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李先春教授课题组在国际著名影像学期刊NeuroImage上在线发表最新研究成果

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网络授课的学习效果能否取代课堂授课?---来自脑间活动同步性的证据-

 

      人类的学习通常来自与他人的互动过程中,随着以计算机为媒介的网络教学模式的兴起,传统的面对面课堂教学模式受到了前所未有的挑战。有研究显示,相比于网络课程,在面对面的教学模式下,师生可以通过言语或非言语的方式传递和反馈信息,这种实时的师生互动有利于学生对新知识的理解和吸收。教学过程中学生通过与老师进行互动,能够将已有的先验知识和新知识点建立联系,以往研究表明,当教学内容基于学生的先验知识时,能够加快学生的学习进程,提升学习效率。由此可见,学生的先验知识状态和教学模式均会影响最终的教学效果,目前尚不清楚这两个因素是如何相互作用影响教学效果的,且其神经机制尚不清楚。近年来,超扫描(hyperscanning)技术已被广泛探讨诸如人类合作行为(Cheng et al., 2015; Pan et al., 2017)、复杂决策行为(Hu et al., 2017)等多个涉及人际互动领域,一致发现脑间活动同步性(Interpersonal neural synchronization,INS)能够作为衡量人际互动行为的稳定的神经标记物。

       李先春教授课题组采用基于近红外成像的超扫描技术,以师生脑间活动同步性为切入点,探究不同教学模式和学生知识状态对于教学效果的影响。研究招募了21对被试,一人为“教师”,一人为“学生”。每一对被试需要在面对面(FTF)或者以计算机为媒介(CMC)(如图1A)的教学情境下,先后完成有先验知识(概率论)和无先验知识(期权理论)两种教学材料的教学(如图1B)。在教学完成后,对学生进行考核,检测教学效果。为保证教师教学方式的一致性,所有教师在实验前接受统一培训并且试讲达到既定标准后方能参与正式实验。在教学过程中,使用功能性近红外光谱技术(fNIRS)同时观测记录老师和学生在额叶与颞-顶联合区大脑活动变化情况,计算脑间活动同步性。

      首先行为学结果表明,教学模式和学生有无先验知识对学生成绩具有交互作用(如图1C),且仅在面对面教学且有先验知识的情境下,师生感知到的互动水平与学生的测验成绩呈正相关(如图1D)。研究还发现,在面对面教学且有先验知识的教学情境下,左侧前额叶的脑间活动同步性(INS)显著增强(如图2A & 2B),并与师生感知到的互动水平与学生的测验成绩分别呈正相关(如图2C & 2D)。进一步分析显示,INS在感知到的师生互动对教学效果的影响中起中介作用(如图3)。另外,对INS在时间进程上动态变化的分析显示,左侧前额叶的INS在教学早期可以对有先验知识下FTF和CMC这两种教学模式加以区分的同时,也能预测学生的学习成绩(如图4)。左侧前额叶涉及心理理论与自我-他人信息的整合,该脑区的脑间活动同步性反映了面对面有先验知识的教学情境下师生间相似的认知过程。以上研究结果一方面为脑间活动同步性作为师生教学互动的神经标记提供了更充足的证据,另一方面,也提示我们脑间同步性作为动态评估教学质量客观神经指标的可能性。

实验设计和行为学结果

(A)面对面教学(左:FTF)和以计算机为媒介的教学(右:CMC);(B)实验流程;(C)学生的学习成绩;(D)有先验知识条件下不同教学模式中感知到的师生互动和学生成绩的相关性。

 

脑间活动同步性(INS)结果

(A)有先验知识的FTF教学情境下的INS;(B)不同教学情境下左侧前额叶(通道19)INS的差异;(C)两种教学情境中左侧前额叶皮层的INS与感知到师生互动的相关性;(D)两种教学情境下左侧前额叶皮层的INS与学生成绩的相关性。

3  INS的中介作用

 

不同教学情境下累积INS的动态变化及其对教学成绩的预测性

(A)&(B)有/无先验知识的教学情境下,FTF和CMC教学模式的INS差异的动态变化;(C)&(D)有/无先验知识的教学情境下,FTF和CMC教学模式的INS对教学成绩的预测。

 

       目前,研究论文已在国际著名影像学期刊NeuroImage上在线发表 (SCI, IF: 5.43)。博士生刘洁琼与硕士生张如倩为共同第一作者,李先春教授为通讯作者。近年来,李先春教授课题组基于近红外和脑电的超扫描技术,考察人际互动(如师-生互动,谎言识别与社会规范遵从等)过程中的脑间活动同步变化情况,从而探讨高级社会认知过程的脑机制,并试图寻找这些活动的客观标记物,为进一步提升或改善人类社会功能提供科学依据。

参考文献:(#第一作者,*通讯作者)

Cheng, X., Li, X., Hu, Y., 2015. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: A fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36, 2039-2048.

Pan Y., Cheng X., Zhang Z., Li X. * and Hu Y. * (2017) Cooperation in lovers: An fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping.38(2):831-41

Hu, Y., Hu, Y., Li, X., Pan, Y., Cheng, X., 2017. Brain-to-brain synchronization across two persons predicts mutual prosociality. Soc. Cogn. Affect. Neuroscience. 12, 1835-1844.

Liu, J. (#), Zhang, R. (#), Geng, B., Zhang, T., Yuan, D., Otani, S., & Li, X. (*) (2019). Interplay between prior knowledge and communication mode on teaching effectiveness: Interpersonal neural synchronization as a neural marker. NeuroImage. Online publication.

 

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