腦科學(xué)助力探究城市科學(xué)課堂中教師相關(guān)因素對(duì)學(xué)生高階思維的影響機(jī)制
腦科學(xué)賦能科學(xué)教育前沿研究:北師大團(tuán)隊(duì)在SSCI期刊發(fā)表國(guó)際領(lǐng)先成果
論文概要
北京師范大學(xué)教育學(xué)部王晶瑩教授課題組創(chuàng)新性地將腦科學(xué)方法與科學(xué)教育實(shí)證研究相結(jié)合，在Education and Urban Society發(fā)表題為“How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS”的研究論文，是我國(guó)在該交叉領(lǐng)域較早發(fā)表于SSCI期刊的系統(tǒng)實(shí)證工作。該研究結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型與功能性近紅外光譜（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）超掃描技術(shù)，在城市科學(xué)課堂中探究教師相關(guān)因素對(duì)學(xué)生高階思維的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，良好的師生關(guān)系能夠直接提升學(xué)生高階思維，也可以通過(guò)教師指導(dǎo)和支架式教學(xué)的鏈?zhǔn)街薪樽饔么龠M(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展，其背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制是支架式教學(xué)模式1下師生和生生背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）腦間同步（INS）的增長(zhǎng)。國(guó)外審稿人指出，該研究開(kāi)創(chuàng)性地推進(jìn)了科學(xué)教育學(xué)科的方法論，為理解科學(xué)教學(xué)互動(dòng)背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制提供了重要范例。此項(xiàng)工作彰顯了課題組在科學(xué)教育研究范式創(chuàng)新方面的前瞻視野與學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用。
圖1. 文章信息
注1：支架式教學(xué)模式是指教師根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有能力和學(xué)習(xí)目標(biāo)，提供逐步遞減的支持（“支架”），引導(dǎo)學(xué)生從依賴外部幫助到獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)、掌握核心技能的教學(xué)模式。該模式致力于填補(bǔ)學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)能力與在他人支持下完成任務(wù)能力之間的差距。
研究背景
高階思維是學(xué)生應(yīng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、適應(yīng)快速變化世界的關(guān)鍵能力，已成為科學(xué)教育的核心目標(biāo)之一（Zohar & Dori, 2003）。當(dāng)前科學(xué)教育改革強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生如科學(xué)推理、論證、建模等高階能力，而非僅掌握低階知識(shí)（FitzPatrick & Schulz, 2015）。城市學(xué)校作為教育創(chuàng)新的前沿陣地，具有學(xué)生背景多樣、資源集中、教學(xué)情境復(fù)雜等特點(diǎn)，學(xué)生高階思維發(fā)展受到多重因素影響（Gadsden & Dixon-Román, 2017）。教師作為課堂教學(xué)的核心角色，其教學(xué)行為、師生關(guān)系與教學(xué)模式對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響（Hattie & Yates, 2013）。然而，以往研究多依賴問(wèn)卷與行為數(shù)據(jù)，缺乏多模態(tài)證據(jù)支持，尤其是從腦科學(xué)視角揭示其內(nèi)在機(jī)制的研究仍較為有限。本研究以城市初中物理課堂為真實(shí)情境，聚焦三類關(guān)鍵教師因素——師生關(guān)系、教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)模式，嘗試探索兩個(gè)研究問(wèn)題：
Q1: 師生關(guān)系，教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)模式影響學(xué)生高階思維的結(jié)構(gòu)路徑是什么？
Q2: 上述因素影響學(xué)生高階思維的腦科學(xué)證據(jù)是什么？
研究方法
實(shí)驗(yàn)基于師生（一名教師和兩名學(xué)生）三人教學(xué)小組展開(kāi)，4名教師和124名學(xué)生被隨機(jī)分配形成62個(gè)教學(xué)小組，采用基于近紅外光學(xué)成像的多腦超掃描技術(shù)同步記錄科學(xué)課堂情境中師生的神經(jīng)信號(hào)，并通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查采集相關(guān)行為學(xué)數(shù)據(jù)（圖2）。本研究采用的師生關(guān)系、教師指導(dǎo)及支架式教學(xué)評(píng)估量表，改編自Ling等科學(xué)思維背景問(wèn)卷（Ling et al., 2024）。量表采用 11 點(diǎn)李克特計(jì)分法，從 0（完全不符合）到10（完全符合），得分越高表示相應(yīng)水平越佳。
本研究采用具有高生態(tài)效度的便攜式功能近紅外光譜成像技術(shù)，實(shí)時(shí)采集師生在教學(xué)活動(dòng)中的神經(jīng)信號(hào)。近紅外數(shù)據(jù)收集采用荷蘭Artinis公司開(kāi)發(fā)的Brite MKⅢ便攜式多通道近紅外腦成像系統(tǒng)，采樣率為10 Hz。本研究對(duì)fNIRS光極進(jìn)行自定義排布，組成三組7（左側(cè)DLPFC，通道12、13、14、15、16、17、18）+ 7（右側(cè)DLPFC，通道3、4、5、6、7、8、9）+ 4（右側(cè)TPJ，通道1、2、10、11）的測(cè)量通道組合，共計(jì)18個(gè)通道，相鄰光極間距離為3 cm。
本研究使用SPSS 27.0對(duì)行為學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、T檢驗(yàn)和共同方法偏差檢驗(yàn)，使用Mplus 8.3進(jìn)行結(jié)構(gòu)效度檢驗(yàn)和中介效應(yīng)分析。研究者基于以往研究（Zhang et al., 2023），利用Matlab的fNIRS處理軟件包HOMER2對(duì)近紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，對(duì)任務(wù)期的 oxy-Hb 濃度信號(hào)進(jìn)行 z-score 轉(zhuǎn)換（以基線期的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為參照，計(jì)算公式為：z = (任務(wù)期 oxy-Hb 濃度 - 基線期均值) / 基線期標(biāo)準(zhǔn)差），作為被試任務(wù)態(tài)階段的腦激活值。采用小波變換相干（Wavelet Transform Coherence, WTC）法評(píng)估兩個(gè)被試在相同通道上含氧血紅蛋白時(shí)間序列信號(hào)間的耦合程度，將任務(wù)態(tài)相干值較靜息態(tài)相干值的增加值作為腦間同步（Interpersonal Neural Synchronization, INS）指標(biāo)。通過(guò)對(duì)每個(gè)頻段所有通道的平均相干值差異進(jìn)行T檢驗(yàn)，選擇相干值顯著增加的頻段作為本研究的感興趣頻段，并通過(guò)隨機(jī)配對(duì)置換檢驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)選取的時(shí)間段與感興趣頻段，取兩對(duì)師生（教師和學(xué)生1，教師和學(xué)生2）和一對(duì)生生（學(xué)生1和學(xué)生2）三個(gè)相干值增加的平均值作為三人教學(xué)小組任務(wù)態(tài)段的腦間同步.
研究結(jié)果
結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果如圖3所示，該模型擬合良好（χ2(6) = 10.328, RMSEA = 0.076, SRMR = 0.031, CFI = 0.978, TLI = 0.945）。結(jié)果（圖3）顯示師生關(guān)系和支架式教學(xué)模式均正向預(yù)測(cè)學(xué)生的高階思維增長(zhǎng)；教師指導(dǎo)負(fù)向預(yù)測(cè)高階思維增長(zhǎng)。
中介效應(yīng)分析結(jié)果顯示，教師指導(dǎo)（β = -0.328, 95%CI[-0.644, -0.140]）以及教師指導(dǎo)-教學(xué)模式的中介鏈（β = 0.088, 95%CI[0.016, 0.288]）在師生關(guān)系和學(xué)生高階思維增長(zhǎng)間存在中介作用。說(shuō)明良好的師生關(guān)系，會(huì)通過(guò)兩種不同的路徑影響學(xué)生高階思維的提升：一種是直接通過(guò)教師指導(dǎo)產(chǎn)生影響，但這種影響是負(fù)面的，意味著師生關(guān)系越融洽，若教師指導(dǎo)過(guò)于直接或頻繁，反而會(huì)抑制學(xué)生高階思維發(fā)展；另一種是通過(guò) “教師指導(dǎo)→合適的教學(xué)模式（如支架式教學(xué)）” 的連貫過(guò)程發(fā)揮作用，這種路徑能正向促進(jìn)學(xué)生高階思維提升。
研究引入fNIRS超掃描技術(shù)，同步記錄教師與學(xué)生在真實(shí)課堂互動(dòng)中的腦活動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在支架式教學(xué)情境下，教師在課堂中的DLPFC腦激活值顯著高于學(xué)生，且教師這種高水平的認(rèn)知參與在提升學(xué)生高階思維的過(guò)程中發(fā)揮了核心作用：支架式課程中教師的教學(xué)投入可以正向預(yù)測(cè)學(xué)生高階思維增長(zhǎng)（圖4）。這個(gè)結(jié)果支持行為學(xué)路徑中支架式教師指導(dǎo)正向預(yù)測(cè)高階思維增長(zhǎng)，也符合真實(shí)科學(xué)課堂中教師與學(xué)生的角色分工。
腦間同步分析以54個(gè)師生三人小組為對(duì)象。結(jié)果顯示師生的腦間同步和生生的腦間同步之間沒(méi)有顯著差異，表明支架式教學(xué)模式下的師生互動(dòng)和生生互動(dòng)是平等的。支架式教學(xué)模式下教師與學(xué)生在背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）和右側(cè)顳頂聯(lián)合區(qū)（rTPJ）表現(xiàn)出顯著的人際神經(jīng)同步（INS），師生腦活動(dòng)的這種協(xié)同模式可能代表當(dāng)學(xué)生與教師互動(dòng)時(shí)，師生的大腦在執(zhí)行相似的認(rèn)知功能。此外，良好的師生關(guān)系和更多的支架式學(xué)習(xí)經(jīng)歷有助于促進(jìn)師生三人小組在支架式科學(xué)課程中的高效互動(dòng)，從而增強(qiáng)了小組成員DLPFC的腦間同步水平，而這種高水平的腦間同步又可以正向預(yù)測(cè)學(xué)生高階思維的提升。
本研究同時(shí)關(guān)注教師的教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)和師生互動(dòng)過(guò)程，結(jié)合行為學(xué)數(shù)據(jù)與fNIRS數(shù)據(jù)，從結(jié)構(gòu)方程模型和腦科學(xué)兩個(gè)角度探討了城市科學(xué)課堂中學(xué)生高階思維的影響機(jī)制，證實(shí)了教師在科學(xué)教育中的重要性，為實(shí)證分析開(kāi)辟了新的研究范式。本研究發(fā)現(xiàn)，師生關(guān)系作為情感支持的核心維度，不僅直接正向促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展，還能通過(guò)教師指導(dǎo)的中介作用及教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)的鏈?zhǔn)街薪樽饔卯a(chǎn)生間接影響。然而，過(guò)度的教師指導(dǎo)會(huì)對(duì)學(xué)生的高階思維產(chǎn)生負(fù)面影響。支架式教學(xué)中師生背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）的腦間同步構(gòu)成高效師生互動(dòng)的關(guān)鍵認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)。高質(zhì)量的師生互動(dòng)促進(jìn)了師生腦活動(dòng)的認(rèn)知模式協(xié)同，從而促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。
本研究為城市教育實(shí)踐提出了相關(guān)建議。在城市教師培訓(xùn)方面，教師應(yīng)提升自我情感素質(zhì)，關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化需求，通過(guò)積極的情感表達(dá)與學(xué)生建立民主平等、教學(xué)相長(zhǎng)的師生關(guān)系，為高階思維的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的情感基礎(chǔ)。教師應(yīng)致力于構(gòu)建一個(gè)既充滿引導(dǎo)又鼓勵(lì)自由探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，平衡指導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育的最優(yōu)化效果。在城市科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)方面，教師應(yīng)逐漸調(diào)整指導(dǎo)強(qiáng)度，從初期的密集指導(dǎo)逐步過(guò)渡到后期的輔助支持，使學(xué)生能在教師的逐步放手中獨(dú)立思考，進(jìn)而促進(jìn)其高階思維的發(fā)展。在城市學(xué)校的課堂教育實(shí)踐中，教學(xué)小組內(nèi)的深入互動(dòng)是支架式教學(xué)模式下學(xué)生高階思維提升的切入點(diǎn)。教師應(yīng)積極與學(xué)生建立和諧的師生關(guān)系，提供恰當(dāng)且準(zhǔn)確的指導(dǎo)，靈活運(yùn)用支架式教學(xué)，并營(yíng)造互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，以促進(jìn)學(xué)生的高階思維發(fā)展。值得注意的是，支架式教學(xué)模式并非完全摒棄教師指導(dǎo)，將全部學(xué)習(xí)內(nèi)容完全交由學(xué)生完成，而是倡導(dǎo)教師從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和幫助者，真正意義上踐行“以學(xué)生為中心”的教育理念。
不足與展望
首先，由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模的限制，本研究的樣本量較小且地理位置較為集中。未來(lái)的研究可以考慮選取更多樣化和更大規(guī)模的樣本，以進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果的普遍性。此外，這是一項(xiàng)橫斷面研究，短期實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)長(zhǎng)期效果。未來(lái)的研究可以探索更有效的偽影校正和數(shù)據(jù)分析方法，以減少真實(shí)課堂環(huán)境的影響。
參考文獻(xiàn)
[1] Zohar A, Dori Y J. Higher order thinking skills and low-achieving students: Are they mutually exclusive?[J]. The journal of the learning sciences, 2003, 12(2): 145-181.
[2] FitzPatrick B, Schulz H. Do curriculum outcomes and assessment activities in science encourage higher order thinking?[J]. Canadian Journal of Science, Mathematics and Technology Education, 2015, 15(2): 136-154.
[3] Gadsden V L, Dixon-Román E J. “Urban” schooling and “urban” families: The role of context and place[J]. Urban Education, 2017, 52(4): 431-459.
[4] Hattie J, Yates G C R. Visible learning and the science of how we learn[M]. Routledge, 2013.
[5] Ling Y, Xu J, Rong Z, et al. All roads lead to Rome, an unexpected finding: High and low scientific thinking drive high scientific academic achievement through different pathways[J]. Thinking Skills and Creativity, 2024, 53: 101580.
[6] Zhang H, Yang J, Ni J, et al. Leader–follower behavioural coordination and neural synchronization during intergroup conflict[J]. Nature Human Behaviour, 2023, 7(12): 2169-2181.
[7] 任婧涵,郭建軍,胡新怡,等.功能性近紅外光譜技術(shù)在國(guó)際師生互動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,39(04):377-384.
原文信息及鏈接
Wang, J., Ren, J., Chen, Y., Jiang, R., Xu, J., Ding, Y., & Gao, S. (2026). How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS. Education and Urban Society, 00131245251361114.
https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/00131245251361114#tab-contributors
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由北京師范大學(xué)教育學(xué)部教育技術(shù)學(xué)院王晶瑩教授課題組完成。論文第一作者和通訊作者為王晶瑩教授，共同第一作者為北京師范大學(xué)教育學(xué)部24級(jí)博士生任婧涵，共同通訊作者為山東師范大學(xué)高守寶教授。王晶瑩課題組長(zhǎng)期關(guān)注技術(shù)支持下的科學(xué)教育、物理教育和教師教育，教育神經(jīng)科學(xué)，科學(xué)思維測(cè)評(píng)與發(fā)展，課程與教材測(cè)評(píng)和生成式人工智能賦能科學(xué)教育的戰(zhàn)略研究。近五年以第一/通訊作者在SSCI/CSSCI期刊發(fā)表論文60余篇，承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)教育類課題。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
論文概要
北京師范大學(xué)教育學(xué)部王晶瑩教授課題組創(chuàng)新性地將腦科學(xué)方法與科學(xué)教育實(shí)證研究相結(jié)合，在Education and Urban Society發(fā)表題為“How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS”的研究論文，是我國(guó)在該交叉領(lǐng)域較早發(fā)表于SSCI期刊的系統(tǒng)實(shí)證工作。該研究結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型與功能性近紅外光譜（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）超掃描技術(shù)，在城市科學(xué)課堂中探究教師相關(guān)因素對(duì)學(xué)生高階思維的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，良好的師生關(guān)系能夠直接提升學(xué)生高階思維，也可以通過(guò)教師指導(dǎo)和支架式教學(xué)的鏈?zhǔn)街薪樽饔么龠M(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展，其背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制是支架式教學(xué)模式1下師生和生生背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）腦間同步（INS）的增長(zhǎng)。國(guó)外審稿人指出，該研究開(kāi)創(chuàng)性地推進(jìn)了科學(xué)教育學(xué)科的方法論，為理解科學(xué)教學(xué)互動(dòng)背后的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制提供了重要范例。此項(xiàng)工作彰顯了課題組在科學(xué)教育研究范式創(chuàng)新方面的前瞻視野與學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用。
圖1. 文章信息
注1：支架式教學(xué)模式是指教師根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有能力和學(xué)習(xí)目標(biāo)，提供逐步遞減的支持（“支架”），引導(dǎo)學(xué)生從依賴外部幫助到獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)、掌握核心技能的教學(xué)模式。該模式致力于填補(bǔ)學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)能力與在他人支持下完成任務(wù)能力之間的差距。
研究背景
高階思維是學(xué)生應(yīng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、適應(yīng)快速變化世界的關(guān)鍵能力，已成為科學(xué)教育的核心目標(biāo)之一（Zohar & Dori, 2003）。當(dāng)前科學(xué)教育改革強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生如科學(xué)推理、論證、建模等高階能力，而非僅掌握低階知識(shí)（FitzPatrick & Schulz, 2015）。城市學(xué)校作為教育創(chuàng)新的前沿陣地，具有學(xué)生背景多樣、資源集中、教學(xué)情境復(fù)雜等特點(diǎn)，學(xué)生高階思維發(fā)展受到多重因素影響（Gadsden & Dixon-Román, 2017）。教師作為課堂教學(xué)的核心角色，其教學(xué)行為、師生關(guān)系與教學(xué)模式對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響（Hattie & Yates, 2013）。然而，以往研究多依賴問(wèn)卷與行為數(shù)據(jù)，缺乏多模態(tài)證據(jù)支持，尤其是從腦科學(xué)視角揭示其內(nèi)在機(jī)制的研究仍較為有限。本研究以城市初中物理課堂為真實(shí)情境，聚焦三類關(guān)鍵教師因素——師生關(guān)系、教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)模式，嘗試探索兩個(gè)研究問(wèn)題：
Q1: 師生關(guān)系，教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)模式影響學(xué)生高階思維的結(jié)構(gòu)路徑是什么？
Q2: 上述因素影響學(xué)生高階思維的腦科學(xué)證據(jù)是什么？
研究方法
實(shí)驗(yàn)基于師生（一名教師和兩名學(xué)生）三人教學(xué)小組展開(kāi)，4名教師和124名學(xué)生被隨機(jī)分配形成62個(gè)教學(xué)小組，采用基于近紅外光學(xué)成像的多腦超掃描技術(shù)同步記錄科學(xué)課堂情境中師生的神經(jīng)信號(hào)，并通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查采集相關(guān)行為學(xué)數(shù)據(jù)（圖2）。本研究采用的師生關(guān)系、教師指導(dǎo)及支架式教學(xué)評(píng)估量表，改編自Ling等科學(xué)思維背景問(wèn)卷（Ling et al., 2024）。量表采用 11 點(diǎn)李克特計(jì)分法，從 0（完全不符合）到10（完全符合），得分越高表示相應(yīng)水平越佳。
圖2. （a）實(shí)驗(yàn)流程示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖；（c）課程設(shè)計(jì)理論框架
本研究采用具有高生態(tài)效度的便攜式功能近紅外光譜成像技術(shù)，實(shí)時(shí)采集師生在教學(xué)活動(dòng)中的神經(jīng)信號(hào)。近紅外數(shù)據(jù)收集采用荷蘭Artinis公司開(kāi)發(fā)的Brite MKⅢ便攜式多通道近紅外腦成像系統(tǒng)，采樣率為10 Hz。本研究對(duì)fNIRS光極進(jìn)行自定義排布，組成三組7（左側(cè)DLPFC，通道12、13、14、15、16、17、18）+ 7（右側(cè)DLPFC，通道3、4、5、6、7、8、9）+ 4（右側(cè)TPJ，通道1、2、10、11）的測(cè)量通道組合，共計(jì)18個(gè)通道，相鄰光極間距離為3 cm。
本研究使用SPSS 27.0對(duì)行為學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、T檢驗(yàn)和共同方法偏差檢驗(yàn)，使用Mplus 8.3進(jìn)行結(jié)構(gòu)效度檢驗(yàn)和中介效應(yīng)分析。研究者基于以往研究（Zhang et al., 2023），利用Matlab的fNIRS處理軟件包HOMER2對(duì)近紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，對(duì)任務(wù)期的 oxy-Hb 濃度信號(hào)進(jìn)行 z-score 轉(zhuǎn)換（以基線期的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為參照，計(jì)算公式為：z = (任務(wù)期 oxy-Hb 濃度 - 基線期均值) / 基線期標(biāo)準(zhǔn)差），作為被試任務(wù)態(tài)階段的腦激活值。采用小波變換相干（Wavelet Transform Coherence, WTC）法評(píng)估兩個(gè)被試在相同通道上含氧血紅蛋白時(shí)間序列信號(hào)間的耦合程度，將任務(wù)態(tài)相干值較靜息態(tài)相干值的增加值作為腦間同步（Interpersonal Neural Synchronization, INS）指標(biāo)。通過(guò)對(duì)每個(gè)頻段所有通道的平均相干值差異進(jìn)行T檢驗(yàn)，選擇相干值顯著增加的頻段作為本研究的感興趣頻段，并通過(guò)隨機(jī)配對(duì)置換檢驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)選取的時(shí)間段與感興趣頻段，取兩對(duì)師生（教師和學(xué)生1，教師和學(xué)生2）和一對(duì)生生（學(xué)生1和學(xué)生2）三個(gè)相干值增加的平均值作為三人教學(xué)小組任務(wù)態(tài)段的腦間同步.
研究結(jié)果
結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果如圖3所示，該模型擬合良好（χ2(6) = 10.328, RMSEA = 0.076, SRMR = 0.031, CFI = 0.978, TLI = 0.945）。結(jié)果（圖3）顯示師生關(guān)系和支架式教學(xué)模式均正向預(yù)測(cè)學(xué)生的高階思維增長(zhǎng)；教師指導(dǎo)負(fù)向預(yù)測(cè)高階思維增長(zhǎng)。
中介效應(yīng)分析結(jié)果顯示，教師指導(dǎo)（β = -0.328, 95%CI[-0.644, -0.140]）以及教師指導(dǎo)-教學(xué)模式的中介鏈（β = 0.088, 95%CI[0.016, 0.288]）在師生關(guān)系和學(xué)生高階思維增長(zhǎng)間存在中介作用。說(shuō)明良好的師生關(guān)系，會(huì)通過(guò)兩種不同的路徑影響學(xué)生高階思維的提升：一種是直接通過(guò)教師指導(dǎo)產(chǎn)生影響，但這種影響是負(fù)面的，意味著師生關(guān)系越融洽，若教師指導(dǎo)過(guò)于直接或頻繁，反而會(huì)抑制學(xué)生高階思維發(fā)展；另一種是通過(guò) “教師指導(dǎo)→合適的教學(xué)模式（如支架式教學(xué)）” 的連貫過(guò)程發(fā)揮作用，這種路徑能正向促進(jìn)學(xué)生高階思維提升。
圖3. 鏈?zhǔn)街薪槟Ｐ?/span>
研究引入fNIRS超掃描技術(shù)，同步記錄教師與學(xué)生在真實(shí)課堂互動(dòng)中的腦活動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在支架式教學(xué)情境下，教師在課堂中的DLPFC腦激活值顯著高于學(xué)生，且教師這種高水平的認(rèn)知參與在提升學(xué)生高階思維的過(guò)程中發(fā)揮了核心作用：支架式課程中教師的教學(xué)投入可以正向預(yù)測(cè)學(xué)生高階思維增長(zhǎng)（圖4）。這個(gè)結(jié)果支持行為學(xué)路徑中支架式教師指導(dǎo)正向預(yù)測(cè)高階思維增長(zhǎng)，也符合真實(shí)科學(xué)課堂中教師與學(xué)生的角色分工。
腦間同步分析以54個(gè)師生三人小組為對(duì)象。結(jié)果顯示師生的腦間同步和生生的腦間同步之間沒(méi)有顯著差異，表明支架式教學(xué)模式下的師生互動(dòng)和生生互動(dòng)是平等的。支架式教學(xué)模式下教師與學(xué)生在背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）和右側(cè)顳頂聯(lián)合區(qū)（rTPJ）表現(xiàn)出顯著的人際神經(jīng)同步（INS），師生腦活動(dòng)的這種協(xié)同模式可能代表當(dāng)學(xué)生與教師互動(dòng)時(shí)，師生的大腦在執(zhí)行相似的認(rèn)知功能。此外，良好的師生關(guān)系和更多的支架式學(xué)習(xí)經(jīng)歷有助于促進(jìn)師生三人小組在支架式科學(xué)課程中的高效互動(dòng)，從而增強(qiáng)了小組成員DLPFC的腦間同步水平，而這種高水平的腦間同步又可以正向預(yù)測(cè)學(xué)生高階思維的提升。
圖4. 支架式教學(xué)模式下，被試的單腦激活值分析示意圖。
（a）獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果圖；（b）右側(cè)DLPFC通道7的師生腦激活差異；（c）學(xué)生高階思維增長(zhǎng)與教師DLPFC通道7腦激活的相關(guān)性
結(jié)論與啟示（a）獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果圖；（b）右側(cè)DLPFC通道7的師生腦激活差異；（c）學(xué)生高階思維增長(zhǎng)與教師DLPFC通道7腦激活的相關(guān)性
本研究同時(shí)關(guān)注教師的教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)和師生互動(dòng)過(guò)程，結(jié)合行為學(xué)數(shù)據(jù)與fNIRS數(shù)據(jù)，從結(jié)構(gòu)方程模型和腦科學(xué)兩個(gè)角度探討了城市科學(xué)課堂中學(xué)生高階思維的影響機(jī)制，證實(shí)了教師在科學(xué)教育中的重要性，為實(shí)證分析開(kāi)辟了新的研究范式。本研究發(fā)現(xiàn)，師生關(guān)系作為情感支持的核心維度，不僅直接正向促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展，還能通過(guò)教師指導(dǎo)的中介作用及教師指導(dǎo)與支架式教學(xué)的鏈?zhǔn)街薪樽饔卯a(chǎn)生間接影響。然而，過(guò)度的教師指導(dǎo)會(huì)對(duì)學(xué)生的高階思維產(chǎn)生負(fù)面影響。支架式教學(xué)中師生背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）的腦間同步構(gòu)成高效師生互動(dòng)的關(guān)鍵認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)。高質(zhì)量的師生互動(dòng)促進(jìn)了師生腦活動(dòng)的認(rèn)知模式協(xié)同，從而促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。
本研究為城市教育實(shí)踐提出了相關(guān)建議。在城市教師培訓(xùn)方面，教師應(yīng)提升自我情感素質(zhì)，關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化需求，通過(guò)積極的情感表達(dá)與學(xué)生建立民主平等、教學(xué)相長(zhǎng)的師生關(guān)系，為高階思維的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的情感基礎(chǔ)。教師應(yīng)致力于構(gòu)建一個(gè)既充滿引導(dǎo)又鼓勵(lì)自由探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，平衡指導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育的最優(yōu)化效果。在城市科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)方面，教師應(yīng)逐漸調(diào)整指導(dǎo)強(qiáng)度，從初期的密集指導(dǎo)逐步過(guò)渡到后期的輔助支持，使學(xué)生能在教師的逐步放手中獨(dú)立思考，進(jìn)而促進(jìn)其高階思維的發(fā)展。在城市學(xué)校的課堂教育實(shí)踐中，教學(xué)小組內(nèi)的深入互動(dòng)是支架式教學(xué)模式下學(xué)生高階思維提升的切入點(diǎn)。教師應(yīng)積極與學(xué)生建立和諧的師生關(guān)系，提供恰當(dāng)且準(zhǔn)確的指導(dǎo)，靈活運(yùn)用支架式教學(xué)，并營(yíng)造互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，以促進(jìn)學(xué)生的高階思維發(fā)展。值得注意的是，支架式教學(xué)模式并非完全摒棄教師指導(dǎo)，將全部學(xué)習(xí)內(nèi)容完全交由學(xué)生完成，而是倡導(dǎo)教師從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和幫助者，真正意義上踐行“以學(xué)生為中心”的教育理念。
不足與展望
首先，由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模的限制，本研究的樣本量較小且地理位置較為集中。未來(lái)的研究可以考慮選取更多樣化和更大規(guī)模的樣本，以進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果的普遍性。此外，這是一項(xiàng)橫斷面研究，短期實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)長(zhǎng)期效果。未來(lái)的研究可以探索更有效的偽影校正和數(shù)據(jù)分析方法，以減少真實(shí)課堂環(huán)境的影響。
參考文獻(xiàn)
[1] Zohar A, Dori Y J. Higher order thinking skills and low-achieving students: Are they mutually exclusive?[J]. The journal of the learning sciences, 2003, 12(2): 145-181.
[2] FitzPatrick B, Schulz H. Do curriculum outcomes and assessment activities in science encourage higher order thinking?[J]. Canadian Journal of Science, Mathematics and Technology Education, 2015, 15(2): 136-154.
[3] Gadsden V L, Dixon-Román E J. “Urban” schooling and “urban” families: The role of context and place[J]. Urban Education, 2017, 52(4): 431-459.
[4] Hattie J, Yates G C R. Visible learning and the science of how we learn[M]. Routledge, 2013.
[5] Ling Y, Xu J, Rong Z, et al. All roads lead to Rome, an unexpected finding: High and low scientific thinking drive high scientific academic achievement through different pathways[J]. Thinking Skills and Creativity, 2024, 53: 101580.
[6] Zhang H, Yang J, Ni J, et al. Leader–follower behavioural coordination and neural synchronization during intergroup conflict[J]. Nature Human Behaviour, 2023, 7(12): 2169-2181.
[7] 任婧涵,郭建軍,胡新怡,等.功能性近紅外光譜技術(shù)在國(guó)際師生互動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,39(04):377-384.
原文信息及鏈接
Wang, J., Ren, J., Chen, Y., Jiang, R., Xu, J., Ding, Y., & Gao, S. (2026). How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS. Education and Urban Society, 00131245251361114.
https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/00131245251361114#tab-contributors
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由北京師范大學(xué)教育學(xué)部教育技術(shù)學(xué)院王晶瑩教授課題組完成。論文第一作者和通訊作者為王晶瑩教授，共同第一作者為北京師范大學(xué)教育學(xué)部24級(jí)博士生任婧涵，共同通訊作者為山東師范大學(xué)高守寶教授。王晶瑩課題組長(zhǎng)期關(guān)注技術(shù)支持下的科學(xué)教育、物理教育和教師教育，教育神經(jīng)科學(xué)，科學(xué)思維測(cè)評(píng)與發(fā)展，課程與教材測(cè)評(píng)和生成式人工智能賦能科學(xué)教育的戰(zhàn)略研究。近五年以第一/通訊作者在SSCI/CSSCI期刊發(fā)表論文60余篇，承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)教育類課題。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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標(biāo)簽：
fNIRS近紅外腦成像
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