师生互动中的认知神经科学外文翻译资料

师生互动中的认知神经科学

安东尼奥M.巴特罗，塞西莉亚一世.卡莱罗，安德里亚P.戈尔丁,丽莎·霍尔珀,

劳拉·佩扎蒂，迭戈E.沙尔姆,马里亚诺·西格曼

摘要:教育学是教学中的一门科学和艺术。每一代人都需要探索师生互动的历史、理论和实践。在这里，我们为发展一门科学铺平了道路，探索人类通过教学交流知识的能力所涉及的认知和生理过程。我们回顾了我们之前在这个研究领域的工作中的例子，并讨论了揭示我们教学的认知和大脑机制的途径，展开了一个复杂的操作，如教学在其组成部分和组成部分

师生互动

师生对话是教学法的核心。从某种意义上说，教育史可以被看作是这种基本互动的进展和转变(Marrou，1948)。正如渡边（2013）最近讨论的，教学可能经常与简单的一种增强学习的方法相混淆。相反，Watanabecharacterizesteaching是一种动态现象，人际互动在多个层次上明确和隐含地发生。通过协调的人际互动来建立联系占据了教学的很大一部分。此外，正如施特劳斯和Ziv（2012）最近强调的那样，教学是人类的一种自然认知能力，它沿着一条明确的道路发展起来。

认知神经科学已经逐渐为改善教育贡献了丰富的科学知识重点关注学习者(Gollinetal.，2013；Lipinaamp;Sigman，2012)。更广泛地说，我们如何学习的神经科学一直是一个非常活跃和突出的研究领域(吉尔伯特，西格曼，amp;Crist，2001)。这个企业在很大程度上忽略了教师的视角和核心教育组合中出现的复杂的互动。我们认为其他出版物需要揭示认知和大脑机制，展开一个复杂的操作如教学的成分和组件，已经与其他领域的认知如注意（彼得森和波斯纳，2012），数学(Dehaene，2009)，和心理理论（萨克森，凯里amp;坎维舍，2004）。我们综合了这一努力，创造了“教学大脑”这个术语，这是这个特别系列的标题，它将科学家和教师聚集在一起，重新理解我们如何理解教学现象作为一种互动。我们建议，在教师和学生的对话中，应该结合认知心理学、神经科学和教育科学进行调查(Battro，2010；戈德丁，佩扎蒂，巴特罗，amp;西格曼，2011；Holperetal.，2013)。

不稳定的对话

我们为这个方向铺平了道路，第一步可能是柏拉图在《梅诺》中描述的最著名的教育对话，该对话是苏格拉底和一个文盲的奴隶之间的师生互动(Crane，2000)。选择学习这个著名的几何课由苏格拉底是最重要的，不仅通过其象征和历史重要性在我们的西方文明，还因为柏拉图对柏拉图进行了扩展记录，因此可以在今天不同的文化中进行标准化和测试。

苏格拉底式的对话是几何学的一门课，在那里学生学习（或者，用柏拉图的话来说，是“发现”）如何使给定平方的面积加倍，这在本质上是毕达哥拉斯定理的证明。我们已经将这个对话标准化为50个问题，并记录了70多对教师和学生在口语对话中的行为互动。

在第一项研究中(Goldinetal.，2011)，我们发现当代学生的推理错误与大约2400年前梅诺的年轻奴隶所犯的错误有显著的相似之处。这与基础科学有针对性，即谈论人类推理中的普遍性。与教育实践更相关的是，我们发现近一半的学生，那些没有严格遵循对话的学生，未能概括，也就是说，将知识转移到一个几乎相同的情况——一个不同大小的正方形。这些结果质疑了苏格拉底式对话的有效性，并表明只有拥有知识支架的学生才是对话取得成功的学生。这是一个挑衅的假设：没有先验知识的学生，那些在对话中更投入的学生，是那些不太概括的学生。我们认为这是教育（对话的成功）、认知心理学（先验知识对学习的影响）和神经科学（通过额叶皮层的活动揭示的心理努力测量）之间的一个富有成效的桥梁。

使用光学脑成像技术评估的苏格拉式对话

在第二项研究中，我们使用了基于功能近红外光谱(fNIRS)的超扫描设置(Holperetal.，2013)，我们检查了苏格拉底对话的血流动力学相关性。该研究涉及17对科目，每节课一对代表教师的角色，另一对代表学生的角色。在我们之前的研究中使用的相同版本的苏格拉底对话(Goldinetal.，2011)的表演中，我们在前额叶皮层同时使用无线fNIRS传感器（迈勒曼，汉斯，和沃尔夫，2008）。由于无线fNIRS传感器对运动的容忍度相对较高，受试者被允许移动他们的手、说话和相互作用。此外，还包括一个控制条件，包括一个大约10分钟的写在纸上的对话（柏拉图，2008），这类似于实验对话的回答、回答和时间。在这个控制对话中，学生和老师被要求简单地大声朗读，每个人都接管了这个对话的一部分。对话前后分别包括两个休息时间(每个2个min)作为基线条件

为了评估实验条件下师生对之间的相互作用以及知识的转移，随后对平均前额叶血流动力学活动进行了统计分析，考虑了“转移”因素（是与否）。

我们的研究结果显示了两个主要的发现。首先，我们观察到，成功转移知识的学生在苏格拉底对话中表现出的学生表现出的前额叶血流动力学反应更小

图1.转移反映在平均fNIRS活动中。(a)平均血流动力学反应(氧血红蛋白2比较学生转学的组（灰色）或不转学（黑色）学习到的知识（平均值的标准误差）。对话后休息=时间，控制=控制对话。(b)平均血流动力学反应的相关性2对于学生转移的群体（灰点）是否学习到的知识（黑点）。线对应于两组的线性拟合(afterHolperetal.，2013)。

不转移。图1a显示了血流动力学反应的差异，区分了那些学生有转移的组和那些没有有转移的组。特别是，这些结果表明，教学生诱导转移的教师与那些教学生不引起转移的教师表现出相当的激活水平(图1a，左)。因此，教师的血流动力学活动并不依赖于转移方面。相比之下，学生表现出显著不同的血流动力学反应，这取决于他们是否可以转移。特别是，当知识转移的学生在整个对话中引起的血流动力学活动水平显著较低时，不能转移的学生在整个对话中表现出更高水平的活动(图1a，右)。与我们的预测和关闭桥一致，这表明那些前额叶活动较少的学生表现出更多的学习。

此外，除了额叶活动减少的主要影响外，我们还考虑了学生和教师同时被记录的事实。特别是，我们调查了教师和学生之间的血流动力学活动水平是否存在相关性。结果表明，活性与活性之间有很强的正相关关系在学生和教师之间进行有效的教育对话（在其中学生转移了知识）(图1b)。在同一组学生中，在对照组对话中也发现了类似的效果，即其他学生的活动不相关。这些发现表明，当一个学生表现出更高的活动水平（与学生人口的平均水平相比）时，教师也会表现出更高的活动水平（相对于教师人口的平均水平）。在没有转学的学生组中则观察到相反的效果，即负相关，表明每当教师表现出更大的活动时，这就伴随着苏格拉底对话中相应学生的活动减少。

其次，我们探讨了苏格拉底式对话过程中血流动力学反应的时间动力学。图2显示了平均的和相关的血流动力学活动的时间过程。平均血流动力学显示出一个有趣的模式。在大约60%的对话中，我们观察到一个不连续，揭示了教师fNIRS信号中学生转移的小（不显著）影响(图2a中的箭头标记)。苏格拉底式对话的这个时间点大致对应于关键的“对角线论证”——这是最后一行推理的本质（如何加倍一个正方形）——开始被概述的问题。同样，我们通过计算两组在苏格拉底对话总持续时间的1%的滑动窗口中的相关系数，研究了在整个苏格拉底对话中的相关效应是否一致。结果与我们在中观察到的平均血流动力学变化非常一致。在对话的开始时，相关性并不显著(图2b)。在大约60%的苏格拉底式对话，巧合的间断观察到的平均活动和对应的关键时刻推理整个对话，我们观察到相关性变得更重要揭示相反的影响：正相关的学生转移和负相关对于那些没有转移。这些结果可能表明，学生和教师之间的一种皮层耦合参与了成功的教育互动。

综上所述，fNIRS的研究表明，大脑测量信号相关的教学变量（转移）可以在一个虽然实验性但现实的教育对话中获得。在之前的工作的基础上（罗德里格斯，2013）提出的人类神经系统的结构及其感知、处理和响应组件重新概念化的教学系统，我们的结果可能铺平道路的程序调查大脑活动在实际教育设置知识获得复杂过程涉及教师和学生之间的同步交互，以实现最佳的教学和学习经验。

图2.转移反映在fNIRS活动的时间动态中。(a)苏格拉底对话的平均时间过程（0和1对应所有对话的开始和结束），显示了教师和学生分开组（灰色）或未转移组（黑色）。箭头大致对应于问题的标准化时间，当关键的“对角线参数”(“对角线参数”——这是最后一行推理的本质（如何加倍一个正方形）——开始被概述时。(b)苏格拉底式对话时间过程的相关系数在归一化时间（0和1对应于所有对话的开始和结束）。对p值的时间过程进行了对数变换。虚线对应p=(AfterHolper等人，2013)

教学大脑联盟

苏格拉底式对话的开场白，一种关于美德的对话，仍然让我们参与到关于学习的起源和教学的范围的进一步问题中。梅诺问苏格拉底“美德是通过教学或实践获得的；如果不是通过教学也不是通过实践，那么它是属于人的本性，还是以其他方式。”今天，旧的“教学或实践”可以被“通过做来学习”的教学法所取代，而“自然”获得知识的选择可以被理解为遗传和表观遗传过程的结果。苏格拉底对话因此是一种具有强烈哲学意义的教学程序，就像现代科学无法毫不困难接受的回忆理论一样。此外，我们还发现，一种经典的苏格拉底式对话作为一种教学方法也有严重的局限性，因为它不能确保在“课”结束时获得稳定的认知习得。这个学生可能无法概括这个认知过程在不同的情况下（当然，这种知识转移的失败对其他教学方法中是常见的）。对于这个关于学生行为的观察，我们第一次增加了可能预测整个课程的成功或失败的神经生物学成分，但我们需要更多的研究来理解这一重要的事实。从这个意义上说，考虑到来自不同研究领域的所有潜在贡献，我们提出了一个教学大脑联盟的想法。在接下来的内容中，我们将讨论一些重要的要点，以便建立这样一个可以支持进一步探索的共同平台。

新的教学环境

教学大脑联盟的一个关键点将是在实验实验室和教室之间建立桥梁。建立科学家和教师的团队合作，将学校作为教学和学习研究的选择场所。移动、可穿戴和低成本的神经生理学和脑成像设备的加速发展将很快达到这个教室，就像大约20年前的信息和通信技术一样(Yano，2013)。例如，许多学校日已经在机器人技术上实施了复杂的数字实验室，这可能是在真实的教学环境中引入大脑研究的方法。当然，这将提出一些关于隐私的重要伦理问题，以及其他一些应该考虑在内的问题（洛佩兹-罗森菲尔德、戈尔丁、利皮纳、西格曼和费尔南德斯·斯雷扎克，2013年）。

上面描述的苏格拉底式对话构成了教育和神经科学如何建立桥梁桥梁的一个例子。意识是非常重要的，在约翰·布鲁尔的开创性论文（布鲁尔，1997），是否观察大脑活动增加了大量的额外信息与教育实践相关，或者如果（在大多数情况下由布鲁尔）它只是地面思想建立的认知心理学相关基础神经科学而不是教育。

新的评估方法

教学大脑联盟可以解决的第二点将是在课堂上开发、评估和引入新的评估方法。在通常的实践中，我们可以建立学习和理解之间的差异的事实可能足以评估学生。然而，重要的新奇之处在于，通过对学生和教师的大脑活动的仔细监测，我们可以预测哪些学生将在泛化测试中失败或成功(Holperetal.，2013)。这个是基于科学记录的证据的全新信息。它当然不是一种“测谎仪”；在这两种情况下，学生完全相信自己的话是正确的，但大脑图像提供了一个“加”，这对每个人都是隐藏的，普通测试无法检测到。这是类似的信息可以通过分析手势，学生用他们的手说话，这通常是不有意识的访问，但提供了一个早期迹象，演讲者准备学习一个特定的任务（宽带，瓦格纳库克，米切尔amp;金草地，2007）。我们的例子非常温和，但我们认为它足以说明一个失败或一个成功。我们可以想象，在未来，基于脑成像的新型测试将增加证据来评估学习过程的质量提供证据，就像我们在泛化测试案例中所做的那样。

感谢-这项工作是由conicet和UBACYT资助的。马里亚诺·西格曼是由詹姆斯·麦克唐奈基金会21世纪理解人类认知科学倡议-学者奖赞助的。

参考文献

Battro, A. (2010). The teaching brain. Mind, Brain, and Education, 4, 28–33. doi:10.1111/j.1751-228X.2009.01080.x

Broaders, S., Wagner Cook, S., Mitchell, Z., amp; Goldin-Meadow, S. (2007). Making children gesture brings out implicit knowledge and leads to learning. Journal of Experimental Psychology: General, 136, 539–550.

Bruer, J. (1997). Education and the brain: A bridge too far. Educational Researcher, 26(8), 4–16.

Crane,G.(2000).(Ed.).PerseusDigitalLibraryProject.TuftsUniversity, http://www.perseus.tufts.edu

Dehaene, S. (2009). Origins of mathematical intuitions: The case of arithmetic. AnnalsoftheNewYorkAcademyofScience, 1156, 232–259.

Gilbert, C., Sigman, M., amp; C

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