学术新闻报道

在《Neuroimage》2024年第285卷中，发表了一篇名为《bridging stories and science: an fnirs-based hyperscanning investigation into child learning in stem》的文章，这篇文章由Juan Zhang等人共同撰写，研究团队来自澳门大学教育学院、健康科学学院以及认知与脑科学中心。本文的在线版于2023年12月8日发布。研究主要通过功能近红外光谱（fNIRS）技术，探索不同的STEM（科学、技术、工程、数学）教学方法（传统教学、故事教学和故事板教学）对教师和学生神经活动同步化的影响。

研究背景

STEM教育在早期学习阶段至关重要。科学家们一直在努力寻找更加有效的STEM教学方法，以提高学生的学习效果。然而，关于不同教学方法在神经层面上的影响差异，尤其是在教师和学生大脑同步化方面，仍鲜有研究。为了填补这一研究空白，本研究利用fNIRS技术，重点探讨三种不同教学方法对小学生神经活动同步化及其学习效果的影响。

论文来源与作者

本文的主要作者是Juan Zhang、Yihui Wang、Chantat Leong、Yidi Mao和Zhen Yuan，他们均来自澳门大学的教育学院、健康科学学院以及认知与脑科学中心。该研究成果于2023年12月8日在线发表于权威学术期刊《Neuroimage》。

研究流程与方法

研究流程

本研究采用了一个包含几个步骤的严谨实验流程： 1. 参与者招募及初步测试：共招募了39名1年级和2年级的小学生。他们的平均年龄约为6.9±0.48岁。实验前首先进行Raven标准智力测试（SPM）以及STEM知识的前测。 2. 教学及fNIRS数据收集：整个实验包含传统教学、故事教学和故事板教学三种条件。老师和孩子坐面对面，采用6分钟的教学时间，每两个教学条件之间有1分钟的休息时间。在此期间，使用fNIRS系统同时测量教师和学生的氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）变化。 3. 数据处理与统计分析：使用特定算法清理数据噪声，采用波特变换相干性分析（WTC）评估脑间同步化，并进行频域分析和方差分析（ANOVA）。

实验材料与测试工具

• 实验教材：选择了三个6至9岁儿童的STEM书籍，内容包括磁力、速度和摩擦。在教材编写上，研究人员设计了匹配的教学脚本，并确保每次教学的内容和形式保持一致。
• 行为测量工具：采用Raven标准智力测试和自编的STEM前后测问卷。

研究结果与数据分析

行为结果

方法采用了学生的STEM知识前测和后测，以评估不同教学方法对学生学习效果的影响。实验结果显示： - 传统教学条件下，学生的前测得分为1.90 ± 1.01，后测得分为2.23 ± 1.02。 - 故事教学条件下，前测得分为1.97 ± 1.02，后测得分为2.41 ± 1.05。 - 故事板教学条件下，前测得分为2.10 ± 0.90，后测得分为2.38 ± 0.98。

脑间同步化结果

为了评估三种教学条件下教师和学生的脑间同步化差异，研究进行了方差分析（ANOVA）。结果显示，在0.28–0.38 Hz的频段内，教师和学生的脑间同步化在左侧上颞回（STG）、左侧角回（AG）、左侧和右侧下额回（IFG）区域显著不同（p < 0.05，FDR校正）。具体而言，传统教学条件下，左侧及右侧IFG区域的脑同步化显著低于故事教学条件；传统教学条件下，左侧STG和AG区域的脑同步化显著低于故事板教学条件。

先验知识对脑同步化的影响

通过方差分析，研究发现不同先验知识水平的学生在三种教学条件下的脑同步化没有显著差异。

脑同步化与学习效果的关联

研究进一步通过相关分析评估脑同步化与学生学习效果的关系。结果表明，在故事教学条件下，左侧顶角回（SMG）脑同步化与学生学习效果显著正相关（r = 0.39, p = 0.013）。在故事板教学条件下，左侧IFG区域的脑间同步化与学生测试分数提升显著正相关（r = 0.37, p = 0.02）。

研究结论与价值

本研究首次利用fNIRS技术评估不同STEM教学方法对教师和学生神经活动同步化及学习效果的影响。主要发现包括： 1. 故事相关教学方法显著提高了教师和学生的脑同步化：特别是在IFG、STG、AG等大脑区域，故事教学和故事板教学显著提高了教学中的神经同步化水平。 2. 脑同步化与学习效果显著相关：在故事教学和故事板教学条件下，特定大脑区域的同步化与学生的学习效果显著正相关，表明神经同步化可能是STEM教学效果的预测因子。 3. 先验知识对脑同步化无显著影响：不同先验知识水平的学生在教学过程中表现出相似的神经同步化水平，这表明故事和故事板教学方法对不同知识背景的学生都有潜在的教育价值。

研究亮点

• 创新的研究方法：利用fNIRS技术同时测量教师和学生的脑活动，提供了更为客观和深入的学习过程分析。
• 实用的教育启示：研究结果强调了故事和故事板教学在STEM教育中的潜力，特别是在促进教师和学生的神经同步化和提高学习效果方面。

本研究为不同教学方法在神经层面上的影响提供了新的视角和证据，对未来的STEM教育研究和实践具有重要参考价值和应用潜力。