真實(shí)世界場景中展開研究。

自然范式研究：打開真實(shí)學(xué)習(xí)場景的大門

課堂作為學(xué)校教育教學(xué)工作的主陣地，是人類正式學(xué)習(xí)最重要的場景之一。當(dāng)腦科學(xué)研究者嘗試走出實(shí)驗室時，課堂也成了他們開展真實(shí)世界研究的起點(diǎn)。

2017年，研究者走入真實(shí)的中學(xué)生物課堂，利用可穿戴設(shè)備記錄了師生在課堂教學(xué)中的腦活動，首次研究了課堂互動這一傳統(tǒng)腦科學(xué)研究領(lǐng)域的“暗物質(zhì)”。這篇研究引起了很大反響，它告訴我們，腦成像技術(shù)不僅可以在高度控制的實(shí)驗室中得到應(yīng)用，還可以幫助我們在現(xiàn)實(shí)生活中建立起腦和行為的關(guān)聯(lián)。這一研究也為連接腦科學(xué)和教育實(shí)踐兩個看似遙遠(yuǎn)的領(lǐng)域提供了可能性：如果研究成果本來就是在真實(shí)的學(xué)習(xí)場景中形成的，那么在考慮轉(zhuǎn)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(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中。

腦際分析：評價課堂學(xué)習(xí)過程的新興方法

研究者還在生物課堂中發(fā)現(xiàn)了一個有趣現(xiàn)象：學(xué)生與班級其他人的腦活動相似程度可以反映該生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，如果某個學(xué)生的腦活動和班級平均的腦活動越相似，則這位同學(xué)上課的投入程度就越高。研究者認(rèn)為，當(dāng)不同人在完成同一任務(wù)時，個體大腦活動之間會體現(xiàn)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(wù)時，受同一任務(wù)驅(qū)動誘發(fā)的相似腦活動。當(dāng)學(xué)生處于低注意水平時，該生受課堂任務(wù)驅(qū)動誘發(fā)程度也低，因而體現(xiàn)出較低的個體間相似性；相對應(yīng)的，高注意水平的學(xué)生則會體現(xiàn)出較高的個體間相似性。因此，學(xué)生與班級其他人腦活動的相似性可以反映個體對授課內(nèi)容的專注程度。

這一分析思路正是近年來在腦科學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展的腦際視角。相較于傳統(tǒng)方法關(guān)注事件（任務(wù)）和個體腦活動的關(guān)系，腦際分析通過關(guān)注同一任務(wù)下不同個體間腦活動的相互關(guān)聯(lián)開展探索。由于腦際視角可以讓研究者繞開對事件/任務(wù)的參數(shù)化建模，因而非常適合在紛繁復(fù)雜、涉及多模態(tài)多層次信息的真實(shí)課堂情境下發(fā)揮作用。該研究團(tuán)隊2023年的后續(xù)研究還報道了學(xué)生—班級腦際相似性與教學(xué)內(nèi)容長期記憶效果的顯著正向關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步展示了腦際分析在評價學(xué)習(xí)過程的潛力。

班級平均：體現(xiàn)有效學(xué)習(xí)過程的參考系

2022年一項關(guān)于班級平均腦活動的研究進(jìn)一步豐富了有效學(xué)習(xí)。研究者認(rèn)為，有效學(xué)習(xí)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(xiàn)。通過對計算機(jī)課上學(xué)生的腦活動進(jìn)行追蹤，研究者證實(shí)了這一假設(shè)：個體與班級平均的腦活動越相似，則學(xué)習(xí)效果越好。研究者認(rèn)為，對班級同學(xué)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(yīng)，而這種一致性響應(yīng)可能反映了對教師授課內(nèi)容的共同理解。當(dāng)大多數(shù)學(xué)生在大多數(shù)時候都在關(guān)注課堂內(nèi)容時，這種共同理解也就體現(xiàn)了對課堂意圖傳遞信息的正確理解。所以，如果某個學(xué)生學(xué)習(xí)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(nèi)容的理解程度越高，學(xué)業(yè)表現(xiàn)也越好。研究者發(fā)現(xiàn)，這種個體間一致響應(yīng)與專家（學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域中有效學(xué)習(xí)的典范）的響應(yīng)模式相匹配，進(jìn)一步揭示了班級平均腦活動作為有效學(xué)習(xí)神經(jīng)表征的可能機(jī)制。

值得注意的是，上述關(guān)于班級平均的積極發(fā)現(xiàn)均來源自理工科（生物、化學(xué)和計算機(jī)等）。這些學(xué)科往往強(qiáng)調(diào)確定科學(xué)事實(shí)和規(guī)律的掌握和應(yīng)用，需要學(xué)生專注于課堂內(nèi)容，獲取知識。而班級平均腦活動作為對教師授課內(nèi)容共同注意/共同理解的體現(xiàn)，其認(rèn)知內(nèi)涵正好與上述學(xué)科的有效學(xué)習(xí)目標(biāo)（學(xué)業(yè)產(chǎn)出的評價標(biāo)準(zhǔn)）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(xué)科有效學(xué)習(xí)過程的參考系。

學(xué)科差異視角下的有效學(xué)習(xí)過程參考系

然而，當(dāng)我們在討論真實(shí)課堂學(xué)習(xí)中的有效學(xué)習(xí)時，必須要對“有效性”的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入考量。因為，與傳統(tǒng)實(shí)驗室研究常以知識記憶情況來評價學(xué)習(xí)產(chǎn)出不同，教學(xué)實(shí)踐中的評價體系要復(fù)雜得多，而且受學(xué)科特異育人理念的影響，不同學(xué)科會體現(xiàn)出差異化的評價標(biāo)準(zhǔn)。那么，適應(yīng)理工學(xué)科有效學(xué)習(xí)內(nèi)涵的班級平均腦活動，是否也可以用于評價人文學(xué)科學(xué)習(xí)過程有效性呢？不同學(xué)科的學(xué)習(xí)過程中，是否存在不同的、可以描述個體任務(wù)表現(xiàn)的“參考系”呢？

通過對比語文和數(shù)學(xué)課堂的學(xué)生腦活動，2023年，研究者對有效學(xué)習(xí)神經(jīng)表征的學(xué)科差異進(jìn)行了探討。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)和語文學(xué)習(xí)對應(yīng)不同的腦際相似性神經(jīng)表征：數(shù)學(xué)課堂學(xué)習(xí)過程學(xué)生—班級腦際相似程度與其數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)表現(xiàn)顯著正相關(guān)，而語文課堂學(xué)習(xí)過程學(xué)生—優(yōu)生腦際相似程度與其語文學(xué)業(yè)表現(xiàn)顯著正相關(guān)。這一研究結(jié)果符合數(shù)學(xué)和語文分別代表的理工與人文學(xué)科規(guī)律：數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)對確定知識的掌握與應(yīng)用，學(xué)生—班級腦際相似性可以體現(xiàn)個體對教學(xué)內(nèi)容的投入與理解程度，是評價學(xué)習(xí)效果的可靠指標(biāo)；語文學(xué)習(xí)需要更多個人建構(gòu)和理解，高學(xué)業(yè)表現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的腦活動可以更好地表征有效學(xué)習(xí)。該研究證明了學(xué)科差異對課堂學(xué)習(xí)腦活動的影響：不同學(xué)科確實(shí)存在不同的、描述個體任務(wù)表現(xiàn)的“參考系”。

什么樣的認(rèn)知神經(jīng)模式對應(yīng)著有效學(xué)習(xí)過程？基于不同學(xué)科的研究提供了多個可能的答案：班級平均的就是好的、優(yōu)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(gòu)共性為參考、以知識建構(gòu)表現(xiàn)優(yōu)秀者為參考和以知識掌握典范為參考的學(xué)習(xí)有效性評價體系。雖然上述體系在實(shí)證研究中都指向過好的學(xué)習(xí)狀態(tài)，但這些“參考系”之間存在著系統(tǒng)性的差別。那么上述 “參考系”分別反映了什么樣的認(rèn)知過程？哪種可以更好地預(yù)測學(xué)習(xí)效果？對上述問題的進(jìn)一步探究將可以幫助我們更深入地明晰有效學(xué)習(xí)過程的腦認(rèn)知內(nèi)涵，也有望助力腦際視角在教育情境中更好地得到應(yīng)用和推廣。

與此同時，考慮到課堂學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)意義，在探究有效學(xué)習(xí)認(rèn)知神經(jīng)表征的同時，如何促成學(xué)生的有效學(xué)習(xí)是研究者必須回應(yīng)的重要話題。近年來，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)基于腦響應(yīng)的個體狀態(tài)動態(tài)、實(shí)時監(jiān)測和提升提供了契機(jī)。那么，是否可以基于腦機(jī)接口技術(shù)，將有效學(xué)習(xí)的認(rèn)知神經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為面向課堂學(xué)習(xí)效果評價與優(yōu)化的方法體系，切實(shí)助力課堂教學(xué)質(zhì)量的提升？

那么，我們應(yīng)該如何建立從腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)到教學(xué)實(shí)踐的“橋梁”？傳統(tǒng)腦科學(xué)研究選擇把人從真實(shí)學(xué)習(xí)場景中抽離出來，讓人只與精細(xì)設(shè)計、高度控制的實(shí)驗程序互動。這一思路固然幫助我們揭示了諸多腦認(rèn)知規(guī)律，但也在一定程度上限制了研究成果與真實(shí)生活的連接。自然范式研究則將人重新放回到現(xiàn)實(shí)世界中，直接觀察真實(shí)學(xué)習(xí)中的大腦。這種研究范式或許可以為形成有實(shí)踐啟發(fā)意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來新的契機(jī)。雖然追問還在繼續(xù)，但我們相信，進(jìn)一步的研究將為我們更深入地理解課堂學(xué)習(xí)機(jī)理，預(yù)測和優(yōu)化課堂學(xué)習(xí)行為提供力量源泉。