汉语二语概念性知识教学的脑同步机制研究

冯丽萍 张了原 徐小雄 田丽萍

[摘   要] 不同教学互动情境影响学习者的认知和情感体验。本研究通过近红外超扫描实验，采用“人际神经同步”指标，探究了线上、线下不同互动情境下汉语二语概念性知识教学过程中的师生脑同步机制及其对学习效果的影响，并结合视频分析、访谈探讨了产生异同的原因。研究发现：（1）在知识的建构阶段，受知识特点和教学方式影响，线上教学时教师前额叶皮层与学生左侧颞顶联合区的脑同步显著强于线下；（2）在知识的能力生成阶段，线下视觉信息辅助提升话轮质量，教师右侧颞顶联合区和学生左侧颞顶联合区的脑同步显著强于线上；（3）能力生成阶段的脑同步能有效预测学习效果，主要由于这一阶段涉及更多有意义的互动话轮，高质量的问答使师生更好地基于信息传递、理解、预测、反馈等互动环节实现共享表征和社会关系的建立。基于研究结果，提出了线上教学中利用关键因素提高教学效率的相关建议。

[关键词] 线上； 线下； 互动情境； 概念性知识； 脑同步

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 冯丽萍（1969—），女，河南郑州人。教授，博士，主要从事汉语作为第二语言的学习与教学研究。E-mail：fengliping@bnu.edu.cn。

一、引   言

不同教学互动情境影响学生的认知和情感，线上师生教学行为分离，原有面授课堂的规律难以解释线上教学的复杂性[1-4]。以往对线上、线下教学的研究多采用观察法或调查法，但外在表现是学习和教学链的终端，其背后的神经生理机制是根本因素[5]。近年来，教育神经科学领域有多项研究采用近红外光谱成像（Functional Near-infrared Spectroscopy，fNIRS）等超扫描技术，将人际神经同步（Interpersonal Neural Synchronization，INS，简称“脑同步”）作为解释学习效果的神经指标，揭示其内在的神经基础[6-12]。研究多以能够体现某一领域知识分类和关系的概念性知识为材料，帮助学习者实现知识迁移[13-14]。也有研究关注了情境、方式等因素对其学习的影响[8-9]。但是现有研究多集中于母语者的知识教学过程，对于汉语二语来说，师生间信息的传递与理解以及师生关系的建构受学生语言水平、文化背景差异的制约。因此，不同情境下，汉语二语概念性知识教学过程中的师生脑同步机制尚有待探究。

教学活动设计应对教学目标、内容、评价等进行计划，创设有效的教学过程[15]。该过程会生成某种结果，如学生知识、技能、心性的变化[16]等。二语学习的目标是学习者在理解和记忆的基础上，能运用语言解决问题，促进情感发展，这都源自特定的教学过程。因此，语言教学过程如何影响学习效果，也是本研究探讨的问题。

综上所述，本研究将基于汉语二语教学的特点和需要，采用超扫描技术，以“脑同步”为指标，探讨以下问题：线上、线下情境下，汉语二语概念性知识教学过程中的师生脑同步机制有何异同？互动过程中的脑同步活动对学习效果有何影响？导致两种情境下互动过程与效果异同的深层原因为何？

二、理论基础

（一）教学设计理论

教学设计是以促进学生的学习为根本目的，将学习与教学理论等相关原理转换成对教学目标、内容等的具体计划[15]。李文光等以加涅和梅瑞尔的教学设计理论为基础，构建了以知识建构与能力生成为导向的认知目标分类框架[17]。知识建构属于较低层级，对应于表象化、理解、记忆知识，旨在通过激活过去的知识和经验使学生形成对知识的深刻认识；能力生成属于较高层级，对应于运用、发现知识，主要借助学习者内部知识寻找问题解决的途径。这一理论同样适用于汉语二语教学，依据该理论，本研究将汉语语法知识的学习分为知识建构和能力生成两个阶段。

（二）人际交流的认知神经层级模型

人际交流是一个复杂过程，面向人际交流的认知神经层级模型认为，人际言语互动存在三个层级的加工过程，分别为交互言语加工、语义的相互理解以及社会关系的建立及维系，每一个层级的活动都存在独特的脑同步模式[6]。教学互动是社会互动的一种类型，因此，该模型为本研究精细化分析教学互动过程及其脑同步机制提供了参考框架。

三、研究设计

（一）实验设计

采用单因素被试内实验设计。自变量为互动情境，分为线上、线下两种。线上情境下，师生所处空间不同，教师在线上实现语法知识的讲授、对学生的实时引导和即时反馈；线下情境下，师生处于同一空间，教师以面对面的形式实现讲授、对学习者的引导和反馈。两种情境下教学时长均在12分钟左右，教学目标、内容、方法一致。

（二）被试

被试包含学生被试与教师被试。学生被試为中级水平的汉语二语者，通过HSK四级或五级考试，来自韩国、日本、尼泊尔、俄罗斯等国家，共计32名（男性9名，女性23名），均为右利手，视力或矫正视力正常。年龄18～36岁，平均年龄23.07±4.12岁（均值±标准差）。学生被试从19.21±4.46岁开始学习汉语，属于晚期二语者[18]。调查显示，被试均未系统学习过本实验中所教的语法知识。教师被试由汉语母语者担任，共计8名，均为女性、右利手，要求有1.5～2年汉语国际教育学习和实践背景。每名教师随机分配教授4名学生。

（三）教学设计

依据教学设计理论及汉语语法教学设计优秀教案[19-20]，本研究的教学设计如下：

1. 教学内容与目标

首先，依据概念性知识的内涵，从现代汉语语法著作[21-22]、《国际中文教育中文水平等级标准》（GF0025-2021）和《HSK等级大纲》中，初选适合中级水平的语法知识。然后，邀请10名有中级水平教学经验的教师填写评定问卷。将75%以上教师认为未在中级教过且适合中级水平的语法点确定为教学内容。根据结果，选出“汉语语法单位结构”和“形容词及其分类”两个知识点。教学目标包括对知识的建构和能力生成两个目标。

2. 教学方法

参考示范教案，当目标为知识建构时，涉及更多的是教师对知识的传递，主要采用讲授法，使学生迅速有效地在单位时间内理解并记忆信息；当目标为能力生成时，更多的是运用所学知识解决问题，主要采用启发法，通过提问引导学生处理信息、解决问题，但两种方法的使用并非截然分开。

3. 教学评价

根据教育评价理论与认知神经层级模型，学习目标是多元的，既有知识的获得与技能的提升，也有情感体验和积极情感的发展。因此，本研究从知识学习和情感体验两个维度评价学习效果[23]。在情感体验中，满意度最能获取学生的主观认同[24]；临场感的不同是导致沟通媒介差异的重要原因[25]，符合本研究对互动情境的关注；积极心理学和教育心理学情绪的研究表明，情绪对二语学习具有重要作用[26]。因此，本研究从满意度、临场感、课堂情绪三个维度测评学习者的情感体验。

（四）实验材料

1. 教学脚本材料

帮助教师被试准备教学，并保证线上、线下教学语言的难度、话轮的数量、时长、流程等一致。为保证其效度，脚本均经本领域专家审核与评估。

2. 学习效果测评材料

采用填空题测评学生理解和记忆的效果，采用简答题测评学生对知识的运用以及迁移能力。学习满意度问卷参考杨九民修订的视频教学满意度问卷[27]。社会临场感问卷参考季丹翻译并检验的问卷[28]。课堂愉悦和焦虑情绪的测评，分别参考Li和Dewaele 等改编的问卷[29-30]。

（五）实验程序与任务

实验前一周，对教师进行规范化培训。为避免练习效应，线上、线下教学分两次进行，间隔两周，先后顺序在被试对间平衡。每次实验分为超扫描前、中、后三个阶段。超扫描前，学生完成前测。超扫描中分为静息态和任务态，静息态时长3分钟[10]，要求师生闭上眼睛、克制动作、放松思维，作为基线。任务态为互动式教学环节，尽可能模拟自然教学。线上情境下，师生在不同的实验室通过电脑端“腾讯会议”教学，均打开摄像头，通过屏幕共享展示课件，视频以小窗的形式固定置屏幕右上角。线下，师生在同一实验室，坐在桌子的一侧，可以通过侧身和转头观察对方。使用摄像机录制教学过程，所有师生对在实验前不相识。超扫描后，学生完成学习效果的测评，并接受关于学习感受的访谈。

（六）近红外数据采集

使用导津公司的LABNIRS近红外光谱成像系统采集被试的脑信号，本研究关注血流变化更为敏感、信噪比更高的氧合血红蛋白浓度的变化。每名被试佩戴装有3块光极板的帽子，共51个通道，覆盖与社会互动、心理理论以及语言有关的脑区。通过分析被试的脑结构像，计算每个通道对应的皮层位置。

四、数据分析及结果

（一）不同教学阶段的脑同步结果

对近红外数据进行消除运动伪迹、去除全局生理噪声等预处理后，采用小波变换相干（Wavelet Transform Coherence，WTC）法计算师生脑同步值，将任务态较静息态的增加值作为脑同步指标。运用配对样本t检验和基于频率簇的置换检验方法，寻找具有条件间差异的频段和通道组合。结果显示：在知识的建构阶段，在0.05～0.12Hz频率范围内，当师生脑活动对齐时，教师的PFC（Prefrontal Cortex，BA10，CH8）和学生的左侧TPJ（Temporal-parietal Junction，TPJ，BA40，CH33）之间的INS增加值存在线上、线下的显著差异，线上的脑同步显著强于线下（t=4.9675，p<0.0001，FDR校正）。在知识的能力生成阶段，在0.04～0.13Hz频率范圍内，当学生的大脑活动落后于教师2～6秒时，教师的右侧TPJ（BA40，CH43）和学生的左侧TPJ（BA40，CH29）之间的INS增加值存在线上、线下的显著差异，线下的脑同步显著强于线上，这种差异在6秒时达到峰值（t=-4.3306，p<0.0001，FDR校正）。以上结果均通过了基于频率簇的置换检验，表明具有线上、线下的显著差异并且脑同步是基于真实被试对的互动产生的（如图1和图2所示）。

（二）互动过程中的脑同步与学习效果关系的分析结果

所有被试在实验前均无对所学内容的先验知识，因此，将知识的后测分数作为学习效果[12]，将大于或小于平均值2.5个标准差的极端值使用均值插值法替换后，将后测分数转换为z分数进行标准化处理。

为确定脑同步与学习效果的关系，分别在线上、线下情境下对脑同步的增加值与各维度学习效果进行皮尔逊相关分析。结果显示，在知识的建构阶段，线上、线下情境下脑同步的增加值与学习效果均不存在显著的相关性。在知识的能力生成阶段，线上情境下，脑同步与学生对师生互动满意度的评分存在边缘显著的正相关（r=0.343，p=0.074）。进一步进行回归分析，结果显示，脑同步可以解释学生对师生互动满意度评分34.3%的变异（R2=0.343）。方差分析结果显示，模型有效[F（1，31）=3.456，p=0.074]。线下情境下，脑同步与学生知识能力生成的效果存在显著正相关（r=0.500，p=0.007）。在相关分析的基础上进行回归分析，结果显示，脑同步可以解释学生能力生成测评分数50%的变异（R2=0.500）。方差分析结果显示，模型有效[F（1，31）= 8.674，p=0.007]。

五、讨   论

（一）不同互动情境下概念性知识教学过程的脑同步机制分析

本研究选择汉语语法中的概念性知识为教学内容，采用师生互动的方式，通过知识建构、能力生成两个阶段，实现学习者对知识的理解和记忆、运用和迁移等目标。不同阶段和目标的教学过程中，线上、线下两种互动情境下的师生互动脑同步机制也有所差异。

在知识建构阶段，线上师生脑同步强于线下，出现在教师的PFC和学生的左侧TPJ之间。PFC和TPJ都属于心理理论系统，参与高级认知加工活动，与推测他人心理状态和社会概念加工有关[31]。其中，PFC与计划、比较和整合自我、他人的信息有关，在教学互动中具有重要作用[31-32]。左侧TPJ参与理解和推测他人的信念和意图[33]，一些视听理解和篇章阅读的研究认为，TPJ可能反映了信息整合的过程[34]。本研究中，当教学目标为让学生理解、记忆时，脑同步可能意味着教师通过讲授、比较、整合自己与学生的信息以组织、调整教学语言，学生不断对其讲解的内容接收、理解、处理和整合加工。此阶段线上脑同步更强，笔者推测与知识特点、教学方式有关。概念性知识的要点结构松散[35]，教师需逐一阐释，多为关于知识的陈述，要点之间联系不紧密。线上学生主要依靠讲解、课件和视频小窗中的视觉信息学习，需更强地保持连贯且持续的注意力。而线下师生可以更多地利用表情、眼神、动作等信息确认彼此的状态。根据对脑同步教学录像的点对帧分析，线下教师一般通过学生的表情判断学生是否能跟上节奏，当学生面露疑惑时，教师往往会重复或作解释。而在线上，由于环境限制以及缺少视觉信息，教师难以判断学生的状态，采取了更多的言语确认行为来引起学生的注意。学生在访谈中也表示，线上教师会更频繁地问“听懂了吗？”“还有问题吗？”，言语上的提示促使学生有意理解知识、推测教师意图。由于知识点的分散、抽象，以及线上可利用的视觉信息有限，教师需耗费更多的认知资源建立与学生的共享表征，学生也需更多地调用资源注意、理解、整合信息，从而使得线上脑同步强于线下。

在能力建构阶段，线下师生脑同步强于线上，出现在教师的右侧TPJ和学生的左侧TPJ之间。这一结果印证了双侧TPJ在社会互动中的重要作用，但右侧TPJ主要涉及交流双方对彼此心理或情绪状态的归因[36]，如有师生互动研究发现右侧TPJ与教师对学生的引导和预测有关[8]。本研究中，脑同步出现在教师的右侧TPJ，表明存在教师对学生的引导和预测，这也符合能力生成阶段的教学特征。在知识讲解基础上，教师通过启发和问答的方式引导学生运用知识解决问题。左侧TPJ则在表征他人概念和意图中发挥着重要作用[36]。脑同步出现在学生的左侧TPJ，可能意味着学生理解了知识之后，在教师的引导下推测教师的意图，回答问题。此外，左侧TPJ与面部识别和眼神注视有关[37]。以往研究发现，当被试进行面对面有注视的交流时，左侧TPJ的脑同步显著强于没有注视时，说明左侧TPJ的脑同步与交流中的视觉注视有关[38]。这也解释了为什么线下这一脑同步更强：与知识建构时教师讲授为主不同，在能力生成阶段，以知识运用、解决问题为目标，以教师提问和引导、学生思考和回答为主，师生间的话轮更加重要，教师不再主要以“听懂了吗？”等言语信息确认学生的状态，而是更多地在话轮中特别关注和预测学生的回答是否正确、如何给予有效反馈和引导。相比于线上，线下教学中，教师更多地用眼神、表情等直接传递信息，使学生与视觉注视有关的左侧TPJ有更高的激活。

此外，能力生成阶段的脑同步具有时滞效应，教师的脑活动领先于学生2～6秒，且在6秒时达到峰值。初级声学特征的处理时间单位为毫秒，句子和段落等高级语言结构的处理时间单位为秒[39]。在能力生成阶段，教师提问的同时，学生需先回忆、思考和判断。教师的提问、学生对知识的回忆都是以句子为单元，对一个知识点的提问和回忆时长为2～6秒，基本对应于教师脑活动提前于学生的时间。以往研究认为，这种时滞与教师对学生的预测，以及学生所需的信息整合时间窗口有关[8，10]。本研究的能力生成阶段，采用的是教师提问—学生回答—教师反馈的话轮方式，因此，这种时滞的脑同步表明师生之间进行的是有意义的互动行为，即在教师提出问题的同时，根据已教知识、既定目标对学生的答案进行预测，说明师生之间共享语义表征的建立，教师对学生的预测不是即时、零散的，而是以知识点为单元。线下该脑同步显著强于线上，表明线下师生之間有更多直观信息的利用、更好的社会关系的建构，有利于教师对学习者进行预测，从而实现更有效的话轮互动。以往研究发现，更好的互动质量与更多的话轮转换有关[8]。而Pan等研究发现，话轮质量是更加关键的因素，真正引起更好的学习效果的教学行为是“提问关键问题”与“提供线索”[9，40]。田丽萍等研究也表明，“有意义”话轮的数量是导致脑同步的因素之一[41]。

（二）不同互动情境下概念性知识教学过程对学习效果的影响

结果发现，能力生成阶段的脑同步可以预测学习效果，这与以往研究一致[9-12]。这说明，在汉语二语教学过程中，脑同步也可以作为衡量教学互动质量的神经标记。但以往的研究并未区分教学阶段和目标，本研究进行了更为精细化的研究设计，发现能力生成阶段的脑同步对学习效果具有更加关键的作用。

知识建构属于比较低的层级，能力生成属于比较高的层级，低层级技能是高层级技能的基础[17]。在知识建构阶段，教师通过解释、分类、概要、推论、比较和说明等过程促进学生的理解，并使学生将教学中呈现的材料以大致相同的形式进行保持和记忆[13]，这一阶段加工层次较浅，以教师向学生的单向传输为主，因此，师生脑同步对学习效果的预测作用不强。在能力生成阶段，教师通过提问进行解释、引导、评价、澄清，学生基于主动思考发问、认真作答，能使学生持续保持良好的注意状态，实现对知识的深层理解与运用，其知识表征更接近教师，并且在互动中收获了更积极的情感体验，与教师建立了更紧密的关系，因此，能力生成阶段，师生不仅能形成持续的脑同步，且这种脑同步可以有效预测学习效果。

但不同情境下能力生成阶段的教学过程对学习效果的影响不同。线上师生脑同步可以在一定程度上预测学生对师生互动满意度的评分，即师生脑同步越强，学生对师生互动的满意度越高。由于缺乏多模态的视觉信息，线上师生需要耗费更多的认知资源达成相互理解、建构互动关系、提升互动质量。该脑同步出现在教师的PFC和学生的左侧TPJ，说明教师调用更多的资源持续关注学生的状态、预测学生的回答、调整教学语言和节奏，体现了双方对互动形式的关注以及对情感维系的需求。线上师生互动关系建构的难度更大、需求更高；双方调用的资源越多，脑同步越强，越有利于维系良好的互动关系，因此，对教学的满意度越高。

線下师生脑同步可以显著预测学生对能力生成的效果，即师生脑同步越强，学生知识运用的效果越好。已有研究发现，面对面教学时师生PFC的脑同步可以预测学习效果[13]。也有研究发现，与背对背互动相比，面对面时互动双方在IFC的脑同步更强、互动效果更好，这是由于双方对多通道信息的整合，以及视觉信息对听觉信息处理的促进作用[42]。本研究能够预测学习效果的脑同步出现在教师的右侧TPJ和学生左侧TPJ，与上述研究结果中的PFC、IFC都是参与社会互动的重要脑区。但左侧TPJ除了与理解他人意图、整合信息、视觉注视有关外，在参与语义处理和理解句法结构的任务中也发挥着重要作用[43]，在处理语言有关的工作记忆时也较为活跃[44]。脑同步出现在二语者的左侧TPJ，意味着相较于母语学习者，二语学习者需要更多地进行语法和语义信息的加工，调用与语言有关的工作记忆来保持与教师的互动。右侧TPJ在心理理论中被作为共情的关键脑区，这表明在二语教学中，教师更加关注理解学生的表达和情绪，努力建构和维系良好的社会互动关系。学生对句法和语义信息的处理越好，越容易与教师形成共享表征，保持良好的社会互动关系，也越能提升知识的学习效果。

六、结   语

本研究通过近红外超扫描实验，将“脑同步”作为教学过程中的神经指标，探究了线上线下不同互动情境下汉语二语概念性知识教学过程的脑同步机制及其对学习效果的影响。研究发现，在线上与线下两种情境、知识建构与能力生成两个阶段，师生都可以通过互动推进教学，但其过程与效果存在不同。在以理解为主要目标的知识建构阶段，教师讲授为主要方式，且线上师生可利用的视觉信息较少，学生需要调用更多的资源以持续地注意信息，建构并维系与教师的互动关系。在以运用知识为主要目标的能力生成阶段，师生之间有意义的话轮成为该阶段的关键特征。有意义的话轮需要教师在引导性提问的同时对学生进行预测，学生对信息进行整合并作出回答，这种高质量的问答可以更好地使师生之间基于信息传递、理解、预测、反馈等互动环节而实现语义共享表征，帮助学生实现更好的知识理解和技能提升，因此，能够有效预测学习效果。特别是在线上情境下，这样的言语互动可以促进学生产生积极情绪、建立信心和成就感，因此互动过程可以有效预测学生的情感体验。

在当今数字资源、智慧教育迅速发展的形势下，线上教学已成为我们无法回避的情境，该情境下人际互动资源的限制、社会互动关系建构的难度、学习效果与效率的不佳成为学界面临的挑战，而找到导致这些挑战的关键因素、形成原因、介入途径，进行精准的教学设计与有实效的创新，是新的教育教学生态下保证教学效果、提高教学效率的有效途径。本研究以中级汉语教学中典型的语法知识为内容，通过对线上、线下情境下汉语二语概念性知识教学互动过程中师生脑同步机制的分析，发现教师提问内容与方式、对学生的预测、二语学习者对信息的注意和工作记忆、对汉语语法结构和语义信息的整合是决定师生之间通过互动形成共享语义表征、建构社会互动关系的关键因素。基于这些因素，在线上教学设计、数字资源研发中，通过多模态信息的精准运用、有意义话轮的精心设计、学习难度的合理控制、教学节奏的优化调整，使学习者能快速注意并加工信息，通过主动、深入的思考获得知识、提升技能，并保持积极、愉悦的情感，是教师教学和资源研发中可考虑的介入手段。后续也有待对其他汉语水平、更多知识类型的教学与学习机制研究，从而为建构汉语二语线上学习理论、创新教学模式提供更加坚实的证据支持。

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A Study on Brain Synchronization Mechanism of Conceptual Knowledge

Teaching in Chinese as Second Language

FENG Liping1，  ZHANG Liaoyuan2，  XU Xiaoxiong3，  TIAN Liping1

（1.School of International Chinese Language Education， Beijing Normal University， Beijing 100875;

2.Faculty of Humanities and Foreign Language Education， Beijing Institute of Education， Beijing 100120;

3.School of Urban Culture and Communication， Suzhou City University， Suzhou Jiangsu 215104）

[Abstract] Different teaching interactive contexts affect learners' cognitive and affective experiences. Through near-infrared super-scanning experiments， this study uses the index of "interpersonal neural synchronization（INS）" to explore the brain synchronization mechanism between teachers and students in the process of teaching conceptual knowledge of Chinese as a second language in different interactive situations online and offline and its influence on learning results. Combined with video analysis and interviews， the causes of similarities and differences are discussed. It is found that （1） in the stage of knowledge construction， influenced by knowledge characteristics and teaching methods， the brain synchronization between teachers' prefrontal cortex and students' left temporoparietal junction area is significantly stronger in online teaching than offline teaching; （2） In the stage of ability generation， offline visual information assists to improve the quality of conversation rounds， and the brain synchronization of teachers' right temporoparietal junction area and students' left temporoparietal junction area is significantly stronger than that of online; （3） Brain synchronization in the stage of ability generation can effectively predict learning outcomes， mainly because this stage involves more meaningful interactive conversation rounds， and high-quality questions and answers enable teachers and students to better realize shared representations and establish social relationships based on interactive links such as information transfer， understanding， prediction and feedback. Based on the results， this paper puts forward some suggestions to improve teaching efficiency by using key factors in online teaching.

[Keywords] Online; Offline; Interactive Context; Conceptual Knowledge; Brain Synchronization