Rapport de nouvelles académiques

Dans le volume 285 de 2024 de la revue 《Neuroimage》, un article intitulé 《bridging stories and science: an fnirs-based hyperscanning investigation into child learning in stem》 a été publié. Cet article, co-écrit par Juan Zhang et al., provient de la Faculté d’Éducation, de la Faculté des Sciences de la Santé et du Centre de Science Cognitive et Cérébrale de l’Université de Macao. La version en ligne de cet article a été publiée le 8 décembre 2023. L’étude explore, à l’aide de la technologie de spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS), l’impact de différentes méthodes d’enseignement STEM (sciences, technologies, ingénierie, mathématiques) sur la synchronisation de l’activité neuronale entre enseignants et étudiants.

Contexte de l’étude

L’éducation STEM est cruciale dès les premiers stades d’apprentissage. Les scientifiques recherchent constamment des méthodes d’enseignement STEM plus efficaces pour améliorer les résultats des élèves. Cependant, il existe peu d’études sur les différences d’effets des différentes méthodes d’enseignement sur le plan neuronal, en particulier en ce qui concerne la synchronisation cérébrale entre les enseignants et les étudiants. Afin de combler cette lacune, cette étude utilise la technologie fNIRS pour explorer l’impact de trois méthodes d’enseignement différentes sur la synchronisation de l’activité neuronale des élèves et leur performance d’apprentissage.

Sources et auteurs de l’article

Les principaux auteurs de cet article sont Juan Zhang, Yihui Wang, Chantat Leong, Yidi Mao et Zhen Yuan, tous issus de la Faculté d’Éducation, de la Faculté des Sciences de la Santé et du Centre de Science Cognitive et Cérébrale de l’Université de Macao. Les résultats de cette recherche ont été publiés en ligne le 8 décembre 2023 dans la revue académique autorisée 《Neuroimage》.

Processus et méthodes de recherche

Processus de recherche

Cette étude a suivi un processus expérimental rigoureux composé de plusieurs étapes : 1. Recrutement des participants et tests initiaux : 39 élèves de première et deuxième année ont été recrutés, avec un âge moyen de 6,9 ± 0,48 ans. Avant l’expérience, ils ont passé le test de QI standard de Raven (SPM) et un pré-test de connaissances STEM. 2. Enseignement et collecte de données fNIRS : L’expérience comprenait trois conditions : enseignement traditionnel, enseignement par histoires et enseignement par storyboard. L’enseignant et l’enfant étaient assis face à face pour une session d’enseignement de 6 minutes, avec une pause de 1 minute entre chaque condition. Pendant cette période, le système fNIRS mesurait simultanément les variations de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et de l’hémoglobine désoxygénée (HbR) chez l’enseignant et l’élève. 3. Traitement des données et analyses statistiques : Des algorithmes spécifiques ont été utilisés pour nettoyer le bruit des données, l’analyse de cohérence par ondelette (WTC) a été employée pour évaluer la synchronisation inter-cérébrale, et une analyse en domaine de fréquence et une analyse de variance (ANOVA) ont été réalisées.

Matériel expérimental et outils de test

• Matériel pédagogique : Trois livres STEM pour enfants de 6 à 9 ans ont été sélectionnés, abordant la magnétisme, la vitesse et la friction. Les chercheurs ont conçu des scripts pédagogiques assortis et se sont assurés que le contenu et la forme de chaque session d’enseignement restaient constants.
• Outils de mesure comportementale : Le test de QI standard de Raven et des questionnaires pré et post-test STEM conçus par eux-mêmes ont été utilisés.

Résultats de la recherche et analyse des données

Résultats comportementaux

Les méthodes d’enseignement ont été évaluées à l’aide des scores des pré-tests et post-tests de connaissances STEM des élèves. Les résultats montrent que : - Sous la condition d’enseignement traditionnel, les scores de pré-test des élèves étaient de 1,90 ± 1,01, et les scores de post-test étaient de 2,23 ± 1,02. - Sous la condition d’enseignement par histoires, les scores de pré-test étaient de 1,97 ± 1,02, et les scores de post-test étaient de 2,41 ± 1,05. - Sous la condition d’enseignement par storyboard, les scores de pré-test étaient de 2,10 ± 0.90, et les scores de post-test étaient de 2,38 ± 0.98.

Résultats de la synchronisation inter-cérébrale

Pour évaluer les différences de synchronisation inter-cérébrale entre enseignants et élèves sous les trois conditions d’enseignement, une analyse de variance (ANOVA) a été réalisée. Les résultats montrent, dans la bande de fréquence de 0,28–0,38 Hz, que la synchronisation inter-cérébrale des enseignants et des élèves diffère significativement dans les régions du gyrus temporal supérieur gauche (STG), du gyrus angulaire gauche (AG), des gyrus frontaux inférieurs gauches et droits (IFG) (p < 0.05, correction FDR). En particulier, sous la condition d’enseignement traditionnel, la synchronisation cérébrale dans les régions IFG gauche et droite était significativement inférieure à celle sous la condition d’enseignement par histoires ; sous la condition d’enseignement traditionnel, la synchronisation cérébrale dans les régions STG et AG gauche était significativement inférieure à celle sous la condition d’enseignement par storyboard.

Influence des connaissances préalables sur la synchronisation cérébrale

L’analyse de variance montre que les élèves de niveaux de connaissance préalables différents ne présentent pas de différences significatives dans la synchronisation cérébrale sous les trois conditions d’enseignement.

Lien entre la synchronisation cérébrale et les résultats d’apprentissage

Une analyse de corrélation a été menée pour évaluer la relation entre la synchronisation cérébrale et les résultats d’apprentissage des élèves. Les résultats indiquent que, sous la condition d’enseignement par histoires, la synchronisation cérébrale dans le gyrus supramarginal gauche (SMG) est positivement corrélée avec les résultats d’apprentissage des élèves (r = 0.39, p = 0.013). Sous la condition d’enseignement par storyboard, la synchronisation inter-cérébrale dans la région IFG gauche est positivement corrélée avec l’augmentation des scores de test des élèves (r = 0.37, p = 0.02).

Conclusions et valeur de la recherche

Cette étude est la première à utiliser la technologie fNIRS pour évaluer l’impact de différentes méthodes d’enseignement STEM sur la synchronisation de l’activité neuronale entre enseignants et élèves et leur performance d’apprentissage. Les principales conclusions sont les suivantes : 1. Les méthodes d’enseignement liées aux histoires augmentent significativement la synchronisation cérébrale entre enseignants et élèves : En particulier dans les régions IFG, STG et AG du cerveau, les enseignements par histoires et par storyboard augmentent significativement le niveau de synchronisation neuronale pendant l’enseignement. 2. La synchronisation cérébrale est significativement liée aux résultats d’apprentissage : Sous les conditions d’enseignement par histoires et par storyboard, la synchronisation dans certaines régions du cerveau est positivement corrélée avec les résultats d’apprentissage des élèves, suggérant que la synchronisation neuronale pourrait être un prédicteur des résultats de l’enseignement STEM. 3. Les connaissances préalables n’ont pas d’impact significatif sur la synchronisation cérébrale : Les élèves de niveaux de connaissance différents montrent des niveaux similaires de synchronisation cérébrale pendant l’enseignement, indiquant que les méthodes d’enseignement par histoires et par storyboard ont une valeur éducative potentielle pour les étudiants de différents contextes de connaissances.

Points forts de la recherche

• Méthode de recherche innovante : L’utilisation de la technologie fNIRS pour mesurer simultanément l’activité cérébrale des enseignants et des élèves offre une analyse plus objective et approfondie du processus d’apprentissage.
• Implications éducatives pratiques : Les résultats soulignent le potentiel des méthodes d’enseignement par histoires et par storyboard dans l’éducation STEM, en particulier pour promouvoir la synchronisation neuronale entre enseignants et élèves et améliorer les résultats d’apprentissage.

Cette étude fournit une nouvelle perspective et des preuves sur l’impact des différentes méthodes d’enseignement sur le plan neuronal, offrant une référence et un potentiel d’application importants pour les recherches et les pratiques futures en éducation STEM.