学術ニュース報道

『Neuroimage』2024年の第285巻には、『bridging stories and science: an fnirs-based hyperscanning investigation into child learning in stem』というタイトルの論文が掲載されました。この論文は、マカオ大学教育学院、健康科学学院、および認知と脳科学センターのJuan Zhang氏らによって共同執筆されました。本論文のオンライン版は2023年12月8日に公開されました。研究は主に機能的近赤外分光法（fNIRS）を用いて、異なるSTEM（科学、技術、工学、数学）教育手法（伝統的な教育、ストーリーテリング教育、ストーリーボード教育）が教師と生徒の脳活動の同期化に与える影響を探索しています。

研究背景

STEM教育は初期学習段階で非常に重要です。科学者たちは学生の学習効果を高めるために、より効果的なSTEM教育方法を模索してきました。しかし、異なる教育方法が神経レベルでどのような影響をもたらすか、特に教師と生徒の脳同期化に関する研究はまだ少ないです。この研究空白を埋めるため、本研究ではfNIRS技術を用いて、三つの異なる教育方法が小学生の脳活動同期化および学習効果に与える影響を重点的に探求しました。

論文の出所と著者

本論文の主要著者は、Juan Zhang、Yihui Wang、Chantat Leong、Yidi Mao、そしてZhen Yuanで、彼らは全てマカオ大学の教育学院、健康科学学院、及び認知と脳科学センターに所属しています。本研究成果は2023年12月8日にオンラインで権威ある学術誌『Neuroimage』に掲載されました。

研究プロセスと方法

研究プロセス

本研究は、以下の手順を含む厳密な実験プロセスを採用しました： 1. 参加者募集および初期テスト：1年生と2年生の小学生39名を募集しました。彼らの平均年齢は6.9±0.48歳でした。実験前にはRaven標準知能テスト（SPM）およびSTEM知識の前測を実施しました。 2. 教育およびfNIRSデータの収集：実験は伝統的な教育、ストーリーテリング教育、ストーリーボード教育の三つの条件を含みます。教師と子供は対面で座り、各条件の教育時間は6分、条件間には1分の休憩時間があります。この間、fNIRSシステムを使用して教師と生徒の酸素化ヘモグロビン（HbO）および脱酸素化ヘモグロビン（HbR）の変化を同時に測定しました。 3. データ処理および統計分析：特定のアルゴリズムを用いてデータノイズを除去し、ウェーブレット変換コヒーレンス分析（WTC）を用いて脳間同期化を評価し、周波数域の分析および分散分析（ANOVA）を行いました。

実験材料とテストツール

• 実験教材：6歳から9歳の子供向けSTEM書籍3冊を選び、内容は磁力、速度、摩擦についてでした。教材は研究者によって設計され、一貫した内容と形式を保つためにマッチングされた教育スクリプトを作成しました。
• 行動測定ツール：Raven標準知能テストと自作のSTEM前後測問卷を使用しました。

研究結果とデータ分析

行動結果

方法として、学生のSTEM知識前測と後測を用いて異なる教育方法が学生の学習効果に与える影響を評価しました。実験結果は以下の通りです： - 伝統的な教育条件では、前測のスコアは1.90 ± 1.01、後測のスコアは2.23 ± 1.02。 - ストーリーテリング教育条件では、前測のスコアは1.97 ± 1.02、後測のスコアは2.41 ± 1.05。 - ストーリーボード教育条件では、前測のスコアは2.10 ± 0.90、後測のスコアは2.38 ± 0.98。

脳間同期化結果

三つの教育条件下で教師と生徒の脳間同期化の差異を評価するために分散分析（ANOVA）を行いました。結果は、0.28–0.38 Hzの周波数帯域で、左側上側頭回（STG）、左側角回（AG）、左側および右側下前頭回（IFG）領域において脳間同期化が有意に異なることを示しました（p < 0.05、FDR補正）。具体的には、伝統的な教育条件では、左側および右側IFG領域の脳同期化がストーリーテリング教育条件よりも有意に低く、伝統的な教育条件では、左側STGおよびAG領域の脳同期化がストーリーボード教育条件よりも有意に低いことが示されました。

先験知識が脳同期化に及ぼす影響

分散分析により、異なる先験知識レベルの学生が三つの教育条件下で脳同期化には有意な差異がないことが明らかになりました。

脳同期化と学習効果の関連

更に、関連分析を通じて脳同期化と学生の学習効果との関係を評価しました。結果は以下の通りです： - ストーリーテリング教育条件では、左側角回（SMG）の脳同期化と学生の学習効果が有意な正の相関を示しました（r = 0.39, p = 0.013）。 - ストーリーボード教育条件では、左側IFG領域の脳間同期化と学生のテストスコアの向上が有意な正の関連を持ちました（r = 0.37, p = 0.02）。

研究結論と価値

本研究は、fNIRS技術を初めて用いて異なるSTEM教育方法が教師と学生の脳活動同期化および学習効果に与える影響を評価しました。主な発見は以下の通りです： 1. ストーリーに関連した教育方法が教師と学生の脳同期化を有意に向上させた：特にIFG、STG、AGの大脳領域において、ストーリーテリング教育とストーリーボード教育は教育中の神経同期化レベルを有意に向上させました。 2. 脳同期化と学習効果が有意に関連している：ストーリーテリング教育およびストーリーボード教育条件では、特定の大脳領域の同期化と学生の学習効果が有意な正の相関を示し、神経同期化がSTEM教育効果の予測因子となり得ることを示しました。 3. 先験知識が脳同期化に有意な影響を与えない：異なる知識背景を持つ学生が教育過程において類似した神経同期化レベルを示しており、ストーリーテリングおよびストーリーボード教育方法が異なる知識背景を持つ学生に対しても潜在的な教育価値があることを示しています。

研究のハイライト

• 革新的な研究方法：fNIRS技術を用いて教師と生徒の脳活動を同時に測定し、学習過程のより客観的かつ詳細な分析を提供しました。
• 実用的な教育的示唆：研究結果は、STEM教育においてストーリーとストーリーボード教育の可能性を強調しており、特に教師と生徒の神経同期化を促進し、学習効果を向上させる点で有用です。

本研究は、神経レベルで異なる教育手法の影響を考察する新たな視点と証拠を提供しており、今後のSTEM教育研究と実践に重要な参考価値と応用可能性を有しています。