超扫描技术在社会性学习中的应用*

乔新虹 杨文伟 李先春 裴新宁



超扫描技术在社会性学习中的应用*

乔新虹1杨文伟2李先春3裴新宁1

（1．华东师范大学 教师教育学院，上海 200062；2．杭州电子科技大学 生命信息与仪器工程学院，浙江杭州 310018；3．华东师范大学 心理与认知科学学院，上海 200062）

学习具有社会性，在社会性学习的研究领域中针对脑科学尤其是“社会性大脑”的研究很少。为此，文章聚焦于脑科学领域，首先分析了该领域对学习的研究；然后在介绍大脑超扫描技术及其种类的基础上，分析了超扫描技术在社会互动中的应用研究，并以使用广泛的两种超扫描技术为例，探讨了超扫描技术在社会性学习中的应用；最后，展望了超扫描技术在社会性学习领域中的未来发展方向。社会性学习的超扫描研究结果表明：脑间活动同步性可以成为测量教学质量的一种客观的神经生物学标记；而运用超扫描技术得到的脑活动数据，可为学习的有效性研究提供有力的科学依据。

超扫描技术；脑科学；社会性学习；脑间活动同步性

学习在本质上就是社会性对话的过程，即学习具有社会性。社会性学习理论历经了行为主义学派、过渡学派、情境学派和共同体学派的发展过程；早在1941年，Miller等[1]就提出儿童的社会性活动是通过行为的强化而习得的，这是社会性学习理论中行为主义学派的代表性观点，主要关注行为的学习；而到了1977年，Bandura[2]提出的社会性学习理论认为，人的学习——尤其是行为与情感的学习是通过人与人之间的观察、模仿和塑造过程进行的，这被认为是处于行为主义与认知主义之间的过渡学派的代表性观点；受Vogotsgy的历史文化理论影响，情境学派的Reed等[3]提出社会性学习发生于特定的社会情境中，并受到社会规范的影响；共同体学派的代表人物是Wenger，其研究团队认为社会性学习就是在实践共同体内与他人的互动中进行的学习[4]，共同体学派强调学习是作为共同体的成员，在参与实践的过程中获得体验和意义，并建立身份与认同。这四种学派的关注点不同，产生和发展的时间也不同，它们之间并没有高下之分，每一学派的理论到今天都仍有其适用空间。对学习的社会性本质的科学探索，不仅最终导致了学习科学的诞生，还成为了当下学习科学跨领域研究的共同核心[5]。当前，对社会性学习的研究主要集中于四个领域：脑科学、语言与行为、认知心理和信息技术。其中，与后三个领域相关的研究成果比较多见，而针对脑科学尤其是“社会性大脑”的研究很少。基于此，本研究聚焦于脑科学领域，介绍了超扫描技术及其主要种类，并探讨了超扫描技术在社会性学习中的应用。

一 脑科学领域对学习的研究

1 脑科学与学习研究

在针对学习的脑科学研究中，对人脑的研究产生了行为主义隐喻“学习是反应的强化”，对作为人脑模拟物的电脑的研究则支持了认知心理学所提出的“学习是知识的获得”的隐喻——这两个隐喻在相当长的时间里占据着统治地位。20世纪末，随着科学技术的进步和发展，特别是无创性神经影像学技术的出现和应用，脑科学摒弃了行为主义、认知主义所采用的隐喻式的、间接式的学习研究方法，而采用直接的、高技术介入的方法来研究人脑内的学习机理，从而获得更多更直接的研究结论[6]。这些脑科学对学习研究的结果直接印证了“学习是知识的建构”这个观点，将学习推向了建构主义的大潮之中。

近几十年来，随着科学技术的进步和新型研究设备的发展与应用，大量的脑科学研究成果为学习科学的理论提供了印证和支持[7]，推动了学习科学的发展。值得一提的是，由于大脑皮层的神经元不断进行着生物电活动，因此大脑皮层经常会发生持续的节律性电位改变。通过观察皮层的电位变化来判断学习者的学习状态，并据此直接开展教学或调整学习者的状态后开展教学，是脑科学与学习科学结合的一种新形式。

2 脑科学与社会性学习研究

虽然上述脑科学的研究方法和研究成果推动了学习科学的长足发展，但这些研究针对的都是单脑。而学习不仅具有个体性，还具有社会性——大量的知识成果都是在与他人、与群体互动的社会化过程中产生的，并且学习的社会化本质意味着与他人一起学习比独自学习更有效[8]。近年来借助于科学技术的进步和飞速发展，特别是超扫描技术的出现与应用，对“社会性大脑”的研究被推到了学习科学的前沿，未来随着社会互动中脑机制“黑箱”的逐步揭开，人类对社会性学习本质的认知将有望变得更加清晰、更加准确。在理解社会性学习的生物学和心理学机制的基础上，研究者应将社会性因素与学习结果联系起来，使其成为学习的“强效活性剂”。

在人类漫长的进化过程中，人的社会性学习能力不断得到发展，但与人脑的其它部位相比，与社会性学习相关的前额叶却进化得很慢。受制于技术和设备等因素，人类对与社会性学习有关的大脑活动认识很少。直至最近的十几年，随着超扫描技术的出现和实验范式的改进，脑科学领域才开始在自然生态位上研究社会互动过程中的大脑活动。

二 超扫描技术

超扫描（Hyperscanning）这个概念最早由Montague等[9]提出，他们于2002年同时使用两台磁共振仪分别记录下两名被试在进行欺诈游戏时的脑活动数据，这被普遍认为是第一项超扫描研究。超扫描的目的是提供两个或更多被试在特定的驱动或认知任务中进行互动的脑活动的同步记录[10]，从而揭示社会互动的脑—脑机制。基于测量脑活动的设备[11]，可将超扫描技术分为：

1 脑电（Electroencephalography，EEG）超扫描技术

EEG超扫描技术是采用多台脑电记录设备同时记录两个或多个被试的大脑活动。EEG具有较高的灵活性和简便性，设备成本也相对较低，是目前应用较多的一种超扫描技术。由于不同仪器的敏感度不同，所以有研究采用便携式设备通过局域网来实现数据的传输，但是局域网（尤其是无线网或蓝牙）的不稳定会对实验数据产生影响，故目前的解决方法是将同一套设备分配给不同的被试。EEG超扫描技术的缺点是其空间分辨率较差，较难确定神经活动的脑部位。

2 脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）超扫描技术

MEG超扫描技术是采用两台或多台脑磁图仪进行同步记录。MEG测量的是特定脑部位在活动过程中产生的微弱磁信号，表现出较高的空间定位的特点。但是，MEG超扫描仪器高昂的费用和局促的空间，使得MEG超扫描技术的普及受到很大的限制。

3 功能性核磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）超扫描技术

fMRI超扫描技术是使用多台核磁共振仪对多个被试进行同步扫描。考虑到将两台或多台核磁共振仪放在同一个实验室中进行实验效果不佳，并且仪器的微小差异会对实验数据产生显著影响，因此研究者采用了一台计算机同时触发多台核磁共振仪的方法来解决同步性问题。但是，由于fMRI超扫描技术并不能提供社会互动所需的真实环境，加上核磁共振仪要求受试者躺卧并保持不动、其噪音常常引起受试者的不适、购买成本昂贵等诸多因素，使得fMRI超扫描技术在研究上的使用并不广泛。

4 功能性近红外光谱（Functional Near Infrared Spectrum，fNIRS）超扫描技术

fNIRS超扫描技术是采用多台或同一台实验仪器来同时采集两个或多个被试的数据。其中，多项研究成果已经证明：采用将同一台实验仪器分配给不同被试的方法，能很好地解决多台实验仪器记录数据时由硬件带来的测量误差等问题。由于fNIRS超扫描仪器操作方便、不受空间限制、不受眼动活动等的影响，故常被用于生态效度较高的环境中进行数据的收集。fNIRS超扫描技术提供了比fMRI超扫描技术更为真实的实验环境、比EEG超扫描技术更好的空间定位，正成为社会认知行为研究中的重要研究工具。

上述四种超扫描技术各有其优势和不足，本研究从时间分辨率、空间分辨率、生态效度、测量误差、成本和应用等方面分别对这四种超扫描技术进行了比较，如表1所示。表1显示，EEG超扫描技术具有高时间分辨率、高生态效度和低成本的优势，在当前的脑科学领域中应用广泛；而作为新兴技术的fNIRS超扫描技术具有较高的时间、空间分辨率和高生态效度，并且测量误差小，因此其应用越来越广泛，表现出强劲的发展势头。

表1 四种超扫描技术的性能对比

三 超扫描技术在社会性学习中的应用

在脑科学领域，由于人们对社会互动（Social Interaction）之动态行为的脑机制知之甚少，故而这种真实社会交流中的动态群体交互研究就成为了脑机制的“黑箱”。超扫描技术的兴起和发展，为在真实情境下考察互动过程中脑与脑之间的相互联系和相互作用提供了强有力的技术支持，超扫描数据能够提供社会互动的动态信息。近年来，超扫描技术在国内脑科学研究中得到了快速发展，以北京师范大学近红外脑成像研究中心朱朝喆、卢春明研究团队[12][13]、华东师范大学心理与认知科学学院胡谊、李先春研究团队[14][15]为代表的中国研究人员已在国际知名学术刊物上发表了多篇超扫描研究论文——包括这些研究成果在内的大量的国内外超扫描研究成果，为我们徐徐揭开了社会互动中脑机制“黑箱”的一角。

1 超扫描技术与社会互动研究

在应用超扫描技术探讨行为同步和脑活动同步时，研究者发现不同个体之间完成社会交互合作任务的成绩越好，与高级认知活动相关的前额叶皮层（Prefrontal Cortex，PFC）表现出的脑间活动同步性（Interpersonal Neural Synchronization，INS）就越强[16]。社会互动需要互动双方通过言语、动作等交流有效地传递信息，以共同完成合作或决策等任务，而互动双方的有效信息传递与合作双方INS的增强呈现出明显的相关性，并且研究者一致发现脑的前额叶皮层在此类社会认知活动中扮演着重要的角色[17]。

因此，借助于各种非侵入性的神经影像学技术，可以将社会互动的过程与脑科学紧密联系起来，从脑科学的角度来理解社会互动的过程。Schilbach等[18]指出，当我们与他人交往而不是仅仅观察他们时，社会认知有很大的不同。例如，研究学习过程中的人际互动，将有助于更好地理解教育实践中与神经相关的各种因素。随着脑科学研究技术中可穿戴设备、无线脑电和信号分析技术的进步，以及数据处理自动化的实现，神经科学中的研究工具和方法将有可能被教育研究者所使用[19]。

2 超扫描技术在社会性学习研究中的应用

社会性学习作为社会互动的一种，近年来受到越来越多的脑科学研究者的关注，而超扫描技术在这些社会性学习研究中发挥了越来越重要的支持作用。基于前文所述的四种超扫描技术的性能对比，本研究以应用广泛的EEG超扫描技术和fNIRS超扫描技术为例，来探讨超扫描技术在社会性学习研究中的应用。

（1）EEG超扫描研究

借助于EEG超扫描技术的低成本和便利性，越来越多的研究已开始接近动态群体交互这个脑机制的“黑箱”。如Dikker等[20]采用便携式EEG超扫描技术，同时记录了12位高中生在一个学期内参与正常课堂活动（总计11次课）时的大脑活动。他们发现，INS可以反映出课堂中采用不同的教学方式（如讲课、讨论、观看视频等）时学生的学习情况，采用课堂讨论和观看视频的教学方式能诱发更强的INS。另外，INS还可以预测学生在课堂中的参与度，学生对老师、对其他同学的喜爱程度，学生的学习注意力情况和个性特征等。由此可见，INS是一个能反映教育过程中师—生、生—生之动态型互动情况的神经标记，可为调查课堂教学的有效性提供强有力的脑科学证据。

基于上述分析，本研究将影响学生社会性学习效果的因素归纳为：刺激的种类（如不同的教学方式）、学生的个体差异（如注意力、参与度和个性特征）和社会动力（如社会亲密度、社会互动）等。学生在学习过程中的社会性越强，产生的INS越强，学习效果就越好。

（2）fNIRS超扫描研究

近年来，国外研究者将fNIRS超扫描技术应用于社会性学习研究，通过分析真实教学情境中师生互动的脑活动，来预测真实情境中的学习效果，并期望基于脑科学的相关研究成果来改进课堂的教与学。如Holper等[21]使用fNIRS超扫描技术记录了17对师生在完成教学活动时前额叶皮层的活动情况，而这个教学活动采用了师生互动的一个经典模型——苏格拉底式对话。他们发现，教学对话成功组（即学生能有效地通过对话找到解决问题的方法，并且能迁移到相似问题的解决）学生的左侧前额叶皮层比教学对话未成功组（即学生不能有效地通过对话找到解决问题的方法，并且不能迁移到相似问题的解决）学生表现出更高的活动水平；但是，两组教师的前额叶皮层并没有发现显著的差别。更为有趣的是，他们发现在教学对话成功组中，老师和学生的脑活动表现出明显的正相关关系；而在教学对话未成功组中，老师和学生的脑活动不存在明显的相关关系。由此可见，成功教育实践过程的显著特点是“师生共舞”，即师生以一致的节奏进行沟通。

Holper等的研究尝试运用脑科学的研究手段来阐述教学过程中师生互动的本质，虽然还存在着诸多需要改善的地方（如研究中采用的近红外技术只涉及左侧前额叶皮层、没有涉及脑活动与学生成绩之间的关系等），但却开创了真实情境下教育神经科学研究的先例，为接下来更严谨、更具生态效度的复杂教育互动中师生、生生互动所涉及的脑—脑网络研究奠定了基础。

综上所述，教学过程中师生及生生互动可以伴随着明显的INS特点，而且INS可以预测学习者的学习参与度和知识迁移能力等。基于此，本研究认为INS可以作为衡量教学过程中师生、生生互动情况的指标，并可通过分析教学过程不同阶段的INS特点来提供教学质量的动态评价——也就是说，INS可以成为测量教学质量的一种客观的神经生物学标记。此外，良好的学习结果乃建立在学习过程中良好的社会互动基础之上，而良好的社会互动又可为学习者或学习共同体成员之间的脑间活动同步现象提供印证和支持，这一良性循环进一步印证了学习科学中“学习是知识的社会协商”和“学习是参与实践共同体”这两个隐喻。

四 超扫描技术的应用前景展望

既然学习是社会性对话的过程，那么，这个社会性对话的学习效果如何？长期以来，学习效果的有效性往往通过问卷、访谈和前后测等方式来进行评测，但针对问卷和访谈中质性数据的分析往往带有一定的主观性；而针对前后测中量化数据的分析虽然比较客观，却也需花费大量的时间、精力，且不具有即时性。而应用超扫描技术得到的脑科学数据却具有即时、直观、动态、客观等特点，可为学习的有效性研究提供有力的科学依据。

基于此，本研究认为未来的超扫描技术应用可从以下方面着手：①可采用超扫描技术收集学习共同体中每个学习者的脑活动数据，通过分析INS等指标来对学习效果做出客观的、过程性的预测或评价；②大脑的可塑性贯穿人的一生，故应用超扫描技术考察不同年龄段中学习共同体的行为与脑—脑活动特点，将有助于教育工作者深入理解有效学习的本质，进而采取特异性的方式对大脑进行开发；③应用超扫描技术考察影响学习效果的个人因素（如情绪、生活经历等）和社会因素（如家庭或社会环境、文化差异等），可为学习环境的构建和课堂社会动力提供客观依据；④应用超扫描技术关注诸如学习困难者、认知障碍学生等特殊人群的学习行为与脑活动，基于相关研究结果设计干预或改善方案，帮助他们有效地学习，以更好地适应社会。

目前，国内越来越多的超扫描研究者已将目光投向了社会性学习领域。如2017年9月，华东师范大学心理与认知科学学院举办了“社会脑互动脑健康脑”学术研讨会，会上多位研究者汇报了他们使用fNIRS超扫描技术研究社会性学习的最新成果。如卢春明研究团队[22]发现，在教学过程中，师生间通过预测—验证机制逐步建立脑间活动同步，并与教学效果密切关联——脑间活动同步越强，教学效果越好，因此可通过INS来预测教学效果；胡谊研究团队[23]指出，与整体教学法相比，部分教学法中师生有显著的脑间活动同步，与此同时采用部分教学法的师生之间有更多的互动，学生有更好的表现，教学效果更好。

与此同时，研究者也必须认识到超扫描技术本身存在的局限性，如EEG超扫描技术的空间分辨力低、fMRI超扫描技术的时间分辨率低、fNIRS超扫描技术只能探测到颅内2～3厘米处皮层表面的活动等。因此，后续研究可以尝试将不同的超扫描设备结合在一起同步使用，如同步EEG-fMRI[24]或同步fNIRS-fMRI[25]等，将同步使用不同超扫描设备所得的数据予以互相补充、互相印证，将有利于发挥它们各自的优势，是未来超扫描技术发展的重要方向。此外，由于需要在真实情境下考察教与学的活动，故需要进行便携式或可穿戴式超扫描设备的研发。期待在不远的将来，低成本、高功效的无线便携式超扫描设备将在学校教育领域中得到广泛应用。

[1]Miller N E, Dollard J. Social learning and imitation[M]. New Haven: Yale University Press, 1941:1-10.

[2]Bandura A. Social learning theory[M]. Oxford: PrenticeHall, 1977:33-52.

[3]ReedMS, EvelyAC, CundillG, et al. What is social learning?[J]. Ecology and Society, 2010,(4):r1.

[4](美)J·莱夫,E·温格著.王文静译.情景学习:合法的边缘性参与[M].上海:华东师范大学出版社,2004:12-20.

[5]金莺莲,裴新宁.学习科学视域中的社会性学习:过去、现在与未来[J].开放教育研究,2014,(6):81-87.

[6]吕林海.人类学习的研究历史、本质特征与改进努力——脑科学视角下的解析与启示[J].全球教育展望,2013,(1):45-52.

[7]高文.跨越脑科学与教育的鸿沟[J].全球教育展望,2001,(2):16-25.

[8]霍鹏飞,吴玮.大脑的学习机制及其对教育的启示[J].集美大学学报(教育科学版),2011,(2):50-53.

[9]Montague P R, Berns G S, Cohen J D, et al. Hyperscanning: Simultaneous fMRI during linked social interactions[J].Neuroimage, 2002,(4):1159-1164.

[10]Babiloni F, Astolfi L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: Past, present and future[J]. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2014,44:76-93.

[11]郑丽莉,成晓君,胡谊,等.超扫描的发展及其在教育领域的应用潜力[J].教育生物学杂志,2015,(1):35-42.

[12]Duan L, Zhang Y J, Zhu C Z. Quantitative comparison of resting-state functional connectivity derived from fNIRS and fMRI: A simultaneous recording study[J]. Neuroimage, 2012,(4):2008-2018.

[13]Jiang J, Chen C, Dai B, et al. Leader emergence through interpersonal neural synchronization[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015,(14):4274-4279.

[14]Cheng X, Li X, Hu Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: A fNIRS‐based hyperscanning study[J]. Human Brain Mapping, 2015,(6):2039-2048.

[15]Pan Y, Cheng X, Zhang Z, et al. Cooperation in lovers: An fNIRS‐based hyperscanning study[J]. Human Brain Mapping, 2017,(2):831-841.

[16]Funane T, Kiguchi M, Atsumori H, et al. Synchronous activity of two people’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy[J]. Journal of Biomedical Optics, 2011,(7):1-10.

[17]Cui X, Bryant D M, ReissA L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation[J]. Neuroimage, 2012,(3):2430-2437.

[18]Schilbach L, Timmermans B, Reddy V, et al. Toward a second-person neuroscience[J]. Behavioral and Brain Sciences, 2013,(4):393-414.

[19]Spector J M, Merrill M D, Elen J, et al. Handbook of research on educational communications and technology[M]. New York: Springer, 2014:51-63.

[20]Dikker S, Wan L, Davidesco I, et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom[J]. Current Biology, 2017,(9):1375-1380.

[21]Holper L, Goldin A P, Shalóm D E, et al. The teaching and the learning brain: A cortical hemodynamic marker of teacher-student interactions in the Socratic dialog[J]. International Journal of Educational Research, 2013,59:1-10.

[22]Zheng L F, Chen C S, Liu W D, et al. Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students’ knowledge state[J].Human Brain Mapping,2018,(7):3046-3057.

[23]Pan Y F, Novembre G, Song B, et al. Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song[J]. NeuroImage, 2018,183:280-290.

[24]蔺义芹,张丹丹.超扫描技术在社会认知神经科学中的作用[J].应用心理学,2017,(4):300-308.

[25]惠泺潼.超扫描神经影像技术在人际互动研究中的应用[J].科教导刊(下旬),2016,(5):188-189.

The Application of Hyperscanning Techniques in Social Learning

QIAO Xin-hong1YANG Wen-wei2LI Xian-chun3PEI Xin-ning1

Learning is social, while there is little research on brain science, especially on “social brain”, in the research field of social learning. Therefore, focusing on the field of brain science, this paper firstly analyzed the research of learning in this field. Then, this paper introduced the application of hyperscanning techniques in social interaction based on the introduction of brain hyperscanning techniques and their types, and further discussed the application of hyperscanning techniques in social learning by taking the two widely used hyperscanning techniques as examples. Finally, the future development direction of hyperscanning techniques in the field of social learning was prospected. The results of the hyperscanning research in social learning showed that the interpersonal neural synchronization could be an objective neurobiological marker for measuring the quality of teaching, and the brain activity data obtained by the hyperscanning techniques could provide strong scientific basis for the effectiveness research of learning.

hyperscanning techniques; brain science; social learning;interpersonal neural synchronization

G40-057

A

1009—8097（2018）09—0012—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.09.002

本文受国家自然科学基金青年项目“听觉经验背景下大鼠mPFC对声音频率识别模式的研究”（项目编号：31300939）、浙江省2016年度高等教育课堂教学改革项目“对分课堂模式下‘人体解剖生理学’课程的教学改革研究”（项目编号：kg20160134）资助。

乔新虹，在读博士，研究方向为科学教育、教师教育，邮箱为xinhongqiao@163.com。

2018年3月22日

编辑：小米