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                                當(dāng)前位置 > 首頁 > 技術(shù)文章 > 文獻(xiàn)解讀:真實課堂教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制

                                文獻(xiàn)解讀:真實課堂教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制

                                瀏覽次數(shù):153 發(fā)布日期:2025-2-27  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
                                2025年2月7日,Advanced Science雜志在線發(fā)表了北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室盧春明課題組的研究 “A Rapid Cortical Learning Process Supporting Students’ Knowledge Construction during Real Classroom Teaching”。該研究融合可穿戴腦功能近紅外光譜成像和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),突破以往課堂教學(xué)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)理研究的局限,率先揭示了真實課堂情境下有效教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)的內(nèi)隱認(rèn)知機(jī)制及其神經(jīng)基礎(chǔ),為教育神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)理論提供了實證依據(jù),為一線教育教學(xué)實踐提供了理論支撐,具有重要的科學(xué)價值和實踐意義。
                                 
                                 

                                無論是對人類個體的認(rèn)知能力發(fā)展還是對整個社會的文明演進(jìn)來說,課堂教學(xué)都發(fā)揮著不可替代的獨特作用。正如著名教育思想家夸美紐斯 (John Amos Comenius) 所言,“年輕人最好還是在班級里一起上課”。然而,課堂教學(xué)過程中究竟發(fā)生了什么?如何“教”和“學(xué)”才是有效的?“教”與“學(xué)”如何相互影響?以往的傳統(tǒng)教育理論多基于經(jīng)驗推演和個人思辨,而大量的認(rèn)知神經(jīng)實證研究又局限于嚴(yán)格控制的實驗室環(huán)境下人類個體或動物的學(xué)習(xí),與課堂教學(xué)大相徑庭。因此,幾個世紀(jì)以來,有效課堂教學(xué)的底層機(jī)理并不清楚。

                                維特洛克的生成學(xué)習(xí)理論指出,學(xué)生會在有限的時間和注意范圍內(nèi),把新舊知識“拼接”進(jìn)已有知識網(wǎng)絡(luò),并通過動態(tài)調(diào)整知識片段的邊界及其相互關(guān)系,形成更深層次的理解。因此,有效教學(xué)的核心可能在于促進(jìn)學(xué)生的知識建構(gòu)。然而,課堂教學(xué)能否真正為這種“知識建構(gòu)”提供足夠空間?以往的教育界一直存在爭論。一部分觀點認(rèn)為,課堂教學(xué)時間有限,教學(xué)主要停留在知識傳遞層面;另一部分研究則發(fā)現(xiàn),合理的教學(xué)設(shè)計可以在有限時間內(nèi)促進(jìn)知識建構(gòu)。這兩種觀點催生了兩種截然不同的教學(xué)模式:一是直接講授,即教師以高結(jié)構(gòu)化的方式講解內(nèi)容,學(xué)生被動接收知識(H-only);二是混合教學(xué),即將低結(jié)構(gòu)化教學(xué)(學(xué)生自主探究)與高結(jié)構(gòu)化教學(xué)(教師講授)相結(jié)合(LH, Low-to-High structured teaching),學(xué)生先在課堂上回憶和自學(xué),再接收教師的系統(tǒng)講授。盡管這兩種教學(xué)模式都得到廣泛應(yīng)用,但其背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制并不清楚。

                                1. 建立了可開展20人以上真實課堂教學(xué)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)理研究的腦智教室以及相應(yīng)的方法體系
                                為解決以上問題并檢驗不同教學(xué)模式的內(nèi)隱認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制,盧春明課題組長期聚焦自然場景下人際互動的理論和方法研究,形成了獨特的教育神經(jīng)科學(xué)研究理論框架和方法體系。近年來,與北京師范大學(xué)教育學(xué)部聯(lián)合,共同開發(fā)了可開展20人以上真實課堂教學(xué)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)理研究的腦智教室以及相應(yīng)的方法體系,能夠在真實、自然的課堂教學(xué)過程中同時采集和分析師生的大腦活動、音視頻、文本以及認(rèn)知行為等多模態(tài)數(shù)據(jù),深度解析課堂情景下的真實教與學(xué)。這一技術(shù)平臺和方法體系的建立將為教育神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展帶來重要契機(jī)。

                                在本研究中,課題組充分發(fā)揮該平臺和方法的優(yōu)勢,以真實的大學(xué)課堂為場景,解析并比較了自學(xué)+講授的混合 (LH) 和傳統(tǒng)的講授 (H-only) 兩種教學(xué)模式。在混合教學(xué)模式中,學(xué)生先通過回憶(recalling) 進(jìn)行自學(xué),然后聆聽教師講授(lecturing);在傳統(tǒng)講授模式中,只包含教師的講授。

                                 
                                圖1 實驗設(shè)計

                                2.  先自學(xué)再教學(xué)的混合教學(xué)模式有效促進(jìn)了學(xué)生的知識建構(gòu)
                                結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和表征相似性分析發(fā)現(xiàn),在相同的講授環(huán)節(jié),混合教學(xué)模式下的學(xué)生通過額中回 (MFC) 對知識進(jìn)行表征,且該神經(jīng)表征與最終的學(xué)習(xí)成績顯著相關(guān);而在單純講授模式下,學(xué)生則主要通過顳頂聯(lián)合區(qū) (TPJ) 進(jìn)行知識表征。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在混合教學(xué)模式下,學(xué)生的MFC通過重新切割知識片段,改變了知識片段的邊界,構(gòu)建了新的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);而在單純講授教學(xué)模式下,TPJ對知識的表征仍遵循原始知識結(jié)構(gòu),沒有進(jìn)行重新建構(gòu)。這些結(jié)果表明,混合教學(xué)模式下的自學(xué)可能激活了學(xué)生已有的先驗知識(如先驗圖式),從而在教師講授的的有限時間內(nèi),通過MFC實現(xiàn)了快速的知識建構(gòu),并顯著提升了學(xué)習(xí)效果。因此,以MFC為關(guān)鍵節(jié)點的大腦皮層快速學(xué)習(xí)系統(tǒng)可能是有效教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)的神經(jīng)基礎(chǔ)。

                                 
                                 
                                圖2 混合教學(xué)促進(jìn)了知識建構(gòu)
                                 
                                3. 學(xué)生自學(xué)優(yōu)先處理知識網(wǎng)絡(luò)的全局結(jié)構(gòu),教師講授優(yōu)先促進(jìn)學(xué)生對知識片段的局部分割

                                進(jìn)一步分析解析了學(xué)生知識建構(gòu)的機(jī)制,發(fā)現(xiàn)在講授之前的自學(xué)階段,從MFC解碼出來的知識網(wǎng)絡(luò)全局結(jié)構(gòu)與原有知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著不同,但是每個知識片段的邊界并未改變,表明學(xué)生自學(xué)優(yōu)先處理了知識網(wǎng)絡(luò)的全局結(jié)構(gòu),但是并未處理知識片段的邊界細(xì)節(jié)。在之后的講授階段,不僅從MFC解碼出來的知識網(wǎng)絡(luò)全局結(jié)構(gòu)在個體之間出現(xiàn)很大的差異,而且每個知識片段的邊界位置也發(fā)生了改變,表明教師講授優(yōu)先促進(jìn)了學(xué)生對知識片段的局部再分割?梢,在混合教學(xué)模式中,學(xué)生的知識建構(gòu)可能在講授之前的自學(xué)階段就已開始,但講授階段對其起到了顯著的促進(jìn)作用,表現(xiàn)為從優(yōu)先處理知識網(wǎng)絡(luò)的全局屬性轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先處理知識片段的局部屬性。

                                 
                                 
                                圖3 知識建構(gòu)是一個由整體加工逐步向局部加工轉(zhuǎn)變的過程

                                4. 課前預(yù)習(xí)比課后練習(xí)更有效
                                為檢驗混合教學(xué)模式中教學(xué)順序?qū)χR建構(gòu)的影響,我們進(jìn)一步對比了“先自學(xué)后講授” (LH) 與“先講授后自學(xué)”(HL) 兩種混合教學(xué)模式。結(jié)果顯示,在HL模式的講授后自學(xué)階段,雖然學(xué)生的MFC也進(jìn)行了知識建構(gòu),但其僅體現(xiàn)了對知識網(wǎng)絡(luò)全局屬性的優(yōu)先處理,缺少對知識片段局部屬性的加工。更為重要的是,HL模式下MFC知識建構(gòu)的強(qiáng)度與學(xué)習(xí)成績未出現(xiàn)顯著相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明,如果自學(xué)發(fā)生在教師講授之前,學(xué)生能更有效地利用先驗知識框架,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)化知識輸入建立認(rèn)知錨點,從而促進(jìn)知識建構(gòu),提升學(xué)習(xí)成績,完成從全局屬性到局部屬性的轉(zhuǎn)變;但是沒有預(yù)習(xí)的講授和講授后練習(xí)則可能難以實現(xiàn)上述目的。

                                 
                                 
                                圖4 課前預(yù)習(xí)比課后練習(xí)更有效
                                 
                                5. 師生大腦同步顯著促進(jìn)學(xué)生的知識建構(gòu)
                                為了進(jìn)一步考察教師在學(xué)生知識建構(gòu)過程中的作用,我們分析了師生間的神經(jīng)同步。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在混合教學(xué)模式下,當(dāng)教師的TPJ活動領(lǐng)先于學(xué)生MFC的活動8-10秒時,師生之間會出現(xiàn)顯著的時滯神經(jīng)同步,并且這種時滯神經(jīng)同步水平與學(xué)生的學(xué)習(xí)成績顯著正相關(guān),表明在學(xué)生的MFC成功完成知識建構(gòu)之前,教師的TPJ已經(jīng)對知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定向投射,師生跨腦區(qū)的時滯神經(jīng)同步促進(jìn)了學(xué)生的個性化知識建構(gòu)?梢姡幢阒R建構(gòu)發(fā)生在學(xué)生的大腦皮層,但是仍然離不開教師的有效教學(xué)。教師的引導(dǎo)作用仍然不可或缺。

                                 
                                 
                                圖5 師生神經(jīng)同步對學(xué)生知識建構(gòu)具有促進(jìn)作用

                                6. 對教學(xué)實踐的啟示
                                本研究在真實課堂教學(xué)情境下驗證了大腦皮層快速學(xué)習(xí)系統(tǒng)在學(xué)生知識建構(gòu)中的核心作用,闡明了有效教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)的內(nèi)隱認(rèn)知機(jī)制及其神經(jīng)基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)不僅對于教育神經(jīng)科學(xué)的理論構(gòu)建具有重要意義,而且也為教育教學(xué)實踐提供了重要啟示。具體而言:
                                (1)混合教學(xué)的結(jié)構(gòu)化革新:采用“低結(jié)構(gòu)化自學(xué)→高結(jié)構(gòu)化講授”的有序雙階段教學(xué)設(shè)計,有助于為知識建構(gòu)搭建兼顧全局屬性和局部屬性的加工橋梁。例如,可以在講授新課前,預(yù)留10-15分鐘引導(dǎo)學(xué)生通過口頭復(fù)述、畫思維導(dǎo)圖等方式自主激活先驗圖式。
                                (2)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)并重:以往教學(xué)實踐對課后復(fù)習(xí)和完成作業(yè)強(qiáng)調(diào)較多,本研究則提示,有效的預(yù)習(xí)可能與完成作業(yè)同樣重要,甚至前者在促進(jìn)有效教學(xué)方面具有更加獨特的價值。
                                (3)知識加工的階段適配:遵循“整體優(yōu)先→局部深化”建構(gòu)規(guī)則,可以在教學(xué)初期通過概念地圖等工具促進(jìn)全局網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,后期采用精細(xì)編碼策略(如分段講解、對比分析)強(qiáng)化知識邊界劃分。
                                (4)利用好教學(xué)互動的神經(jīng)同步窗口:教師可以抓住“8-10秒”的神經(jīng)引導(dǎo)窗口,在關(guān)鍵概念講解前,提供前置提示 (pre-cueing) 或類比引導(dǎo) (analogical scaffolding),以增強(qiáng)師生間的神經(jīng)同步,為神經(jīng)層面的知識投射建構(gòu)通道。

                                該論文第一作者馮小丹是北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室在讀博士生,博士生徐昕然、蔣嘉浩,已畢業(yè)碩士生孟兆楠為共同作者,通訊作者為盧春明教授。北京師范大學(xué)教育學(xué)部裴淼教授和鄭永和教授也對研究做出了重要貢獻(xiàn)。感謝研究過程中眾多同行的大力支持和無私幫助,以及選修課程的同學(xué)們的參與。研究得到了國家自然科學(xué)基金重大研究課題 (62293550, 62293551) 的資助。

                                論文鏈接 
                                https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202416610

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