在线教育的脑科学研究：华东师范大学近红外超扫描研究团队获得新进展

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》；第一作者分别为我校博士生侯莹莹和潘亚峰（现为瑞典卡罗琳斯卡研究院博士后）。

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.壹.

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）。

图1. 视频制作与播放时的大脑活动记录

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”。

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。

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.贰.

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。

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。

图3. 教学策略调节师生脑同步及脑-行为相关

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.叁.

上述两篇研究论文是我校近红外超扫描研究团队，着力“心理学、教育学和脑科学”的交叉学科研究，加强团队建设，不断产出高水平科研成果的一个缩影。该团队共有10人：教授3人、副教授3人、讲师1人、博士后2人、实验人员1人。团队建设举措包括：教授与青年教师一起，共同指导博士生和研究生；青年教师在教授指导下，积极申请国家和省部级课题；在成果发表上，青年教师作为第一作者，或者与资深教师成为共同通讯作者；在实验室硬件和制度建设上，青年教师和博士生参与规划和实施；团队与国内外高水平科研团队（如北大、耶鲁等），建立博士生访学和联合培养机制；等等。

该团队秉承的“合作开放、追求卓越”科研文化，产生了良好的学科建设效益：在近红外超扫描领域，近四年申请到3项国家自然科学基金项目、1项教育部人文社科基金项目、2项上海市社科基金项目；申请2项专利；先后在国际高水平期刊发表10余篇论文，包括Cerebral Cortex（1篇）、NeuroImage（6篇）、Human Brain Mapping（3篇）、SCAN（2篇）等。基于这些成果，团队教师1人职称晋升为教授、2人为副教授。

经过5年建设，团队研究走到了国际此领域的前列。在2019年末，华东师范大学在美国斯坦福大学的最新数据统计中，为该领域论文发表机构“第一位”。团队取得成绩，离不开学校和学院大力支持；累计投入1000多万元，用于购买日立ETG-7100近红外光学成像设备2套并配备专业屏蔽房，建成近红外脑成像实验室。2016年至2019年，连续举办四届全国“脑际认知研讨会暨工作坊”。未来五年，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。

全国脑际认知研讨会

已发表的相关论文：

1. Pan, Y., Dikker, S., Goldstein, P., Zhu, Y., Yang, C. *, & Hu, Y*. (2020). Instructor-learner brain coupling discriminates between instructional approaches and predicts learning. NeuroImage, 211: 116657.

2. Hou, Y., Song, B., Hu, Y., Pan, Y., & Hu, Y*. (2020). The averaged inter-brain coherence between the audience and a violinist predicts the popularity of violin performance. NeuroImage, 211: 116655.

3. Lu, K., Xue, H., Nozawa, T., & Hao, N.* (2019). Cooperation makes a group be more creative. Cerebral Cortex, 29, 3457-3470.

4. Wang, X., He, Y., Lu, K., Deng, C., Qiao, X., & Hao, N.* (2019). How does the embodied metaphor affect creative thinking? NeuroImage, 202: 116114.

5. Wang, C., Zhang, T., Shan, Z., Liu, J., Yuan, D., & Li, X. * (2019). Dynamic interpersonal neural synchronization underlying pain-induced cooperation in females. Human Brain Mapping, 40, 3222-3232.

6. 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, 193, 93-102.

7. Lu, K., & Hao, N.* (2019). When do we fall in neural synchrony with others? Social Cognitive and Affective Neuroscience, 14, 253-261.

8. Lu, K., Qiao, X., & Hao, N.* (2019). Praising or keeping silent on partner's ideas: Leading brainstorming in particular ways. Neuropsychologia,124, 19-30.

9. Xue, H., Lu, K., & Hao, N.* (2018). Cooperation makes two less-creative individuals turn into a highly-creative pair. NeuroImage, 172, 527-537.

10. Pan, Y., Novembre, G., Song, B., Li, X., & Hu, Y. (2018). Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song. NeuroImage, 183, 280-290.

11. Zhang, Y., Meng, T., Hou, Y., Pan, Y., & Hu, Y. (2018). Interpersonal brain synchronization associated with working alliance during psychological counseling. Psychiatry Research: Neuroimaging, 282, 103-109.

12. Hu Y. *, Pan Y., Shi X., Cai Q., Li X., & Cheng X. (2018). Inter-brain synchrony and cooperation context in interactive decision making. Biological Psychology 133, 54-62.

13. Pan, Y., Cheng, X., Zhang, Z., Li, X., & Hu, Y. (2017). Cooperation in lovers: An fNIRS‐based hyperscanning study. Human Brain Mapping, 38, 831-841.

14. Hu, Y., Hu, Y., Li, X., Pan, Y., & Cheng, X. (2017). Brain-to-brain synchronization across two persons predicts mutual prosociality. Social Cognitive and Affective Neuroscience, 12, 1835-1844.

15. 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. 

THE END

图文｜潘亚峰  候莹莹  胡   谊

编辑｜张鹏骞

华东师范大学

心理与认知科学学院

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