通过多模态学习分析方法系统比较线上与线下协作写作的认知机制差异
2025-12-26 来源:本站 点击次数:105
脑科学视角：线上 vs 线下协作写作，认知成本与神经同步性差异揭秘
论文概要
腾讯会议、Zoom等视频会议工具的普及，正推动协作学习突破线下场景的边界，扩展至基于视频会议与共享文档的在线空间。这引发了值得关注的议题：在线与面对面协作究竟存在哪些差异？在线上协作中，开启或关闭摄像头又会如何影响学习者的参与方式？
近日，浙江大学心理与行为科学系潘亚峰课题组在NeuroImage发表题为“Online and in-person collaborative writing have similar benefits but different costs”的研究论文揭开了谜底——在线与面对面协作的学习获益趋同，但背后的知识建构过程迥异。
文章信息
研究背景
协作认知负荷理论（Collaborative Cognitive Load Theory, CCLT）指出，协作一方面可促使个体与同伴分担加工复杂任务来降低内在负荷，另一方面也会带来沟通、协调与澄清等额外成本（Kirschner et al., 2018）。这些成本可能随社会存在、视觉线索等情境可得性而变。然而，现有对比研究多聚焦学习成绩等结果指标，对协作过程的探讨多停留在理论推演层面，难以客观揭示不同协作形式在学习收益背后所付出的认知成本与协作过程。
潘亚峰团队采用多模态学习分析（Multimodal Learning Analytics, MMLA; Di Mitri et al., 2018），整合行为、对话和脑成像数据，系统比较了三种协作学习情境下的学习特征与认知机制：面对面、在线开摄像头以及在线关摄像头协作。研究基于英文议论文协作写作范式（Guo et al., 2024），综合运用内容分析（Rourke & Anderson, 2004）、认知网络分析（Epistemic Network Analysis, ENA; Csanadi et al., 2018）以及脑激活与脑际同步（inter-brain synchronization, IBS; Pan et al., 2023）分析，揭示面对面协作更为高效，而在线协作则伴随更高的认知与协作成本。视觉线索的缺失会进一步限制协作互动与信息共享，削弱脑际同步。
研究方法和结果
该研究将77对同性别参与者随机分配至三种条件，完成28分钟的英文议论文协作写作任务（实验流程见图1）。实验过程中，采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）采集参与者左侧前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）的大脑活动，并记录协作对话过程。
结果显示，无论是面对面还是在线条件，协作写作均显著提升了学习者的写作表现，且三种条件的最终成绩无显著差异，这表明即便缺少共同在场或视觉线索，在线协作依然能有效支持知识建构。
1. 对话行为：视觉线索影响认知参与深度
（1）与面对面协作组相比，在线开摄像头组在协作中表现出显著更多的高阶认知行为，包括任务监控、相互理解、论点建构与提问。
（2）在线关摄像头组的信息交换行为显著减少，表明视觉线索缺失削弱了围绕材料与观点展开的实质性讨论。
2.认知网络：视觉线索影响认知模式（见图2）
（1）在线开摄像头组的“信息交换—提问”节点连接更紧密，表明开摄像头促进了更高水平的互动式认知加工。
（2）在线关摄像头组的“相互理解—协作规划”连接更为显著，说明学习者可能需借助更多明确的语言澄清与结构化规划来弥补视觉信息的缺失。
3.大脑激活：在线协作消耗更多执行控制资源
脑激活分析显示，无论开/关摄像头，在线协作组的背外侧前额叶皮层（DLPFC）激活更强，该脑区与工作记忆、注意控制和执行调节密切相关。这表明在线协作需要更多自上而下的资源来管理任务进展、协调互动结构与维持注意。相比之下，面对面协作对执行控制的需求更低，认知资源使用更加节约。
4.脑际同步：视觉线索促进语义层面的同频加工（见图3）
（1）在颞中回（MTG）这一语义加工脑区，面对面与在线开摄像头组的脑际同步水平显著高于在线关摄像头组。
（2）相关分析显示，更强的IBS与对话中“信息交换—信息交换”的共现强度呈正相关，表明学习者围绕观点展开实质性加工和交互时，更有助于他们在语义处理层面实现同步。
本研究通过多模态学习分析方法，系统揭示了面对面与在线协作写作的核心差异：三种协作形式均可有效提升学习成效，但背后依托的认知过程不同。面对面协作更高效；在线协作需调用更多的执行控制资源，而缺乏视觉线索的缺失会进一步增大协作成本。这些发现为理解协作学习的认知和神经过程提供了实证证据，也为优化在线协作学习实践提供了理论基础。
对于在线协作学习实践：（1）在条件允许时，建议学习者开启摄像头，以提升社会临场感与即时协调，增强信息共享与意义对齐。（2）针对关摄像头场景，应通过结构化教学设计（如提供明确的任务脚本、预设协作流程）降低协作成本，强化显性协作规划与理解确认环节。（3）在线场景中应优化互动结构，简化冗余互动流程，预留充足认知资源用于核心任务，避免因执行控制需求过高影响学习效果。
不足与展望
尽管该研究揭示了不同协作情境下的学习机制，但存在一些局限。第一，研究任务聚焦于协作写作，其结果能否推广至其他协作任务类型仍有待进一步检验。第二，研究采用的是短时、受控的实验范式，生态效度有待进一步提升，未来研究可在真实学习场景，同时结合纵向设计，探究不同协作形式如何影响长期的学习效果。第三，未探究性格特质、学习风格、协作经验等个体因素对协作过程的调节作用，后续可结合这些变量开展分层研究。第四，线上和线下协作的差异包含空间分离与视觉线索双重变量，后续研究可增设空间共存在线条件以剥离空间距离的影响。第五，该研究的认知行为与神经结果为理解协作背后的认知神经机制提供了初步见解，未来需进一步明确神经动态与行为表现之间的关联。
参考文献：
Csanadi, A., Eagan, B., Kollar, I., Shaffer, D. W., & Fischer, F. (2018). When coding-and-counting is not enough: Using epistemic network analysis (ENA) to analyze verbal data in CSCL research. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 13(4), 419–438.
Di Mitri, D., Schneider, J., Specht, M., & Drachsler, H. (2018). From signals to knowledge: A conceptual model for multimodal learning analytics. Journal of Computer Assisted Learning, 34(4), 338–349.
Guo, K., Li, Y., Li, Y., & Chu, S. K. W. (2024). Understanding EFL students’ chatbot-assisted argumentative writing: An activity theory perspective. Education and Information Technologies, 29(1), 1–20.
Kirschner, P. A., Sweller, J., Kirschner, F., & Zambrano R, J. (2018). From cognitive load theory to collaborative cognitive load theory. International journal of computer-supported collaborative learning, 13(2), 213–233.
Pan, Y., Cheng, X., & Hu, Y. (2023). Three heads are better than one: cooperative learning brains wire together when a consensus is reached. Cerebral Cortex, 33(4), 1155–1169.
Rourke, L., & Anderson, T. (2004). Validity in quantitative content analysis. Educational technology research and development, 52(1), 5–18.
原文链接
Ran, H., Li, Q., Li, Y., Deng, F., & Pan, Y. (2025). Online and in-person collaborative writing have similar benefits but different costs. NeuroImage, 324, 121629. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2025.121629
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811925006329
研究团队介绍
该研究由浙江大学心理与行为科学系潘亚峰研究员课题组完成。论文第一作者为博士生冉恒月，共同第一作者为科研助理李琦，通讯作者为潘亚峰研究员。潘亚峰课题组长期关注社会学习与互动的神经计算机制，及其在教育和健康中的应用研究。近三年，以第一或通讯作者身份在Lancet Psychiatry、Advanced Science、Biological Psychiatry、Communications Biology、PLOS Computational Biology等杂志发表论文多篇。
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论文概要
腾讯会议、Zoom等视频会议工具的普及，正推动协作学习突破线下场景的边界，扩展至基于视频会议与共享文档的在线空间。这引发了值得关注的议题：在线与面对面协作究竟存在哪些差异？在线上协作中，开启或关闭摄像头又会如何影响学习者的参与方式？
近日，浙江大学心理与行为科学系潘亚峰课题组在NeuroImage发表题为“Online and in-person collaborative writing have similar benefits but different costs”的研究论文揭开了谜底——在线与面对面协作的学习获益趋同，但背后的知识建构过程迥异。
文章信息
研究背景
协作认知负荷理论（Collaborative Cognitive Load Theory, CCLT）指出，协作一方面可促使个体与同伴分担加工复杂任务来降低内在负荷，另一方面也会带来沟通、协调与澄清等额外成本（Kirschner et al., 2018）。这些成本可能随社会存在、视觉线索等情境可得性而变。然而，现有对比研究多聚焦学习成绩等结果指标，对协作过程的探讨多停留在理论推演层面，难以客观揭示不同协作形式在学习收益背后所付出的认知成本与协作过程。
潘亚峰团队采用多模态学习分析（Multimodal Learning Analytics, MMLA; Di Mitri et al., 2018），整合行为、对话和脑成像数据，系统比较了三种协作学习情境下的学习特征与认知机制：面对面、在线开摄像头以及在线关摄像头协作。研究基于英文议论文协作写作范式（Guo et al., 2024），综合运用内容分析（Rourke & Anderson, 2004）、认知网络分析（Epistemic Network Analysis, ENA; Csanadi et al., 2018）以及脑激活与脑际同步（inter-brain synchronization, IBS; Pan et al., 2023）分析，揭示面对面协作更为高效，而在线协作则伴随更高的认知与协作成本。视觉线索的缺失会进一步限制协作互动与信息共享，削弱脑际同步。
研究方法和结果
该研究将77对同性别参与者随机分配至三种条件，完成28分钟的英文议论文协作写作任务（实验流程见图1）。实验过程中，采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）采集参与者左侧前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）的大脑活动，并记录协作对话过程。
结果显示，无论是面对面还是在线条件，协作写作均显著提升了学习者的写作表现，且三种条件的最终成绩无显著差异，这表明即便缺少共同在场或视觉线索，在线协作依然能有效支持知识建构。
图1. 实验流程概览
1. 对话行为：视觉线索影响认知参与深度
（1）与面对面协作组相比，在线开摄像头组在协作中表现出显著更多的高阶认知行为，包括任务监控、相互理解、论点建构与提问。
（2）在线关摄像头组的信息交换行为显著减少，表明视觉线索缺失削弱了围绕材料与观点展开的实质性讨论。
2.认知网络：视觉线索影响认知模式（见图2）
（1）在线开摄像头组的“信息交换—提问”节点连接更紧密，表明开摄像头促进了更高水平的互动式认知加工。
（2）在线关摄像头组的“相互理解—协作规划”连接更为显著，说明学习者可能需借助更多明确的语言澄清与结构化规划来弥补视觉信息的缺失。
图2. 不同协作学习条件下的认知网络
3.大脑激活：在线协作消耗更多执行控制资源
脑激活分析显示，无论开/关摄像头，在线协作组的背外侧前额叶皮层（DLPFC）激活更强，该脑区与工作记忆、注意控制和执行调节密切相关。这表明在线协作需要更多自上而下的资源来管理任务进展、协调互动结构与维持注意。相比之下，面对面协作对执行控制的需求更低，认知资源使用更加节约。
4.脑际同步：视觉线索促进语义层面的同频加工（见图3）
（1）在颞中回（MTG）这一语义加工脑区，面对面与在线开摄像头组的脑际同步水平显著高于在线关摄像头组。
（2）相关分析显示，更强的IBS与对话中“信息交换—信息交换”的共现强度呈正相关，表明学习者围绕观点展开实质性加工和交互时，更有助于他们在语义处理层面实现同步。
图3. 不同协作学习条件下的颞中回（MTG）脑际同步
结论与启示 本研究通过多模态学习分析方法，系统揭示了面对面与在线协作写作的核心差异：三种协作形式均可有效提升学习成效，但背后依托的认知过程不同。面对面协作更高效；在线协作需调用更多的执行控制资源，而缺乏视觉线索的缺失会进一步增大协作成本。这些发现为理解协作学习的认知和神经过程提供了实证证据，也为优化在线协作学习实践提供了理论基础。
对于在线协作学习实践：（1）在条件允许时，建议学习者开启摄像头，以提升社会临场感与即时协调，增强信息共享与意义对齐。（2）针对关摄像头场景，应通过结构化教学设计（如提供明确的任务脚本、预设协作流程）降低协作成本，强化显性协作规划与理解确认环节。（3）在线场景中应优化互动结构，简化冗余互动流程，预留充足认知资源用于核心任务，避免因执行控制需求过高影响学习效果。
不足与展望
尽管该研究揭示了不同协作情境下的学习机制，但存在一些局限。第一，研究任务聚焦于协作写作，其结果能否推广至其他协作任务类型仍有待进一步检验。第二，研究采用的是短时、受控的实验范式，生态效度有待进一步提升，未来研究可在真实学习场景，同时结合纵向设计，探究不同协作形式如何影响长期的学习效果。第三，未探究性格特质、学习风格、协作经验等个体因素对协作过程的调节作用，后续可结合这些变量开展分层研究。第四，线上和线下协作的差异包含空间分离与视觉线索双重变量，后续研究可增设空间共存在线条件以剥离空间距离的影响。第五，该研究的认知行为与神经结果为理解协作背后的认知神经机制提供了初步见解，未来需进一步明确神经动态与行为表现之间的关联。
参考文献：
Csanadi, A., Eagan, B., Kollar, I., Shaffer, D. W., & Fischer, F. (2018). When coding-and-counting is not enough: Using epistemic network analysis (ENA) to analyze verbal data in CSCL research. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 13(4), 419–438.
Di Mitri, D., Schneider, J., Specht, M., & Drachsler, H. (2018). From signals to knowledge: A conceptual model for multimodal learning analytics. Journal of Computer Assisted Learning, 34(4), 338–349.
Guo, K., Li, Y., Li, Y., & Chu, S. K. W. (2024). Understanding EFL students’ chatbot-assisted argumentative writing: An activity theory perspective. Education and Information Technologies, 29(1), 1–20.
Kirschner, P. A., Sweller, J., Kirschner, F., & Zambrano R, J. (2018). From cognitive load theory to collaborative cognitive load theory. International journal of computer-supported collaborative learning, 13(2), 213–233.
Pan, Y., Cheng, X., & Hu, Y. (2023). Three heads are better than one: cooperative learning brains wire together when a consensus is reached. Cerebral Cortex, 33(4), 1155–1169.
Rourke, L., & Anderson, T. (2004). Validity in quantitative content analysis. Educational technology research and development, 52(1), 5–18.
原文链接
Ran, H., Li, Q., Li, Y., Deng, F., & Pan, Y. (2025). Online and in-person collaborative writing have similar benefits but different costs. NeuroImage, 324, 121629. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2025.121629
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811925006329
研究团队介绍
该研究由浙江大学心理与行为科学系潘亚峰研究员课题组完成。论文第一作者为博士生冉恒月，共同第一作者为科研助理李琦，通讯作者为潘亚峰研究员。潘亚峰课题组长期关注社会学习与互动的神经计算机制，及其在教育和健康中的应用研究。近三年，以第一或通讯作者身份在Lancet Psychiatry、Advanced Science、Biological Psychiatry、Communications Biology、PLOS Computational Biology等杂志发表论文多篇。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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