功能性近红外光谱技术揭秘怎样教学更有效!华东师大发布脑研究新成果

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近期,在线教育是大中小学校的主要教学活动形式。学生喜欢怎样的线上材料?为什么有些线上材料更能吸引学生?教师该怎样呈现教学材料?等等。针对这些问题,华东师范大学心理与认知科学院的胡谊教授及其团队,采用基于功能性近红外光谱成像(functional near infrared spectroscopy, fNIRS)的大脑超扫描技术,对教学材料所引发的学生偏好,教师呈现材料的方法,以及师生之间的大脑同步,进行了深入研究。近期,团队两篇论文同时发表在国际著名神经影像期刊Neuroimage。


功能性近红外光谱技术揭秘怎样教学更有效!华东师大发布脑研究新成果


脑功能成像的新方法:功能性近红外光谱技术


人类的一切心理和行为都由大脑决定,无论是心理科学还是行为科学,最终的研究归宿,都在于大脑,因此,深层次的用户心理和行为研究也必然指向于大脑的活动。过往研究大脑的技术主要是功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)、于脑电图 (Electroencephalography, EEG)和脑磁图(Magnetoencephalography, MEG)等,近几年,性近红外光学成像技术(functional near- infrared spectroscopy, fNIRS)开始迅速兴起。


功能性近红外光谱技术是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似,即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性,来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化,即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。


近20年来,随着功能性近红外光谱技术的硬件设备的制造和改进以及数据处理方法的完善,利用近红外进行各类认知活动的研究层次不穷。现在,fNIRS已经与脑电图(EEG、ERP)、功能磁共振成像(fMRI)等脑成像技术一样,成为人类探索大脑奥秘的利器。


fNIRS技术揭秘学生爱学什么


功能性近红外光谱技术揭秘怎样教学更有效!华东师大发布脑研究新成果

图1. 视频制作与播放时的大脑活动记录


在第一篇论文中,研究团队制作了12段视频;视频内容是由同一位小提琴手演奏的世界名曲。在演奏过程中,研究者用近红外仪器,记录了小提琴手(示范者)的大脑活动,同时进行了录像;然后,将这些录好的视频,播放给学生;学生在观看这些视频材料时,研究者也记录了他们的大脑活动。视频观摩之后,研究者评估了学生对这些视频材料的喜好程度,并计算了学生-示范者之间的脑间同步这一指标(图1)。


结果发现,对视频材料的偏爱与学生-示范者之间的左侧颞叶脑间同步有关;相比前期,这种相关性在观看后期更强(图2);脑同步可区别,甚至预测学生对视频材料的偏好程度。这些实验结果表明:一个视频材料之所以受学生喜欢,是因为这个材料更容易导致学生-示范者的大脑同步;学生较早感兴趣于视频材料所呈现的内容,则可预测接下来的视频内容;一旦预期得到验证,就给人带来一种愉悦感。也就是说,好听、好看的视频材料,其原因是众多观众与示范者的“不谋而合”与“大脑共鸣”。


功能性近红外光谱技术揭秘怎样教学更有效!华东师大发布脑研究新成果

图2:学生-示范者之间大脑同步发生的脑区,以及该脑同步与视频材料偏好的相关


在第二篇论文中,研究团队还原了具有高生态效度的师生互动教学场景,教师面对面地向学生教授知识(心理学领域);设计了两类教学方式:一类是教师逐步提供难度渐进的问题,引导学生自己解决问题,这称为支架式教学;另一类是教师提供一些信息,诠释重要的术语、概念和原理,这被称为解释性教学。在两类教学活动中,研究者也采用近红外脑成像技术,全程同步采集师生两个人的大脑活动。


功能性近红外光谱技术揭秘怎样教学更有效!华东师大发布脑研究新成果

图3:教学策略调节师生脑同步及脑-行为相关


结果发现,师生间大脑活动在教学过程中趋向同步;这种师生脑同步依赖于教师使用的教学策略;这就是,当教师采用支架式教学时,其与学生的脑同步,比解释性教学时更强;这种增强的师生脑同步,可预测学生的学习表现(图3)。为了厘清师生脑同步和具体教学行为之间的关系,研究者用视频编码技术,发现了师生脑同步的增强与教师采用的支架行为有关(如询问引导性问题,提供暗示等);但是,当教师执行解释行为(如提供定义或澄清概念等)时,师生脑同步则比较弱。基于这些结果,研究建议:教师在教学活动中,除了要进行必要的概念解释外,可以提出一些由易到难的问题,帮助学生思考所学内容及其关系;这些问题因人而异时,效果最好。


据悉,团队将继续拓展近红外超扫描的研究领域(教育、管理、咨询、健康等),更扎实、更高水平地推进校内、校外、国际的合作,成为以“脑际认知”为特色、能引领国际学术前沿的心理学科学研究中心。

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