多脑同时扫描范型下国内师生互动研究：内容、局限与展望

朱 怡， 胡 谊

(华东师范大学 心理与认知科学学院， 上海 200062)

个体是在与周围人进行直接或间接交往与互动过程中存在和发展的。[1]师生互动(teacher-student interaction)是其中一种重要的表现形式，它是指在教师和学生之间发生的各种形式、各种性质和各种程度的交互作用和相互影响。[2-3]师生互动对促进师生双方特别是学生的学习、认知和社会性的发展起到关键性的作用。但前人有关师生互动的动态分析和实证研究还相对欠缺，也未对其过程、影响因素和认知神经机制等方面进行深入的探究。运用认知神经科学领域的新技术——多脑同时扫描(simultaneous multi-brain scanning)可以对两个或多个个体在任务过程中的大脑活动进行同时记录，为揭示师生互动背后的认知神经机制提供了可能。国外运用多脑同时扫描技术进行师生互动研究起始于2013年，而国内的第一篇相关研究发表于2018年。迄今，笔者通过“Web of Science”数据库共检索到7篇英文期刊论文，研究内容大致涉及以下三个方面：探究师生互动的过程、影响因素和结果。

一、师生互动的概念界定

师生互动一般被界定为教师和学生之间发生的一切交互作用和相互影响。[2]在对师生互动这一概念的理解和把握上，需要明确以下三点：首先，它发生在教师和学生之间，教师和学生在互动中同等重要并互为主体。其次，师生互动不是由一方指向另一方的单向、线性、一次性的影响，而是发生在师生间的双向、交互、持续性的影响。再次，师生互动是一个发生在多情景中、具有多种形式、多种内容的互动体系，它既可以发生在有组织的课堂教学中，也可以发生在课外活动中；其内容既包括教师向学生讲授知识，进行情感教育，也包括学生向老师提出问题、寻求指导等；其形式除了教师与个别学生的互动，还可以是教师和小组或全班学生的互动。

二、新研究范型——多脑同时扫描

(一)多脑同时扫描技术

为探究社会互动背后的神经机制，基于多脑同时扫描技术的新研究范型应运而生。多脑同时扫描指同时记录任务过程中两个或多个个体的大脑活动。为实现多脑数据的同时采集，在技术上需要联结两台或多台相同的脑成像设备，如脑电图(electroencephalogram，EEG)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)等，或将一台脑成像设备分配给两人或多人使用。这一新的研究范型，除体现了技术上的革新，也打破了大脑数据分析的传统思路：不再割裂地分析互动过程中单一个体的大脑活动，而更多地关注互动过程中两个或多个个体脑活动之间存在的关联，常见的指标有多脑活动的相关性、同步性等。迄今为止，多脑同时扫描这一范型已被广泛地用于研究两人或多人参与的社会互动，涵盖感知与运动、信息传递与加工、思维与决策等众多互动内容，并共同揭示出多脑活动与社会互动的数量、质量存在密切关联，多脑活动很可能是支持社会互动的潜在神经基础。[4-6]

(二)多脑同时扫描在教学领域的国外研究概况

师生互动作为社会互动的一种形式，外国研究者也尝试了用多脑同时扫描这一研究范型来探究师生互动背后的认知和神经机制。第一项有关师生互动的多脑同时扫描研究由Holper等人在2013发表。研究招募了17对师生组合，在师生进行苏格拉底式教学对话过程中，用fNIRS技术同时采集师生前额叶的脑活动。研究发现，当学生获得知识并实现知识迁移时，学生和教师的脑活动呈现正相关关系，但当学生没能实现知识迁移时，这种正相关关系不复存在。[7]除了使用fNIRS,研究者也尝试用多台EEG设备在真实课堂中开展多脑同时扫描研究。比如，Dikker研究团队在真实的生物课课堂教学过程中，用EEG同时采集了12名学生和1名老师的脑活动。他们发现，学生与老师之间的脑同步能够反映出学生的学习投入程度和对课堂的喜爱程度。[8]上述研究一致表明，新研究范型——多脑同时扫描，可以作为研究师生互动的新手段，为揭示发生在真实教学情境中的师生互动背后的认知神经机制提供了可能，也可以为有效教学提供来自神经层面的建议和指导。

三、国内初步研究

迄今为止，国内研究者和其团队运用多脑同时扫描范型对师生互动已经开展了一些初步的研究。笔者检索到已发表的相关英文文章共有7篇，其中涉及的师生互动均按一对一的双人形式进行，使用的技术手段均为基于fNIRS技术的多脑同时扫描。fNIRS技术是基于大脑组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光有不同的吸收率和散射率，通过测量近红外光在经过大脑组织前后的强度变化推知个体相应脑区血氧浓度的实时变化情况。[9]教师和学生大脑活动的同步性分析采用的算法均是基于小波变换相干性(wavelet transform coherence，WTC)，得到师生大脑活动在时域和频域上的相干性大小。[10]研究内容包括师生互动过程、影响因素、结果这三方面。

(一)师生互动过程的研究

涉及师生互动过程本身的研究，考虑到互动可以按不同的数量、频率进行，通过记录教师和学生在进行互动过程中的大脑活动变化情况，揭示出师生互动潜在的神经基础。

1.数量。在Zheng等人开展的一项数学推理教学研究中，他们招募了60名参与者作为学生，4名经过6～7年教学训练的参与者作为教师，组成60对师生组合。研究者安排20组师生进行问答教学，过程不限制师生的互动；20组师生进行讲授教学，过程中不允许学生向教师提问；剩余20组师生进行视频教学，过程中无直接的互动。结果发现，在问答和讲授教学过程中，师生在颞顶联合区的脑同步显著大于视频教学。该研究表明，随着师生互动数量的增加，教师和学生的大脑活动出现更大的同步性反应。[11]

2.频率。在Pan等人开展的一项音乐教学研究中，他们招募了24名没有经受过音乐训练的大学生作为学生和1名经过了13年音乐训练的大学生作为教师，组成24对师生组合。研究者安排所有师生组合教与学两首同类型的歌曲：一首按高频的方式进行教唱，过程中教师领唱一小句，学生跟唱一小句；另一首按低频的方式进行教唱，过程中教师领唱完四句后，学生才需要进行跟唱。结果发现，相比于低频教唱，在高频教唱的过程中，师生在额下回的脑同步显著增大。该研究表明，在师生互动的数量不变的情况下，随着互动频率的增加，老师和学生的大脑活动出现更大的同步性反应。[12]

(二)师生互动的影响因素研究

师生双方各自的特征会影响互动，因此师生互动可以理解为“师生双方特征结合的产物”或“交往的产物”[13]。这类研究在前人教学研究发现的基础上，聚焦师生互动的影响因素，在教师层面涉及教学策略、教学专长等，在学生层面涉及先验知识、睡眠情况等。这类研究通过操纵这些因素来探究它们如何影响师生互动及引发师生大脑活动怎样的变化，从而揭示出师生互动的潜在神经基础。

1.教师因素。(1)教学策略。采用不同的教学策略会直接改变师生互动的模式。在Pan等人开展的一项心理学概念教学的研究中，他们招募了24名非心理学专业的大学生作为学生，另外招募了24名心理学专业的研究生作为教师。研究者安排所有师生组合使用两种不同的策略教学两组心理学概念：第一种是支架策略，过程中教师需要通过讲授提供支架，引导学生自己讲出概念定义；第二种是解释策略，过程中教师直接对概念定义进行讲解，学生只需回答是否听明白。结果发现，相比于使用解释策略，在使用支架教学策略时，前额叶出现更大的师生脑同步。[14](2)教学专长。相比于新手教师，专家教师所具备的有关教学的知识和能力被认为是教学专长。[15]那么教学专长又会如何影响师生互动呢？在Sun等人开展的一项师生合作研究中，他们招募了18名教龄大于10年的专家教师、16名教龄少于5年的新手教师和34名学生。教师和学生两人一组分别从1到9中选择1个数字，使得两个数字相加得到的和是3的倍数。结果发现，专家教师和学生组合相对于新手教师和学生组合完成合作任务的正确率更高，任务过程中他们的前额叶活动出现同步；但新手教师和学生配对完成合作任务时并未发现脑同步；专家教师和学生的脑同步与教师的观点采择能力以及合作任务的正确率存在正相关关系。[16]

2.学生因素。(1)先验知识。考虑到学生先验知识水平的不同可能会影响师生互动的过程以及伴随着的脑同步，Liu等人开展了一项数学、经济学知识教学的研究。他们招募了84名参与者组成42对师生组合。教师需向学生教授两类不同的知识，一类是学生具备一定知识基础的概率论，而另一类是学生不具备相关知识的期权理论。结果发现，当进行概率论教学时，相比于期权理论教学，学生具备更多的先验知识，教学过程也引发师生在额叶上更大的脑同步。[17](2)睡眠情况。个体的睡眠情况会对其社会互动产生影响[18]，那么学生的睡眠情况会对师生互动带来怎样的影响呢？在Pan等人开展的一项数字推理教学的研究中，他们招募了16名学生和2名教师。每名学生需分两次参加教学任务，第一次是在经历了正常睡眠的情况下，第二次是在经历了睡眠剥夺的情况下。结果发现，相比于正常睡眠的情况，当学生经历了睡眠剥夺，教学过程在额叶上引发更大的脑同步。研究者认为睡眠剥夺下出现的更大的师生脑同步体现的是学生为了取得和正常睡眠下相同的学习效果出现的补偿表现。[19]

(三)师生互动结果的研究

师生互动大多围绕如何促进学生的学习、认知和社会性发展这一目的及其相应的教育内容即知识、能力、社会行为和交往能力等的培养而展开。这类研究主要聚焦在师生互动的结果上，可以是知识、技能的增长与提升，也可以是情感关系的培养与建立。

1.教育性。教育性是师生互动有别于其他形式的社会互动的关键特征。[2]在前面介绍过的五项研究中均有涉及对师生互动带来的教育性结果的测量，即经过师生互动，学生的知识、技能等是否得到了提高以及如何得到提高。综合来看，研究发现师生互动可以增长学生在心理学概念、数字推理、数理统计等方面的知识并提高学生在音乐演唱上的技能。此外，师生互动过程引发的脑同步与学生的各类学习表现存在正相关关系，说明师生脑同步可以预测师生互动所带来的教育性结果。[11-12][14][17][19]

2.情感性。师生互动除了可以带来学生知识技能方面的增长和提升，也可以帮助师生建立起更为密切的情感联结，促成师生关系的良性发展。在Zheng等人开展的另一项教学研究中(任务同文献[11])，研究者把关注点放在师生互动带来的情感性结果上，探究经过师生互动，教师和学生之间是否建立了情感联结，以及互动后静息情况下的师生脑同步是否可以反映这种情感联结。他们在教学开始前和结束后，各设置了10分钟的休息，同时采集休息过程中师生的大脑活动并计算脑同步。结果发现，只有在经过互动较多的问答教学后的休息阶段，感觉运动皮层才出现了比教学开始前的休息阶段更大的脑同步。教学过程中的脑同步部分中介了教学前后师生休息阶段脑同步的增长和任务结束后主观报告的情感联结之间的关系。研究表明，师生在非任务状态下的脑同步可以反映出师生情感联结的建立，而正是师生互动过程促成了这种情感联结的建立。[20]

四、与传统研究方法的比较

为了追溯师生互动的认知过程和背后潜在神经机制，渐渐开始有研究者借助认知神经科学领域的技术手段，转而展开跨学科的研究。由于师生互动的复杂性和技术水平的限制，早期的认知神经科学领域的研究大多是在单脑水平上开展的，即单个被试的实验室研究。这些研究一般通过电脑程序让被试与想象中的教师或学生进行非真实的互动，进而获得单个被试在师生互动情境下的行为和大脑活动数据。通过单脑扫描虽然能够对师生互动的某些方面进行探究，但高度控制的实验室环境并不能有效地还原在课堂上或课外真实发生的师生互动。想要进一步探明师生互动的过程、影响因素、结果和机制等，就需要在更贴近真实情境的师生互动过程中，同时采集教师和学生的大脑活动。随着技术手段的日益革新，多脑同时扫描这一新的研究范型应运而生并被广泛应用。与传统的研究方法相比，基于多脑同时扫描的新研究范型具有其独特的优势与价值：(1)实验任务具有更高的生态效度，能更有效地还原真实师生互动的全貌；(2)记录的大脑活动数据可以来自互动双方或多方，为双脑或多脑数据分析提供了可能；(3)研究发现能更多地为日常的教学实践提供有价值的建议。

五、总结与展望

综上所述，多脑同时扫描这一新的研究范型为探究真实的师生互动提供了可能，师生脑同步为探究师生互动背后的认知神经过程提供了新的观察视角。从国内初步的研究结果可以发现：(1)师生互动过程变量的改变，如互动数量和频率会引发师生脑同步相应的变化；(2)师生互动的影响因素，如教师的教学策略、教学专长，学生的先验知识、睡眠情况等，同样会引发师生脑同步的变化；(3)师生互动过程中的脑同步能预测师生互动的教育性、情感性结果。

然而，目前国内师生教学多脑扫描研究仍存在很大的局限性，主要体现在以下几个方面：(1)技术手段和数据分析方法单一，均采用fNIRS进行多脑同时扫描并用WTC算法计算脑同步；(2)任务局限在以一对一形式开展的师生互动上；(3)师生互动更多的是一种师生间双向、交互、持续性的影响，但目前的研究更多地关注师生互动中教师对学生带来的影响和作用。基于以上局限，我们期望后续研究在先前研究的基础上从以下三方面进一步展开。首先，使用或整合其他技术手段，如基于EEG技术的多脑同时扫描相对于fNIRS技术的时间分辨率更高，所以能更有效地追溯师生互动过程中认知过程和神经反应在时间上的动态变化。随着技术手段的改变，在数据分析的方法上也可以相应改变和拓展。其次，因为多形态的互动才是现实生活中师生互动的常态，所以后续研究可以转变师生互动发生的形态，比如从教师和个别学生的一对一互动转变为教师和小组学生的一对多互动，从课堂教学中的互动转变为课外活动中的互动，从教师向学生讲授知识的互动转变为学生主动向教师提出问题的互动等。最后，因为互动带来的影响和作用是双向且持续的，研究可进一步探究师生互动会给教师带来的可能影响，比如教学相长等；也可进一步开展追踪研究，在更长的时间维度上考察师生互动的持续作用和影响。