超扫描技术在教师教育领域的运用

赵肖倩 孙炳海 李伟健

[摘   要]良好的课堂师生互动不仅能提高课堂教学质量，也能有效地提高学生素质和教师素质。以师生互动为出发点，了解超扫描技术及近年来该技术在教师教育领域的运用，将帮助我国教育者了解国内外基础教育的新动态，为未来运用认知神经技术进一步探索教师教育领域提供方向和借鉴。

[关键词]超扫描技术;师生互动;教育

一、超扫描技术在教育领域的研究背景

教育部等五部门联合发布的《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》提出了五大目标任务、十大行动，用5年左右时间建设一支高素质专业化创新型教师队伍。然而，当前教师队伍的培养和考察仍然基于学科核心能力[1]，对于影响教师职业发展具有重要作用的教师社会性能力重视不足。教师角色需由知识的传递者向学习活动的设计者和指导者转变，使师生关系转变为新型的学习伙伴关系，这对教师的社会性能力提出了更高的要求。良好的课堂师生互动不仅能提高课堂教学质量，也能有效提高学生素质和教师素质[2]。

对课堂中师生互动的研究表明，探索潜在的神经活动可能有助于从教师和学生的角度理解和预测教育成果[3]。传统认知神经科学的研究重点是理解相关刺激对单个大脑的影响，但这种方法不足以研究现实生活中的社会互动[4]。2002年，蒙塔歌（Montague）首次提出超扫描技术的概念，即通过借助功能磁共振成像（fMRI）、脑电图（EEG）、功能性近红外光谱成像（fNIRS）等神经科学技术同时记录两人或多人的大脑神经活动[5]。通常以被试间的大脑神经活动的同步性（即脑际神经同步）作为衡量个体间互动情况的指标。

2013年，霍尔普（Holper）等人首次将fNIRS超扫描技术运用于课堂，以了解复杂而真实的教学互动，为成功的教学提供科学指导。运用认知神经科学手段，尤其是超扫描技术探讨自然情境中教师教育活动的神经机制，为发现、解释互动教学中的问题提供了新视角。

二、超扫描技术在教师教育领域的运用

1.教师差异

自20世纪70 年代后期开始，“专家—新手”比较范式就被应用于教师研究领域。研究者们试图探明新手教师与专家型教师的差异，进而通过精准培养，促进新手教师快速成长为专家型教师[6]。根据以往的行为研究，专家型教师在教学领域的表现优于新手教师，如课前规划和课后反思。但在与学生的合作方面是否也如此尚不清楚。在前人研究的基础上，孙（Sun）等人在2020年基于教师的专业发展阶段（职称）和经验（教龄）将教师划分为专家与新手，通过教师与学生的联合决策任务考察了不同类型教师与学生合作的差异[7]。在该项研究中，屏幕中央放置一个方程，如“（ ）+（ ）=3的倍数”，方程下方显示1到9的数字。教师要与学生共同完成特定的加法算数任务，使两人选择的数字之和为3或3的倍数。选择完成后屏幕会呈现是否正确，每个数字只能被选择一次。每对师生一共完成六轮，每轮九次选择。

结果显示，在教师与学生各自与计算机完成合作算数任务时，被试间的准确率不存在显著差异。但当教师与学生合作完成算数任务时，在准确率方面，专家型教师显著高于新手教师。同时，在合作条件下，专家型教师和学生在左侧背外侧前额叶脑区出现了显著的人际间神经同步，而新手教师和学生之间没有发现这种显著的同步。这表明，相比于新手教师，专家型教师与学生的合作更好，且其观点采择能力与师生间准确率及脑际神经同步呈正相关。这可能是由于专家型教师丰富的经验使他们更能采用他人视角来推断同伴意图并预测其行为，所以与学生合作得更好。故未来对于新手教师的培训可考虑增强其观点采择能力。

2.教学组织

一些研究表明，在学习抽象材料时，讲授比互动教学更利于学生理解。还有研究认为，视频教学与传统的面对面教学同样有效[8]。2018年，郑（Zheng）等人比较了线下教学、线上教学和视频教学对教学效果的影响[9]。研究者选择用数字推理内容评估教学效果，事先将讲解例题和解题步骤发给教师，教师通过准备和练习后向研究者演示教學，直到表现获得研究者的认可。之后教师通过线下教学、线上教学或事先录制的视频教学，以一对一的方式将内容传授给学生。教师讲解知识点后，学生有一定的思考时间。结果显示，三种教学方式都使学生的成绩比教学前有了显著提高，但三种方式间的差异不显著，即效果相似。线下教学与线上教学的脑际神经同步增幅无显著差异，但都显著高于视频教学。无论采用哪种教学方式，教师与学生的脑际神经同步与教学效果呈正相关，脑际神经同步越强，教学效果越好。研究还发现，成功的知识传递与师生间的大脑活动相关，因此，通过师生间的大脑活动情况可推测课堂教学效果。该研究结果也为新冠肺炎疫情期间的线上教学提供了支持，即线上教学方式不一定会削弱教学效果。

3.教师教学技巧

霍尔普等人在2017年以“苏格拉底对话”为载体，用fNIRS同步记录师生对话期间大脑前额叶的活动[10]。研究者事先告知参与实验的教师，在与学生的交谈过程中按照结构化对话进行。对话由50个问题组成，代表了一个关于算术问题的结构化讨论，如“怎样使一个正方形的面积翻倍”。对话目的是通过自我阐述来帮助学生发现解决问题的方法，包括使用强制性问题（必须回答）、条件性问题（当回答错误时……）和线性问题（按顺序提问）。研究结果显示，教师引导学生关注正方形的对角线时，提出了一个新的几何推理路径，使问题得以解决。在这个信息传递的关键时刻，学生和教师的大脑活动同步。并且研究发现，在成功的教育对话中（即学生能进行知识迁移），学生的大脑激活模式与教师相似。

2018年，潘（Pan）等人通过近红外超扫描技术考察了师生歌曲教学中整体教学方式占优还是部分教学的式占优[11]。在整体教学方式中，教师演唱完整首歌曲后学生模仿;在部分教学方式中，教师唱一句，学生模仿一句，直到学完整首歌。两种方式的不同在于师生互动的数量。根据卷入理论，学生和教师之间的互动量是促进学习的关键因素。结果显示，接受部分教学方式的学生在实验后的测试中表现更好，并且与教师的脑际神经同步更高，尤其是在学生观察阶段。此外，潘等人还考察了支架式教学法与解释式教学法对学生概念学习的影响[12]。结果表明，当教师使用支架式教学法（如提示）时，学生与教师的脑际神经同步增强，且脑际神经同步的强度与学习效果存在显著正相关。

以上研究表明，選择适当的教学方式（如结构化讨论、分解教学）可以增强师生间的大脑神经同步，提高学生的表现。可能因为这些方式更注重师生互动，引导学生成为了教学活动的主体。

4.课堂互动质量

2017年，迪克尔（Dikker）等人使用便捷式脑电在现实中自然课堂活动期间对12位高中生的大脑神经活动同时进行扫描和记录，探讨学生间的大脑同步程度是否可以预测学生的课堂参与程度[13]。学生需要在11个实验日里（为期三个月）持续使用EEG，期间学生会体验四种不同的教学方式（大声朗读、观看视频、讲座和教学讨论）并完成问卷评分（如课堂满意度）。这项研究主要关注学生之间的相互依赖关系以及学生课堂参与程度，可以使研究者分析学生在三个社会层面上大脑之间的同步，即群体同步、学生和群体的同步以及学生和学生之间的同步。

结果显示，学生更喜欢观看视频和参加教学讨论，这在后半学期的评分中更为明显。结合脑电数据发现，学生与群体的同步表现与学生评分有很强的正相关：后半学期学生评分越高，学生群体的同步时间越多，且面对面有言语互动的学生之间的同步性最高。研究表明，课堂上面对面的交流增加了学生之间的脑际神经同步，这种同步可以看成是人际关系的“活化剂”，学生之间的神经同步可以反映学生在课堂上的参与度。

三、结语

师生互动不仅是保证教学目的达成的重要形式，也是促进学生社会性、行为和认知发展的重要途径。研究者认为脑际神经同步可以被看做是评估人际互动的一个有效的神经指标。通过比较不同情境下教师与学生的脑际神经同步，可以帮助教育者理解和寻找更为适合的教学方式。上述研究也表明，脑际同步可能是课堂互动中的一个灵敏的神经标志，可以预测动态的课堂互动。未来的研究可以借助认知神经手段在教师教育领域进行更多探索，为教师的教学及育人过程提供科学指导。

参考文献

[1]丁钢，李梅.中国高等师范院校师范生培养状况调查与政策分析报告[J].教育研究，2014（11）：97-108.

[2]黄翠华.民族地区农村小学课堂师生互动的问题与对策[J].现代教育，2015（12）：20-22.

[3][10]Holper L， Goldin A P， Shalóm， Diego E， et al. The teaching and the learning brain： A cortical hemodynamic marker of teacher-student interactions in the Socratic dialog[J].International Journal of Educational Research， 2013（59）：1-10.

[4]Gvirts， Hila Z， Rotem Perlmutter. What guides us to neurally and behaviorally align with anyone specific？ A neurobiological model based on fNIRS hyperscanning studies[J].The Neuroscientist，2020， 26（2）：108-116.

[5]Montague P R， Berns G S， Cohen J D， et al. Hyperscanning： simultaneous fMRI during linked social interactions[J].NeuroImage， 2002，16（4）：1159-1164.

[6]张春莉，马晓丹.专家型与新手型教师的对比研究综述[J].教师发展研究， 2017（1）：90-97.

[7]Sun B， Xiao W， Feng X， et al. Behavioral and brain synchronization differences between expert and novice teachers when collaborating with students[EB/OL].https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0278262619303586.

[8][9]Zheng L， Chen C， Liu W， et al. Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students' knowledge state[J]. Human brain mapping，2018， 39（7）：3046-3057.

[11]Pan Y， Novembre G， Song B， et al. Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song[J]. Neuroimage， 2018， 38（2）：831-841.

[12]Pan Y， Dikker S， Goldstein P， et al. Instructor-learner brain coupling discriminates between instructional approaches and predicts learning[EB/OL].https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811920301440.

[13]Dikker S， Wan L， Davidesco I， et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom[J]. Current Biology，2017， 27（9）：1375-1380.

（责任编辑  郭向和）