该论文发表于Psychological Science（SSCI一区，IF=4.8），题目为《The Temporal Dynamics of Brain-to-Brain Synchrony Between Students and Teachers Predict Learning Outcomes》。

纽约大学心理学系的Ido Davidesco博士为此论文的第一作者，Suzanne Dikker博士为此论文的通讯作者（与David Poeppel博士共同担任资深作者）。论文链接:https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/09567976231163872

论文概要

文章聚焦于研究人类学习过程当中，教师与学生大脑之间的互动关系。该研究设计了九个实验组，每组包含四名学生和一名教师。通过研究他们的脑电数据，发现学生间的alpha频段（8-12 Hz）脑间同步可预测其即时与延迟测试成绩，且特定授课片段中学生间的脑同步水平与答题正确率显著相关。师生脑间同步则揭示出约300毫秒的神经活动滞后（学生脑活动滞后于教师），这与口语理解的时间特征相符。这些发现为在生态效度情境中同步采集群体学习者脑数据的重要性提供了关键新证据。

研究背景

人类学习在很大程度上是通过与他人互动实现的，从儿童期开始，个体就通过观察、模仿和交流来获取知识和技能。社会互动不仅塑造了认知发展，也深刻影响着课堂学习的效果——师生关系、同伴互动和课堂氛围都被证明与学生的学习投入和学业成就密切相关。

然而，尽管社会互动在学习中扮演着核心角色，其背后的神经机制却知之甚少。传统学习神经科学研究多采用功能性磁共振成像或近红外光谱技术，聚焦于单一被试在孤立环境中的脑活动，难以捕捉真实课堂中多人互动的动态过程。近年来，脑间同步逐渐成为研究热点，指多个个体的大脑活动在时间上的耦合现象。已有研究表明，脑间同步与注意力、记忆编码和社会联结等因素相关，但关于其是否直接预测学习效果，尤其是师生之间的脑间同步与学习的关系，尚缺乏一致结论。

此外，现有研究多采用低时间分辨率的成像技术，无法精确考察师生脑活动的时间先后关系。语言理解的研究表明，听者的脑活动通常滞后于说话者数百毫秒，但这种时间滞后是否存在于课堂师生互动中、是否与学习效果相关，仍有待实证检验。基于以上背景，本研究采用高时间分辨率的脑电技术，在模拟课堂环境中同时记录多名学生与一名教师的脑活动，旨在探讨：学生间及师生间的脑间同步是否预测学习效果？这种同步的时间动态特征如何？

研究方法

本研究在模拟课堂环境中进行，共招募31名大学生作为学生参与者，以及两名高中科学教师作为授课教师，组成9个“四学生一教师”的实验小组。所有参与者均为英语母语者、右利手、无神经系统疾病史。

实验流程如下：

1）前测：讲座前一周完成，评估学生对四个科学主题的先验知识；

2）脑电采集：学生与教师同时佩戴32通道Enobio脑电设备（采样率500Hz），进行四节各约7分钟的教师讲授式讲座。学生被要求保持静止、减少头部运动、不提问以降低脑电伪迹；

3）后测：每节讲座后立即进行即时后测，一周后进行延迟后测，测试题均为10道选择题，与前测试题相同。

此外，还通过时间滞后分析考察师生脑活动的时间关系，并将脑间同步与学习效果进行多水平模型分析。为进一步探究脑间同步的时间特异性，研究者还根据讲座逐字稿，识别出与每个测试题目相关的内容片段，分别计算学生在“学会”与“未学会”题目对应片段的脑间同步水平。

图1 实验设置与时间线

脑电数据使用MATLAB和EEGLAB进行预处理，包括0.5-35Hz带通滤波、剔除噪声通道、1秒分段、独立成分分析去除眼电伪迹、剔除异常电压片段。教师数据因运动伪迹较多，采用更严格的剔除标准。脑电数据预处理后，研究者采用圆形相关系数（circular correlation）计算每对参与者之间相同电极的相位同步性，重点关注θ、α、β三个频段，以及后部、中央、前部电极这三个感兴趣区。圆形相关值经Fisher Z转换后标准化，并在epoch、讲座和电极对上平均。

研究采用了多种统计方法来检验脑间同步与学习效果的关系。首先，为了控制虚假的脑间同步，采用了基于自助法的配对t检验，将学生在匹配讲座（同一讲座）与非匹配讲座（不同讲座）中的脑间同步进行比较，预期匹配讲座的同步性显著更高。该分析分别在三个频段（θ、α、β）和三个感兴趣区（后部、中央、前部）进行，p值经FDR校正。

其次，由于学生嵌套于实验小组，采用多水平模型（以小组为分析单位）检验脑间同步对学习效果（前测至即时后测变化、前测至延迟后测变化）的预测作用，将脑间同步作为第一层预测变量。第三，为探究脑间同步的时间特异性，根据讲座逐字稿识别每个测试题目对应的内容片段（仅选取时长≥3秒的片段），将题目分为“学会”（后测正确但前测错误）与“未学会”（答案未改变）两类，采用重复测量方差比较两类片段下的脑间同步差异。最后，通过时间滞后交叉相关分析考察师生脑间同步的时间动态：将教师脑活动时间序列相对于学生进行-500ms至500ms的平移（步长100ms），计算各滞后下的α频段脑间同步，并使用自助法检验各滞后同步性的显著性。

实验结果

本研究首先对行为数据进行分析，结果显示学生在前测中的平均正确率为43%，即时后测提升至73%，延迟后测为64%，前测与两次后测之间均存在显著差异，且即时后测与延迟后测之间也存在显著下降，表明学生在讲座中确实学到了新知识，但一周后有所遗忘。前测成绩显著预测延迟后测成绩，但对即时后测无显著预测作用。

图2 前测、即时后测与延迟后测中的平均得分

在脑间同步分析中，研究者首先通过比较匹配与非匹配讲座的脑间同步来检验其统计特异性，结果发现仅α频段在中央电极区域的脑间同步在匹配讲座中显著高于非匹配讲座，其他频段和脑区均未达到显著，因此后续分析均聚焦于α频段中央电极的脑间同步。进一步的多水平模型分析显示，学生间的α频段脑间同步显著正向预测前测至即时后测的变化以及前测至延迟后测的变化，且时间因素与脑间同步无显著交互作用，说明脑间同步对即时与延迟学习效果的影响强度相当。相比之下，个体α功率与学习效果无显著关联。

图3 α波段脑间同步（BBS）与测试前-延迟后测变化之间的关联

为探究脑间同步的时间特异性，研究者根据讲座逐字稿识别出每个测试题目对应的内容片段，并将题目分为“学会”与“未学会”两类。结果显示，无论是即时后测还是延迟后测，学生在“学会”题目片段的α频段脑间同步均显著高于“未学会”题目片段，表明脑间同步在特定内容片段上的波动与学生的答题表现密切相关。

在师生脑间同步方面，时间滞后分析发现，师生间的α频段脑间同步仅在教师脑活动领先学生约300毫秒时达到显著水平，其他时间滞后均未显著。该300毫秒滞后下的师生脑间同步显著预测学生的延迟后测成绩，但对即时后测无显著预测作用，且两名教师之间的脑间同步水平无显著差异。

图4 师生脑间同步性（BBS）的时域分析

结论

本研究通过同步记录师生在模拟课堂中的脑电活动，揭示了脑间同步与学习效果之间的密切关系。研究得出以下主要结论：

首先，学生间的α频段脑间同步能够显著预测即时和延迟学习效果，且这种关联在控制个体脑电功率后依然成立，表明脑间同步作为一种群体层面的神经指标，比个体脑活动更能反映课堂学习的效果。其次，脑间同步具有时间特异性，学生在掌握特定知识点对应的讲座片段中，与同伴的脑同步水平显著高于未掌握内容的片段，说明脑间同步能够捕捉学习过程中动态变化的神经活动。第三，师生间的脑间同步在约300毫秒的时间滞后处达到峰值，这一时间特征与语言理解过程中听者滞后于说话者的神经耦合模式一致，表明师生之间的神经耦合可能支撑了课堂信息的有效传递。最后，师生脑间同步对延迟学习效果的预测作用显著，但对即时学习效果无显著预测，提示延迟后测更能反映深度学习的效果，可能与新知识与已有知识的整合过程有关。

综上所述，本研究首次在具有生态效度的课堂模拟环境中，利用高时间分辨率的脑电技术证实了师生及学生间脑间同步与学习效果的关系，为社会性学习的神经机制提供了重要证据，也为未来在真实课堂中开展多人脑同步研究奠定了基础。

撰稿人：陈梓杰

审稿人：黄海云