真实课堂有效学习研究：脑际视角的探索

陈菁菁 张丹

脑科学研究者巴塔查亚分享过一个故事：一天，他热情地给孩子科普实验室“有趣”的脑科学发现，孩子说：“爸爸，你们的研究根本说不通！现实生活中，我们不会在监狱一样的小隔间里等着去看显示器上打乱的图片。”孩子率真的评论，指向了生态效度这一脑科学研究的关键问题。传统实验室下的研究往往是对人们日常生活的抽象和简化。这种思路的优势在于可以尽可能地排除干扰因素，凸显我们所关注的行为与脑活动之间的关系。但抽象和简化往往意味着实验室任务和真实场景之间存在较大差异。当实验室任务与现实场景只能算得上是遥相呼应时，我们会发出疑问：实验室中的脑科学研究发现真的可以推广到日常生活中吗？

这一问题在学习这个具有很强现实意义的话题上尤为凸显。从微观视角，个人发展的诸多关键节点都受学业表现的影响；从宏观视角，学习的成效与国家乃至人类发展息息相关。当大家在谈论学习中的脑科学研究时，人们总是期待着研究成果可以帮助我们理解和优化现实生活中的学习，以助力个人与社会的发展。然而，脑科学研究中存在的生态效度问题一定程度上限制了研究成果的转化，也引来了教育领域从业者的批判。教育心理学家布鲁那评论，脑科学与教育领域之间存在的是一座过于遥远的桥梁。

伴随着这些疑虑，面向真实场景研究的自然范式在脑科学领域中悄然兴起，并引发了研究热潮。相较于传统研究中常用的高度简化和参数化的实验任务，自然范式强调引入观影、对话等现实世界中存在的情景，让研究者在更接近日常生活的实验任务中开展工作。不仅如此，伴随着可穿戴式设备的发展和成熟，秉持自然范式研究理念的脑科学研究者甚至开始走出实验室，直接在真实世界场景中展开研究。

自然范式研究：打开真实学习场景的大门

课堂作为学校教育教学工作的主阵地，是人类正式学习最重要的场景之一。当脑科学研究者尝试走出实验室时，课堂也成了他们开展真实世界研究的起点。

2017年，研究者走入真实的中学生物课堂，利用可穿戴设备记录了师生在课堂教学中的脑活动，首次研究了课堂互动这一传统脑科学研究领域的“暗物质”。这篇研究引起了很大反响，它告诉我们，脑成像技术不仅可以在高度控制的实验室中得到应用，还可以帮助我们在现实生活中建立起脑和行为的关联。这一研究也为连接脑科学和教育实践两个看似遥远的领域提供了可能性：如果研究成果本来就是在真实的学习场景中形成的，那么在考虑转化问题时，也许就不需要在跨场景的可迁移性上下过多功夫，而有可能直接将研究成果应用在教学实践中。

脑际分析：评价课堂学习过程的新兴方法

研究者还在生物课堂中发现了一个有趣现象：学生与班级其他人的脑活动相似程度可以反映该生的学习状态，如果某个学生的脑活动和班级平均的脑活动越相似，则这位同学上课的投入程度就越高。研究者认为，当不同人在完成同一任务时，个体大脑活动之间会体现出一致性。这种个体间的一致性可能源于不同个体在共同注意该任务时，受同一任务驱动诱发的相似脑活动。当学生处于低注意水平时，该生受课堂任务驱动诱发程度也低，因而体现出较低的个体间相似性；相对应的，高注意水平的学生则会体现出较高的个体间相似性。因此，学生与班级其他人脑活动的相似性可以反映个体对授课内容的专注程度。

这一分析思路正是近年来在脑科学领域快速发展的脑际视角。相较于传统方法关注事件（任务）和个体脑活动的关系，脑际分析通过关注同一任务下不同个体间脑活动的相互关联开展探索。由于脑际视角可以让研究者绕开对事件/任务的参数化建模，因而非常适合在纷繁复杂、涉及多模态多层次信息的真实课堂情境下发挥作用。该研究团队2023年的后续研究还报道了学生—班級脑际相似性与教学内容长期记忆效果的显著正向关联，进一步展示了脑际分析在评价学习过程的潜力。

班级平均：体现有效学习过程的参考系

2022年一项关于班级平均脑活动的研究进一步丰富了有效学习。研究者认为，有效学习意味着形成对知识的正确表征，而这一正确表征可以由个体间一致的脑活动体现。通过对计算机课上学生的脑活动进行追踪，研究者证实了这一假设：个体与班级平均的脑活动越相似，则学习效果越好。研究者认为，对班级同学的脑活动叠平均可以抵消个体特异的脑活动，凸显个体间一致的响应，而这种一致性响应可能反映了对教师授课内容的共同理解。当大多数学生在大多数时候都在关注课堂内容时，这种共同理解也就体现了对课堂意图传递信息的正确理解。所以，如果某个学生学习过程中的脑活动和班级平均的脑活动越相似，则该生上课对课堂内容的理解程度越高，学业表现也越好。研究者发现，这种个体间一致响应与专家（学习科学领域中有效学习的典范）的响应模式相匹配，进一步揭示了班级平均脑活动作为有效学习神经表征的可能机制。

值得注意的是，上述关于班级平均的积极发现均来源自理工科（生物、化学和计算机等）。这些学科往往强调确定科学事实和规律的掌握和应用，需要学生专注于课堂内容，获取知识。而班级平均脑活动作为对教师授课内容共同注意/共同理解的体现，其认知内涵正好与上述学科的有效学习目标（学业产出的评价标准）相契合，这就解释了为什么班级平均脑活动可以作为上述学科有效学习过程的参考系。

学科差异视角下的有效学习过程参考系

然而，当我们在讨论真实课堂学习中的有效学习时，必须要对“有效性”的评价标准进行深入考量。因为，与传统实验室研究常以知识记忆情况来评价学习产出不同，教学实践中的评价体系要复杂得多，而且受学科特异育人理念的影响，不同学科会体现出差异化的评价标准。那么，适应理工学科有效学习内涵的班级平均脑活动，是否也可以用于评价人文学科学习过程有效性呢？不同学科的学习过程中，是否存在不同的、可以描述个体任务表现的“参考系”呢？

通过对比语文和数学课堂的学生脑活动，2023年，研究者对有效学习神经表征的学科差异进行了探讨。研究团队发现，数学和语文学习对应不同的脑际相似性神经表征：数学课堂学习过程学生—班级脑际相似程度与其数学学业表现显著正相关，而语文课堂学习过程学生—优生脑际相似程度与其语文学业表现显著正相关。这一研究结果符合数学和语文分别代表的理工与人文学科规律：数学学习强调对确定知识的掌握与应用，学生—班级脑际相似性可以体现个体对教学内容的投入与理解程度，是评价学习效果的可靠指标；语文学习需要更多个人建构和理解，高学业表现学生学习过程的脑活动可以更好地表征有效学习。该研究证明了学科差异对课堂学习脑活动的影响：不同学科确实存在不同的、描述个体任务表现的“参考系”。

什么样的认知神经模式对应着有效学习过程？基于不同学科的研究提供了多个可能的答案：班级平均的就是好的、优生的就是好的、专家的就是好的，分别被解读为以群体知识建构共性为参考、以知识建构表现优秀者为参考和以知识掌握典范为参考的学习有效性评价体系。虽然上述体系在实证研究中都指向过好的学习状态，但这些“参考系”之间存在着系统性的差别。那么上述 “参考系”分别反映了什么样的认知过程？哪种可以更好地预测学习效果？对上述问题的进一步探究将可以帮助我们更深入地明晰有效学习过程的脑认知内涵，也有望助力脑际视角在教育情境中更好地得到应用和推广。

与此同时，考虑到课堂学习的现实意义，在探究有效学习认知神经表征的同时，如何促成学生的有效学习是研究者必须回应的重要话题。近年来，脑机接口技术的发展为实现基于脑响应的个体状态动态、实时监测和提升提供了契机。那么，是否可以基于脑机接口技术，将有效学习的认知神经发现转化为面向课堂学习效果评价与优化的方法体系，切实助力课堂教学质量的提升？

那么，我们应该如何建立从脑科学研究发现到教学实践的“桥梁”？传统脑科学研究选择把人从真实学习场景中抽离出来，让人只与精细设计、高度控制的实验程序互动。这一思路固然帮助我们揭示了诸多脑认知规律，但也在一定程度上限制了研究成果与真实生活的连接。自然范式研究则将人重新放回到现实世界中，直接观察真实学习中的大脑。这种研究范式或许可以为形成有实践启发意义的科学发现带来新的契机。虽然追问还在继续，但我们相信，进一步的研究将为我们更深入地理解课堂学习机理，预测和优化课堂学习行为提供力量源泉。