社会线索促进在线学习的认知神经机制

田媛 亓栀 黄湘琳 向虹钰 汪颖

[摘   要] 社会线索的呈现是教师在在线教学过程中采用的一种重要的教学形式，教师使用不同的社会线索会对学生产生不同的影响。本研究通过功能性近红外光谱技术（fNIRS）以及学习测验，考查学生在不同社会线索（手势引导、眼神引导、眼神—手势引导）条件下，大脑皮层的激活范围、前额叶（PFC）与右侧颞顶联合区（rTPJ）氧合血红蛋白浓度（HbO）的变化及学习成绩的差异。结果发现：（1）在眼神—手势引导条件下，学生的保留测验成绩显著高于单独呈现某一引导条件;（2）fNIRS结果证明，被试在眼神—手势引导条件下右前额和右颞叶的HbO要显著高于眼神引导条件下的HbO，在眼神—手势引导条件下学生有更深的认知加工水平并且感知到了更强的社会性。因此，为了提高学生在线学习的效果，教师应发挥眼神引导和眼神接触的重要作用，注重教学中社会线索的使用，并将更多的社会线索（眼神、手势）结合起来开展教学。

[关键词] 在线教学; 在线学习; 社会线索; 学习表现; 功能性近红外光谱技术

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 田媛（1982—），女，陕西汉中人。副教授，博士，主要从事在线学习及效果评测的研究。E-mail：tiany@mail.ccnu.edu.cn。

一、问题的提出

2020年初，教育部提出在大中小学延期开学期间，依托在线教学资源开展教学工作[1]，进一步助推了在线教育的发展。在这样的特殊时期，怎样才能保证良好的学习效果？以往研究已证明，教师形象在教学视频中的呈现可以增强学生在学习中的积极体验和满足感[2]，提高学生的课堂参与度[3-4]。如何通过教师形象增强学生对社会互动的感知并提高在线学习效率，是许多研究者期望进一步探讨的问题。

社会线索是指可以激发接受者社会反应的信息，教师在教学中的表情和动作等一系列非言语行为就是社会线索[5-7]。教学中最常见的两种社会线索是手势引导和眼神引导，手势引导指教师在讲授中伴随着手的指向带领学生关注特定内容;眼神引导指教师通过目光看向相应内容来引导学生。刘清堂等人在视频课程教育智能体的社会线索设计研究中指出，动态社会线索会提升学生的学习意愿与主动性[8]。但就教师眼神引导对学生学习表现的影响，目前研究者得出的结论尚未统一。因此，本研究将进一步验证社会线索对学生学习表现的影响。

先前的研究大多使用行为实验或眼动设备考察不同社会线索对学生学习表现或注意分配的影响[9]，但较少有研究者从神经科学的角度思考社会线索对学生影响的内部神经机制。功能性近红外光谱技术（Functional Near-Infrared Spectroscopy，简称fNIRS）凭借其空间分辨率高、对头动的容忍性强以及生态效度高等特点受到了越来越多的研究者的关注[10]。因此，本研究采用fNIRS技术，尝试从神经学的角度思考在线教学中教师呈现不同社会线索（眼神、手势、眼神—手势）时，学生的脑区激活范围和血氧变化（激活水平）差异。

结合学生在学习过程中的脑活动特点，本研究将前额叶（Prefrontal Cortex，简称PFC）和右侧颞顶联合区（Right Temporo-Parietal Junction，简称rTPJ）作为兴趣脑区。一方面，PFC参与了高级认知过程，在对知识的加工过程中发挥了重要的作用;另一方面，rTPJ参与了一些社会功能的处理，在推测他人的意图、目标中发挥了重要的作用[11-12]。

综上所述，本研究使用fNIRS，考察教师在在线教学视频中呈现不同的社会线索时，学生学习表现的差异，以及学生PFC和rTPJ两个脑区激活水平的差异。因此，本研究假设：

H1：不同类型的社会线索会导致学生学习成绩的差异，眼神—手势引导条件下学生的学习成绩最好，手势引导条件下学生的学习成绩次之，眼神引导条件下学生的学习成绩最低。

H2：不同类型的社会线索会导致学生大脑皮层血氧活动的差异，眼神—手势引导条件下学生的脑激活水平最高，手势引导条件下学生的脑激活水平次之，眼神引导条件下学生的脑激活水平最低。

二、研究设计

（一）被试

在武汉某高校随机招募57名大学生作为被试，其中，女生37人，男生20人，年龄在18～25岁之间（19.94±1.69）。所有被试均为右利手，视力或矫正视力正常，无色盲、色弱等眼疾，无脑损伤、精神病史。将57名被试平均分配到不同的社会线索条件下，每个条件下有19名被试。实验结束后，被试均得到一定报酬。

（二）實验仪器

使用美国NIRX公司生产的NIRScout功能性近红外成像设备，采用两个波长（760nm和850nm）的近红外半导体激光。在实验开始之前，先对每个通道的信号质量进行校准。数据以3.90Hz连续采样，根据修订后的Beer-Lambert定律，得到兴趣区域下的氧合血红蛋白浓度（Oxygenated Hemoglobin，简称HbO）和脱氧血红蛋白浓度（Deoxygenated Hemoglobin，简称HbR）的变化数据，功能性近红外成像设备采集到的数据使用NIRStar软件包进行收集。

（三）实验材料

1. 视频材料

将心理学中的“动机的概念及种类”作为教学内容，录制了眼神引导、手势引导、眼神—手势引导三种实验材料。眼神引导条件下的教学视频，教师将眼神转向屏幕的相应位置对学生进行引导。手势引导条件下的教学视频，教师用手指向屏幕的相应位置进行引导，眼神正视摄像头。而眼神—手势引导条件下的教学视频，教师在用眼神引导的同时辅以手势引导。每段教学视频的时长约为11分钟，在三段教学视频的录制过程中，教师在相同的知识内容处进行引导，总引导次数为15次，每次引导时间在7～10秒之间。为了排除无关变量的干扰，除引导方式外，视频内容的其他因素均保持一致。

2. 测验工具

先验知识是根据课程内容编制的，目的是对参与者的先前知识经验进行评估。先验知识测验由7道选择题构成，每题2分，总分14分（M=6.61， SD=2.18）。先验知识测验与学习测验题目无知识重合。本实验中，学生的先验知识无显著差异，F（2，56）=0.978，p>0.05。

学习成绩测验由保留测验和迁移测验两部分构成。保留测验由7道选择题（含2道多选，每题10分，共70分）、2道填空题（每题包括两个空，每题10分，共20分）组成。迁移测验由1道简答题（10分）和1道分析题（20分）组成，共30分。

3. 实验设计

实验为单因素三水平被试间设计（引导类型：手势引导、眼神引导、眼神—手势引导）。因变量为被试观看不同社会线索的教学视频后的测验表现及在教学视频中出现社会线索后学生的血氧浓度相对变化量。先前已经有研究证明，HbO指标对任务刺激的变化更加敏感[13]，因此，将HbO作为本研究的关注点。

由于教师呈现社会线索的时间为7～10秒，因此，本研究收集教师开始呈现社会线索后10秒内学生的HbO变化数据。每个视频中教师呈现社会线索的次数为15次，因此，将每个学生15次HbO变化数据进行叠加，以消除随机误差，获得社会线索呈现后的脑活动数据。

4. 实验程序

本实验在功能性近红外实验室中进行，总实验时长在45分钟左右。首先，向被试介绍实验流程，在确认其对实验流程有了充分的认识后，填写人口统计学量表及先验知识问卷。被试被随机分配到三种实验条件下，观看不同社会线索类型的教学视频。在观看教学视频之前，被试有1分钟的静息时间，确保其脑活动不受先前活动的影响，在观看教学视频过程中，利用功能性近红外成像设备全程记录被试PFC和rTPJ的血氧变化情况。学习视频观看结束后填写学习测验问卷。

5. 探头排布

研究使用了16个发射器和15个接收器，探头之间的间隔为3厘米，共构成44个通道。PFC和rTPJ的位置参考先前研究者关于探测器和接收器的布局[14]，根据国际10-20系统定位，首先使用NIRSite（NIRX自带定位设备）对兴趣脑区进行探头的排布与定位，再通过Matlab中NIRS_SPM的定位功能对NIRSite确定的脑区定位进行检测。CH1-CH20在前额叶，CH20-CH44在右侧颞顶联合区。兴趣区定位和脑区通道位置分别如图1、图2所示。

6. 数据分析

行為数据使用SPSS 25.0统计分析软件进行分析。功能性近红外成像设备测得的血氧数据在nirsLAB分析包（v2017.6， NIRx Medical Technologies，LLC. Los Angeles，USA）中进行处理。首先，对每个被试的44个通道的信号进行检测，将变异系数CV（%）大于7.5的通道确定为噪声，在进一步的处理中将不纳入分析。其次，删除与实验无关的时间段，去除由于呼吸、头动等造成的伪影和全局漂移。使用nirsLAB半自动化程序来平滑尖峰，对信号的不连续性进行矫正，设置STD阈值为5，由nirsLAB进行自动检测与矫正。利用保留0.01-0.1Hz的带通滤波器去除掉一些慢波生理噪声（头动、心跳、呼吸等）和漂移。最后，考虑到血流动力学耦合反应的延迟，使用了典型的血流动力学反应函数HRF，应用广义线性模型（Generalize Linear Model，简称GLM）计算各个通道的β值（实验中的任务引起的OxyHb和DeoxyHb的变化幅度）。为了对数据进行统计分析，研究使用SPSS 25.0首先对与ΔHbO相关的β值（三个水平：手势、眼神、眼神—手势）进行单样本方差分析，得到阈值F统计量，对有显著性（p<0.05）的通道进行进一步的分析，并通过FDR对统计结果进行矫正。

三、研究结果

（一）行为数据结果

为了避免极端数据对统计结果的影响，剔除保留测验低于15分及迁移测验低于5分的被试[15]。对不同社会线索条件下学生的学习表现进行单因素三水平方差分析，结果显示：保留测验主效应显著，F（2，53）=3.756，p=0.03，η2=0.13。Bonferroni校正的事后检验表明，被试在眼神—手势引导条件下的保留测验成绩（M=45.79，SD=10.03）显著高于眼神引导条件（M=35.83，SD=13.4）与手势引导条件（M=37.65，SD=11.74），眼神引导条件与手势引导条件之间无显著差异。迁移测验主效应不显著，F（2，53）=1.311，p=0.279>0.05，η2=0.05，眼神引导（M=15.06， SD=2.94）、手势引导（M=13.53，SD=2.74）、眼神—手势引导（M=13.68，SD=3.53）条件下的被试迁移测验成绩无显著差异。

（二）fNIRS测得的血氧变化结果

在对信号质量进行预处理的初步检测后，剔除无效通道大于22个的被试数据。最终纳入分析的数据共50个，包括手势引导条件16个、眼神引导条件17个、眼神—手势引导条件17个。

对不同社会线索条件下各个通道的β值进行单样本t检验，检验值为0，显著激活的通道（p<0.05）具体见表1。结果表明，三种社会线索条件的激活模式有差异，在教师眼神引导的社会线索条件下有更多的通道被激活。手势引导激活的脑区仅有PFC区域，而眼神引导与眼神—手势引导激活的区域则包括PFC与rTPJ。

以通道为单位，对三种引导条件（手势引导、眼神引导、眼神—手势引导）下各通道的β值进行单因素三水平方差分析，发现社会线索条件主效应显著的通道只有CH18（p=0.043）、CH36（p=0.045），具体见表2。

事后检验显示，CH18和CH36两个通道均显示眼神—手势引导条件下的激活情况要显著高于眼神引导条件下的激活情况，眼神—手势引导条件和手势引导条件下的激活情况虽然有一定的差异，但是并未达到显著水平，如图3所示。

（三）fNIRS数据与行为数据的关系

将在三种引导条件下主效应显著的通道CH18、CH36作为兴趣区纳入进一步的统计分析。CH18代表右前额的激活情况，CH36代表右颞叶的激活情况。将这两个通道的β值与保留测验和迁移测验的成绩进行皮尔逊相关分析（N=50），表明测验成绩与脑激活情况无显著相关，结果见表3。

四、讨   论

本研究使用fNIRS考察了在线教学中教师呈现的不同社会线索（眼神引导、手势引导、眼神—手势引导）对学生学习表现的影响，以及大脑PFC和rTPJ的HbO浓度变化。研究结果表明，在教师的眼神—手势引导条件下，学生的保留测验成绩显著高于其他两种条件。fNIRS的结果表明，不同的社会线索诱发了学生不同的脑激活模式，且不同的社会线索带来的相关脑区激活强度也有差异。

（一）不同社会线索对学生学习成绩的影响

从理论层面来说，社会线索对学生学习的影响可以通过两种理论进行解释：第一种理论为社会代理理论（Social Agency Theory），是指教师在在线教学过程中呈现出来的社会线索能够增强师生之间的互动感，学生更容易将教师看作一个真实存在的交流伙伴。也就是说，社会交流模式被激活，促进学习者采取更为深层的认知加工策略来理解教师讲授的内容[16-17]。第二种理论为信号传递效应（Signaling Effect），是指在线教学环境的视觉元素越来越丰富，教师需要用眼神和手势突出讲课中的重点内容以提高学生学习效率[18]。本研究结果证明，学生在教师的眼神—手势引导条件下的保留测验成绩要好于手势引导和眼神引导，但不同社会线索条件下迁移测验的成绩没有显著差异。三种条件下保留测验的成绩差异表明了多种社会线索共同作用的优势。但迁移测验成绩没有显著性差异的原因可能是由于保留测验和迁移测验性质的差异，保留测验主要用于考查学生对知识内容的记忆，而迁移测验则是考查学生对知识内容的理解与迁移[19]。根据社会代理理论，社会线索促进了学生对知识内容的深度加工，从而增强了学生对相应内容的记忆，但对于知识内容的理解和迁移则需要学生更多认知资源的投入，因此，可能较少地受到社会线索的影响。此外，本研究的结果与Wang等人的结果不一致，可能与迁移测验题型的不同有关。为了更好地考查学生学习迁移的效果，本研究的迁移测验材料使用了2道论述题，而Wang等人的研究则是使用填空题和选择题的形式[20]。Choi的研究發现，题目的形式会影响测验时的焦虑程度[21]，因此，可能会削弱社会线索对学习成绩的影响。未来的研究可以进一步考察社会线索对不同的测验题型的影响是否有差异。

（二）不同社会线索对学生脑活动的影响

t检验的结果表明，在不同社会线索条件下学生呈现出了不同的脑区激活模式，眼神引导条件下的激活范围最大，PFC和rTPJ都有一定程度的激活，其次是眼神—手势引导条件，而手势引导条件只引起了PFC部分区域的激活。教师的眼神引导之所以能够引起较大的脑区激活范围，可能是由于人类眼神交流的特殊性，根据他人眼神注视的方向来推断注意焦点是人类的自然倾向[22]，是社会信息传递过程中社会线索的重要来源[23]，有利于增强社会关系，促进共享注意力。社会存在理论认为，教师的眼神引导不仅可以引导学生的注意力方向，还可以增强教师和学生的互动感和社交联系[24]。fMRI的研究表明，与斜视的眼神线索相比，成人看到直视的眼神线索后，后颞上沟、颞中回、梭状回、顶下小叶、额中回、额下回等脑区都被更大程度地激活[25]。因此，与教师的手势引导相比，教师眼神特有的社会性优势使学生可以通过教师眼神来推测教师的意图和心理状态，并引起相关脑区（PFC、rTPJ）的激活。相比之下，教师的手势引导则更倾向于作为注意力线索发挥作用，通过促进学生对视听内容进行整合，有助于学生对知识内容进行深度加工，促进学生的学习。因此，手势引导条件只引起了与学生认知加工相关的PFC的激活。

在对三种社会线索条件下不同通道的HbO进行方差分析之后，发现在CH18（右前额区域）和CH36（右颞区域）两个通道上，不同社会线索条件下的HbO浓度出现了显著的差异。事后分析表明，眼神—手势引导条件下CH18和CH36的HbO均高于其他两个条件，与学生保留测验表现相同。一方面，对于右前额区域的激活来说，学生在在线学习过程中并不只是被动的信息接收者[26]，他们还需要对教师传达的信息进行内部表征，与自己的知识经验相结合以理解教师的意图，而这个过程就促进了学生前额叶的激活[27]。眼神—手势引导条件引起右前额区域更强的激活水平证明了在眼神和手势共同作用的条件下，可以帮助学生更好地表征教师的教学意图，促进其对所学知识内容的深度加工，从而增强学生对学习内容的记忆和理解。另一方面，对于右颞叶区域的激活来说，社会相关的刺激会激活rTPJ的活动[28]，因此，rTPJ的激活可能是由于学生对教师的社会性的感知，眼神—手势引导条件下，两种社会线索的共同作用可能使学生感受到了教师更强的社会性。对CH18和CH36两个通道的相关分析表明，二者存在显著的正相关，r=0.434，p<0.01，有研究证明，rTPJ和PFC可能在社会互动学习中是协同工作的[14]，因此，社会代理理论提出的社会线索可以增强教师的社会性，从而激活社会交流模式，促进深度加工的观点可能在rTPJ和PFC两个脑区中存在神经学的证据，未来的研究可以对这两个脑区形成的神经网络在网络学习方面发挥的作用进行进一步的探索。

对不同社会线索条件下脑激活范围和激活强度的研究结果进行综合考虑，可以对先前研究中有争议的眼神引导效果进行神经学上的解释，即眼神引导可以使学生激活更广泛的脑区参与到学习中，但是较低的激活强度可能是眼神引导没有带来更好的学习表现的原因。教师的眼神是教学中重要的社会线索，未来的研究可以进一步探索教师眼神在在线教学中发挥的作用。

（三）教学实践意义与建议

本研究的结果对教师的在线教学具有一定参考作用。（1）在线教学时空分离的特性容易造成教学过程中社会线索缺失，从而降低学生在线学习的效果，因此，教师在组织直播教学或录制教学视频时，不仅要注意言语表达，还要注意非言语表达。尤其是在讲解重要的教学内容时要将更多的社會线索（眼神、手势）结合起来配合教学，可以增强学生的对话感和社会交互性，增强学生相关脑区的激活程度，提高并促进学生对所学知识的理解和掌握。其次，教师的眼神是一种强烈的社会刺激，是社会信息传递过程中社会线索的重要来源，教师的眼神引导不仅能够引导学生的注意力方向，还可以增强教师和学生的互动感和社交联系。（2）教师和学生的眼神接触可以增强师生脑活动的同步性，因此，即使是在没有学生面对面的直播现场或录制视频过程中，教师也应更多地与学生进行“眼神接触”，将摄像头当作学生，并积极进行“眼神交流”，让屏幕另一端上课的学生感受到被教师“看着”。教师使用眼神作为社会线索能够引导学生激活更多的社会相关脑区参与到在线学习中，使学生有更强的互动感，有助于学习效果的提升。

本研究也存在一些局限，功能性近红外成像设备只能对大脑表层的脑区进行测量，对于更深层的脑区活动情况还需要使用空间精确度更高的测量设备，如使用核磁共振仪（MRI）进行全脑的测量以加深我们对在线学习中学生神经活动的理解。另外，本研究没有很好地将行为结果与神经数据联系起来，后续的研究可以将fNIRS与眼动技术等结合起来，从学生在线学习中的注意力指向与神经活动结合的视角，更全面地认识在线学习的内部心理机制。此外，教师呈现的社会线索与学生的学习效果并不是线性的关系，还会受到学生、课程材料等相关因素的影响，后续研究将纳入更多的变量深入探索社会线索对学生在线学习影响的神经机制。

五、结   语

本研究探索了在线学习中教师呈现的三种不同社会线索（眼神、手势、眼神—手势）对学生的学习表现和神经活动的影响。利用fNIRS对学生的脑活动进行测量，证明了三种不同的社会线索有不同的脑激活模式，在眼神—手势引导条件下，学生取得了更好的保留测验成绩，并伴随着右侧前额叶和右侧颞叶更大程度的脑激活。研究结果从认知神经层面证明了教师呈现的社会线索可以使学生感受到教师更强的社会性，促进其认知加工的深度。研究结果加深了教师与研究者对学生在线学习的认知神经机制的理解，同时，对教师的教学提出了一定的指导性意见。

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