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2026-03-22
2026-03-22
該論文發(fā)表于Psychological Science（SSCI一區(qū)，IF=4.8），題目為《The Temporal Dynamics of Brain-to-Brain Synchrony Between Students and Teachers Predict Learning Outcomes》。
紐約大學心理學系的Ido Davidesco博士為此論文的第一作者，Suzanne Dikker博士為此論文的通訊作者（與David Poeppel博士共同擔任資深作者）。論文鏈接:https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/09567976231163872
論文概要
文章聚焦于研究人類學習過程當中，教師與學生大腦之間的互動關系。該研究設計了九個實驗組，每組包含四名學生和一名教師。通過研究他們的腦電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學生間的alpha頻段（8-12 Hz）腦間同步可預測其即時與延遲測試成績，且特定授課片段中學生間的腦同步水平與答題正確率顯著相關。師生腦間同步則揭示出約300毫秒的神經(jīng)活動滯后（學生腦活動滯后于教師），這與口語理解的時間特征相符。這些發(fā)現(xiàn)為在生態(tài)效度情境中同步采集群體學習者腦數(shù)據(jù)的重要性提供了關鍵新證據(jù)。
研究背景
人類學習在很大程度上是通過與他人互動實現(xiàn)的，從兒童期開始，個體就通過觀察、模仿和交流來獲取知識和技能。社會互動不僅塑造了認知發(fā)展，也深刻影響著課堂學習的效果——師生關系、同伴互動和課堂氛圍都被證明與學生的學習投入和學業(yè)成就密切相關。
然而，盡管社會互動在學習中扮演著核心角色，其背后的神經(jīng)機制卻知之甚少。傳統(tǒng)學習神經(jīng)科學研究多采用功能性磁共振成像或近紅外光譜技術，聚焦于單一被試在孤立環(huán)境中的腦活動，難以捕捉真實課堂中多人互動的動態(tài)過程。近年來，腦間同步逐漸成為研究熱點，指多個個體的大腦活動在時間上的耦合現(xiàn)象。已有研究表明，腦間同步與注意力、記憶編碼和社會聯(lián)結(jié)等因素相關，但關于其是否直接預測學習效果，尤其是師生之間的腦間同步與學習的關系，尚缺乏一致結(jié)論。
此外，現(xiàn)有研究多采用低時間分辨率的成像技術，無法精確考察師生腦活動的時間先后關系。語言理解的研究表明，聽者的腦活動通常滯后于說話者數(shù)百毫秒，但這種時間滯后是否存在于課堂師生互動中、是否與學習效果相關，仍有待實證檢驗?；谝陨媳尘埃狙芯坎捎酶邥r間分辨率的腦電技術，在模擬課堂環(huán)境中同時記錄多名學生與一名教師的腦活動，旨在探討：學生間及師生間的腦間同步是否預測學習效果？這種同步的時間動態(tài)特征如何？
研究方法
本研究在模擬課堂環(huán)境中進行，共招募31名大學生作為學生參與者，以及兩名高中科學教師作為授課教師，組成9個“四學生一教師”的實驗小組。所有參與者均為英語母語者、右利手、無神經(jīng)系統(tǒng)疾病史。
實驗流程如下：
1）前測：講座前一周完成，評估學生對四個科學主題的先驗知識；
2）腦電采集：學生與教師同時佩戴32通道Enobio腦電設備（采樣率500Hz），進行四節(jié)各約7分鐘的教師講授式講座。學生被要求保持靜止、減少頭部運動、不提問以降低腦電偽跡；
3）后測：每節(jié)講座后立即進行即時后測，一周后進行延遲后測，測試題均為10道選擇題，與前測試題相同。
此外，還通過時間滯后分析考察師生腦活動的時間關系，并將腦間同步與學習效果進行多水平模型分析。為進一步探究腦間同步的時間特異性，研究者還根據(jù)講座逐字稿，識別出與每個測試題目相關的內(nèi)容片段，分別計算學生在“學會”與“未學會”題目對應片段的腦間同步水平。
圖1 實驗設置與時間線
腦電數(shù)據(jù)使用MATLAB和EEGLAB進行預處理，包括0.5-35Hz帶通濾波、剔除噪聲通道、1秒分段、獨立成分分析去除眼電偽跡、剔除異常電壓片段。教師數(shù)據(jù)因運動偽跡較多，采用更嚴格的剔除標準。腦電數(shù)據(jù)預處理后，研究者采用圓形相關系數(shù)（circular correlation）計算每對參與者之間相同電極的相位同步性，重點關注θ、α、β三個頻段，以及后部、中央、前部電極這三個感興趣區(qū)。圓形相關值經(jīng)Fisher Z轉(zhuǎn)換后標準化，并在epoch、講座和電極對上平均。
研究采用了多種統(tǒng)計方法來檢驗腦間同步與學習效果的關系。首先，為了控制虛假的腦間同步，采用了基于自助法的配對t檢驗，將學生在匹配講座（同一講座）與非匹配講座（不同講座）中的腦間同步進行比較，預期匹配講座的同步性顯著更高。該分析分別在三個頻段（θ、α、β）和三個感興趣區(qū)（后部、中央、前部）進行，p值經(jīng)FDR校正。
其次，由于學生嵌套于實驗小組，采用多水平模型（以小組為分析單位）檢驗腦間同步對學習效果（前測至即時后測變化、前測至延遲后測變化）的預測作用，將腦間同步作為第一層預測變量。第三，為探究腦間同步的時間特異性，根據(jù)講座逐字稿識別每個測試題目對應的內(nèi)容片段（僅選取時長≥3秒的片段），將題目分為“學會”（后測正確但前測錯誤）與“未學會”（答案未改變）兩類，采用重復測量方差比較兩類片段下的腦間同步差異。最后，通過時間滯后交叉相關分析考察師生腦間同步的時間動態(tài)：將教師腦活動時間序列相對于學生進行-500ms至500ms的平移（步長100ms），計算各滯后下的α頻段腦間同步，并使用自助法檢驗各滯后同步性的顯著性。
實驗結(jié)果
本研究首先對行為數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示學生在前測中的平均正確率為43%，即時后測提升至73%，延遲后測為64%，前測與兩次后測之間均存在顯著差異，且即時后測與延遲后測之間也存在顯著下降，表明學生在講座中確實學到了新知識，但一周后有所遺忘。前測成績顯著預測延遲后測成績，但對即時后測無顯著預測作用。
圖2 前測、即時后測與延遲后測中的平均得分
在腦間同步分析中，研究者首先通過比較匹配與非匹配講座的腦間同步來檢驗其統(tǒng)計特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅α頻段在中央電極區(qū)域的腦間同步在匹配講座中顯著高于非匹配講座，其他頻段和腦區(qū)均未達到顯著，因此后續(xù)分析均聚焦于α頻段中央電極的腦間同步。進一步的多水平模型分析顯示，學生間的α頻段腦間同步顯著正向預測前測至即時后測的變化以及前測至延遲后測的變化，且時間因素與腦間同步無顯著交互作用，說明腦間同步對即時與延遲學習效果的影響強度相當。相比之下，個體α功率與學習效果無顯著關聯(lián)。
圖3 α波段腦間同步（BBS）與測試前-延遲后測變化之間的關聯(lián)
為探究腦間同步的時間特異性，研究者根據(jù)講座逐字稿識別出每個測試題目對應的內(nèi)容片段，并將題目分為“學會”與“未學會”兩類。結(jié)果顯示，無論是即時后測還是延遲后測，學生在“學會”題目片段的α頻段腦間同步均顯著高于“未學會”題目片段，表明腦間同步在特定內(nèi)容片段上的波動與學生的答題表現(xiàn)密切相關。
在師生腦間同步方面，時間滯后分析發(fā)現(xiàn)，師生間的α頻段腦間同步僅在教師腦活動領先學生約300毫秒時達到顯著水平，其他時間滯后均未顯著。該300毫秒滯后下的師生腦間同步顯著預測學生的延遲后測成績，但對即時后測無顯著預測作用，且兩名教師之間的腦間同步水平無顯著差異。
圖4 師生腦間同步性（BBS）的時域分析
結(jié)論
本研究通過同步記錄師生在模擬課堂中的腦電活動，揭示了腦間同步與學習效果之間的密切關系。研究得出以下主要結(jié)論：
首先，學生間的α頻段腦間同步能夠顯著預測即時和延遲學習效果，且這種關聯(lián)在控制個體腦電功率后依然成立，表明腦間同步作為一種群體層面的神經(jīng)指標，比個體腦活動更能反映課堂學習的效果。其次，腦間同步具有時間特異性，學生在掌握特定知識點對應的講座片段中，與同伴的腦同步水平顯著高于未掌握內(nèi)容的片段，說明腦間同步能夠捕捉學習過程中動態(tài)變化的神經(jīng)活動。第三，師生間的腦間同步在約300毫秒的時間滯后處達到峰值，這一時間特征與語言理解過程中聽者滯后于說話者的神經(jīng)耦合模式一致，表明師生之間的神經(jīng)耦合可能支撐了課堂信息的有效傳遞。最后，師生腦間同步對延遲學習效果的預測作用顯著，但對即時學習效果無顯著預測，提示延遲后測更能反映深度學習的效果，可能與新知識與已有知識的整合過程有關。
綜上所述，本研究首次在具有生態(tài)效度的課堂模擬環(huán)境中，利用高時間分辨率的腦電技術證實了師生及學生間腦間同步與學習效果的關系，為社會性學習的神經(jīng)機制提供了重要證據(jù)，也為未來在真實課堂中開展多人腦同步研究奠定了基礎。
撰稿人：陳梓杰
審稿人：黃海云
