脑科学助力探究城市科学课堂中教师相关因素对学生高阶思维的影响机制
2026-01-16 来源:本站 点击次数:225
脑科学赋能科学教育前沿研究:北师大团队在SSCI期刊发表国际领先成果
论文概要
北京师范大学教育学部王晶莹教授课题组创新性地将脑科学方法与科学教育实证研究相结合，在Education and Urban Society发表题为“How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS”的研究论文，是我国在该交叉领域较早发表于SSCI期刊的系统实证工作。该研究结合结构方程模型与功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）超扫描技术，在城市科学课堂中探究教师相关因素对学生高阶思维的影响机制。研究发现，良好的师生关系能够直接提升学生高阶思维，也可以通过教师指导和支架式教学的链式中介作用促进学生高阶思维发展，其背后的认知神经机制是支架式教学模式1下师生和生生背外侧前额叶皮层（DLPFC）脑间同步（INS）的增长。国外审稿人指出，该研究开创性地推进了科学教育学科的方法论，为理解科学教学互动背后的认知神经机制提供了重要范例。此项工作彰显了课题组在科学教育研究范式创新方面的前瞻视野与学术引领作用。
图1. 文章信息
注1：支架式教学模式是指教师根据学生的现有能力和学习目标，提供逐步递减的支持（“支架”），引导学生从依赖外部帮助到独立完成复杂任务、掌握核心技能的教学模式。该模式致力于填补学生独立完成任务能力与在他人支持下完成任务能力之间的差距。
研究背景
高阶思维是学生应对复杂现实问题、适应快速变化世界的关键能力，已成为科学教育的核心目标之一（Zohar & Dori, 2003）。当前科学教育改革强调培养学生如科学推理、论证、建模等高阶能力，而非仅掌握低阶知识（FitzPatrick & Schulz, 2015）。城市学校作为教育创新的前沿阵地，具有学生背景多样、资源集中、教学情境复杂等特点，学生高阶思维发展受到多重因素影响（Gadsden & Dixon-Román, 2017）。教师作为课堂教学的核心角色，其教学行为、师生关系与教学模式对学生认知发展具有深远影响（Hattie & Yates, 2013）。然而，以往研究多依赖问卷与行为数据，缺乏多模态证据支持，尤其是从脑科学视角揭示其内在机制的研究仍较为有限。本研究以城市初中物理课堂为真实情境，聚焦三类关键教师因素——师生关系、教师指导与支架式教学模式，尝试探索两个研究问题：
Q1: 师生关系，教师指导与支架式教学模式影响学生高阶思维的结构路径是什么？
Q2: 上述因素影响学生高阶思维的脑科学证据是什么？
研究方法
实验基于师生（一名教师和两名学生）三人教学小组展开，4名教师和124名学生被随机分配形成62个教学小组，采用基于近红外光学成像的多脑超扫描技术同步记录科学课堂情境中师生的神经信号，并通过问卷调查采集相关行为学数据（图2）。本研究采用的师生关系、教师指导及支架式教学评估量表，改编自Ling等科学思维背景问卷（Ling et al., 2024）。量表采用 11 点李克特计分法，从 0（完全不符合）到10（完全符合），得分越高表示相应水平越佳。
本研究采用具有高生态效度的便携式功能近红外光谱成像技术，实时采集师生在教学活动中的神经信号。近红外数据收集采用荷兰Artinis公司开发的Brite MKⅢ便携式多通道近红外脑成像系统，采样率为10 Hz。本研究对fNIRS光极进行自定义排布，组成三组7（左侧DLPFC，通道12、13、14、15、16、17、18）+ 7（右侧DLPFC，通道3、4、5、6、7、8、9）+ 4（右侧TPJ，通道1、2、10、11）的测量通道组合，共计18个通道，相邻光极间距离为3 cm。
本研究使用SPSS 27.0对行为学数据进行描述统计、相关分析、T检验和共同方法偏差检验，使用Mplus 8.3进行结构效度检验和中介效应分析。研究者基于以往研究（Zhang et al., 2023），利用Matlab的fNIRS处理软件包HOMER2对近红外数据进行预处理后，对任务期的 oxy-Hb 浓度信号进行 z-score 转换（以基线期的均值和标准差为参照，计算公式为：z = (任务期 oxy-Hb 浓度 - 基线期均值) / 基线期标准差），作为被试任务态阶段的脑激活值。采用小波变换相干（Wavelet Transform Coherence, WTC）法评估两个被试在相同通道上含氧血红蛋白时间序列信号间的耦合程度，将任务态相干值较静息态相干值的增加值作为脑间同步（Interpersonal Neural Synchronization, INS）指标。通过对每个频段所有通道的平均相干值差异进行T检验，选择相干值显著增加的频段作为本研究的感兴趣频段，并通过随机配对置换检验验证。根据选取的时间段与感兴趣频段，取两对师生（教师和学生1，教师和学生2）和一对生生（学生1和学生2）三个相干值增加的平均值作为三人教学小组任务态段的脑间同步.
研究结果
结构方程模型结果如图3所示，该模型拟合良好（χ2(6) = 10.328, RMSEA = 0.076, SRMR = 0.031, CFI = 0.978, TLI = 0.945）。结果（图3）显示师生关系和支架式教学模式均正向预测学生的高阶思维增长；教师指导负向预测高阶思维增长。
中介效应分析结果显示，教师指导（β = -0.328, 95%CI[-0.644, -0.140]）以及教师指导-教学模式的中介链（β = 0.088, 95%CI[0.016, 0.288]）在师生关系和学生高阶思维增长间存在中介作用。说明良好的师生关系，会通过两种不同的路径影响学生高阶思维的提升：一种是直接通过教师指导产生影响，但这种影响是负面的，意味着师生关系越融洽，若教师指导过于直接或频繁，反而会抑制学生高阶思维发展；另一种是通过 “教师指导→合适的教学模式（如支架式教学）” 的连贯过程发挥作用，这种路径能正向促进学生高阶思维提升。
研究引入fNIRS超扫描技术，同步记录教师与学生在真实课堂互动中的脑活动。结果发现，在支架式教学情境下，教师在课堂中的DLPFC脑激活值显著高于学生，且教师这种高水平的认知参与在提升学生高阶思维的过程中发挥了核心作用：支架式课程中教师的教学投入可以正向预测学生高阶思维增长（图4）。这个结果支持行为学路径中支架式教师指导正向预测高阶思维增长，也符合真实科学课堂中教师与学生的角色分工。
脑间同步分析以54个师生三人小组为对象。结果显示师生的脑间同步和生生的脑间同步之间没有显著差异，表明支架式教学模式下的师生互动和生生互动是平等的。支架式教学模式下教师与学生在背外侧前额叶皮层（DLPFC）和右侧颞顶联合区（rTPJ）表现出显著的人际神经同步（INS），师生脑活动的这种协同模式可能代表当学生与教师互动时，师生的大脑在执行相似的认知功能。此外，良好的师生关系和更多的支架式学习经历有助于促进师生三人小组在支架式科学课程中的高效互动，从而增强了小组成员DLPFC的脑间同步水平，而这种高水平的脑间同步又可以正向预测学生高阶思维的提升。
本研究同时关注教师的教学、学生的学习和师生互动过程，结合行为学数据与fNIRS数据，从结构方程模型和脑科学两个角度探讨了城市科学课堂中学生高阶思维的影响机制，证实了教师在科学教育中的重要性，为实证分析开辟了新的研究范式。本研究发现，师生关系作为情感支持的核心维度，不仅直接正向促进学生高阶思维发展，还能通过教师指导的中介作用及教师指导与支架式教学的链式中介作用产生间接影响。然而，过度的教师指导会对学生的高阶思维产生负面影响。支架式教学中师生背外侧前额叶皮层（DLPFC）的脑间同步构成高效师生互动的关键认知神经基础。高质量的师生互动促进了师生脑活动的认知模式协同，从而促进学生高阶思维的发展。
本研究为城市教育实践提出了相关建议。在城市教师培训方面，教师应提升自我情感素质，关注学生的个性化需求，通过积极的情感表达与学生建立民主平等、教学相长的师生关系，为高阶思维的培养奠定坚实的情感基础。教师应致力于构建一个既充满引导又鼓励自由探索的学习环境，平衡指导与自主学习的关系，以实现科学教育的最优化效果。在城市科学教学设计方面，教师应逐渐调整指导强度，从初期的密集指导逐步过渡到后期的辅助支持，使学生能在教师的逐步放手中独立思考，进而促进其高阶思维的发展。在城市学校的课堂教育实践中，教学小组内的深入互动是支架式教学模式下学生高阶思维提升的切入点。教师应积极与学生建立和谐的师生关系，提供恰当且准确的指导，灵活运用支架式教学，并营造互动的学习环境，以促进学生的高阶思维发展。值得注意的是，支架式教学模式并非完全摒弃教师指导，将全部学习内容完全交由学生完成，而是倡导教师从讲授者转变为引导者和帮助者，真正意义上践行“以学生为中心”的教育理念。
不足与展望
首先，由于实验规模的限制，本研究的样本量较小且地理位置较为集中。未来的研究可以考虑选取更多样化和更大规模的样本，以进一步验证研究结果的普遍性。此外，这是一项横断面研究，短期实验难以观测长期效果。未来的研究可以探索更有效的伪影校正和数据分析方法，以减少真实课堂环境的影响。
参考文献
[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,郭建军,胡新怡,等.功能性近红外光谱技术在国际师生互动领域的应用[J].山东师范大学学报(自然科学版),2024,39(04):377-384.
原文信息及链接
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
研究团队介绍
该研究由北京师范大学教育学部教育技术学院王晶莹教授课题组完成。论文第一作者和通讯作者为王晶莹教授，共同第一作者为北京师范大学教育学部24级博士生任婧涵，共同通讯作者为山东师范大学高守宝教授。王晶莹课题组长期关注技术支持下的科学教育、物理教育和教师教育，教育神经科学，科学思维测评与发展，课程与教材测评和生成式人工智能赋能科学教育的战略研究。近五年以第一/通讯作者在SSCI/CSSCI期刊发表论文60余篇，承担多项国家级和省部级教育类课题。
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。
相关产品
论文概要
北京师范大学教育学部王晶莹教授课题组创新性地将脑科学方法与科学教育实证研究相结合，在Education and Urban Society发表题为“How Teacher-Related Factors Affect Students’ Higher-Order Thinking in the Urban Science Classroom: Evidence Based on Structural Equation Modeling and fNIRS”的研究论文，是我国在该交叉领域较早发表于SSCI期刊的系统实证工作。该研究结合结构方程模型与功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）超扫描技术，在城市科学课堂中探究教师相关因素对学生高阶思维的影响机制。研究发现，良好的师生关系能够直接提升学生高阶思维，也可以通过教师指导和支架式教学的链式中介作用促进学生高阶思维发展，其背后的认知神经机制是支架式教学模式1下师生和生生背外侧前额叶皮层（DLPFC）脑间同步（INS）的增长。国外审稿人指出，该研究开创性地推进了科学教育学科的方法论，为理解科学教学互动背后的认知神经机制提供了重要范例。此项工作彰显了课题组在科学教育研究范式创新方面的前瞻视野与学术引领作用。
图1. 文章信息
注1：支架式教学模式是指教师根据学生的现有能力和学习目标，提供逐步递减的支持（“支架”），引导学生从依赖外部帮助到独立完成复杂任务、掌握核心技能的教学模式。该模式致力于填补学生独立完成任务能力与在他人支持下完成任务能力之间的差距。
研究背景
高阶思维是学生应对复杂现实问题、适应快速变化世界的关键能力，已成为科学教育的核心目标之一（Zohar & Dori, 2003）。当前科学教育改革强调培养学生如科学推理、论证、建模等高阶能力，而非仅掌握低阶知识（FitzPatrick & Schulz, 2015）。城市学校作为教育创新的前沿阵地，具有学生背景多样、资源集中、教学情境复杂等特点，学生高阶思维发展受到多重因素影响（Gadsden & Dixon-Román, 2017）。教师作为课堂教学的核心角色，其教学行为、师生关系与教学模式对学生认知发展具有深远影响（Hattie & Yates, 2013）。然而，以往研究多依赖问卷与行为数据，缺乏多模态证据支持，尤其是从脑科学视角揭示其内在机制的研究仍较为有限。本研究以城市初中物理课堂为真实情境，聚焦三类关键教师因素——师生关系、教师指导与支架式教学模式，尝试探索两个研究问题：
Q1: 师生关系，教师指导与支架式教学模式影响学生高阶思维的结构路径是什么？
Q2: 上述因素影响学生高阶思维的脑科学证据是什么？
研究方法
实验基于师生（一名教师和两名学生）三人教学小组展开，4名教师和124名学生被随机分配形成62个教学小组，采用基于近红外光学成像的多脑超扫描技术同步记录科学课堂情境中师生的神经信号，并通过问卷调查采集相关行为学数据（图2）。本研究采用的师生关系、教师指导及支架式教学评估量表，改编自Ling等科学思维背景问卷（Ling et al., 2024）。量表采用 11 点李克特计分法，从 0（完全不符合）到10（完全符合），得分越高表示相应水平越佳。
图2. （a）实验流程示意图；（b）实验场景图；（c）课程设计理论框架
本研究采用具有高生态效度的便携式功能近红外光谱成像技术，实时采集师生在教学活动中的神经信号。近红外数据收集采用荷兰Artinis公司开发的Brite MKⅢ便携式多通道近红外脑成像系统，采样率为10 Hz。本研究对fNIRS光极进行自定义排布，组成三组7（左侧DLPFC，通道12、13、14、15、16、17、18）+ 7（右侧DLPFC，通道3、4、5、6、7、8、9）+ 4（右侧TPJ，通道1、2、10、11）的测量通道组合，共计18个通道，相邻光极间距离为3 cm。
本研究使用SPSS 27.0对行为学数据进行描述统计、相关分析、T检验和共同方法偏差检验，使用Mplus 8.3进行结构效度检验和中介效应分析。研究者基于以往研究（Zhang et al., 2023），利用Matlab的fNIRS处理软件包HOMER2对近红外数据进行预处理后，对任务期的 oxy-Hb 浓度信号进行 z-score 转换（以基线期的均值和标准差为参照，计算公式为：z = (任务期 oxy-Hb 浓度 - 基线期均值) / 基线期标准差），作为被试任务态阶段的脑激活值。采用小波变换相干（Wavelet Transform Coherence, WTC）法评估两个被试在相同通道上含氧血红蛋白时间序列信号间的耦合程度，将任务态相干值较静息态相干值的增加值作为脑间同步（Interpersonal Neural Synchronization, INS）指标。通过对每个频段所有通道的平均相干值差异进行T检验，选择相干值显著增加的频段作为本研究的感兴趣频段，并通过随机配对置换检验验证。根据选取的时间段与感兴趣频段，取两对师生（教师和学生1，教师和学生2）和一对生生（学生1和学生2）三个相干值增加的平均值作为三人教学小组任务态段的脑间同步.
研究结果
结构方程模型结果如图3所示，该模型拟合良好（χ2(6) = 10.328, RMSEA = 0.076, SRMR = 0.031, CFI = 0.978, TLI = 0.945）。结果（图3）显示师生关系和支架式教学模式均正向预测学生的高阶思维增长；教师指导负向预测高阶思维增长。
中介效应分析结果显示，教师指导（β = -0.328, 95%CI[-0.644, -0.140]）以及教师指导-教学模式的中介链（β = 0.088, 95%CI[0.016, 0.288]）在师生关系和学生高阶思维增长间存在中介作用。说明良好的师生关系，会通过两种不同的路径影响学生高阶思维的提升：一种是直接通过教师指导产生影响，但这种影响是负面的，意味着师生关系越融洽，若教师指导过于直接或频繁，反而会抑制学生高阶思维发展；另一种是通过 “教师指导→合适的教学模式（如支架式教学）” 的连贯过程发挥作用，这种路径能正向促进学生高阶思维提升。
图3. 链式中介模型
研究引入fNIRS超扫描技术，同步记录教师与学生在真实课堂互动中的脑活动。结果发现，在支架式教学情境下，教师在课堂中的DLPFC脑激活值显著高于学生，且教师这种高水平的认知参与在提升学生高阶思维的过程中发挥了核心作用：支架式课程中教师的教学投入可以正向预测学生高阶思维增长（图4）。这个结果支持行为学路径中支架式教师指导正向预测高阶思维增长，也符合真实科学课堂中教师与学生的角色分工。
脑间同步分析以54个师生三人小组为对象。结果显示师生的脑间同步和生生的脑间同步之间没有显著差异，表明支架式教学模式下的师生互动和生生互动是平等的。支架式教学模式下教师与学生在背外侧前额叶皮层（DLPFC）和右侧颞顶联合区（rTPJ）表现出显著的人际神经同步（INS），师生脑活动的这种协同模式可能代表当学生与教师互动时，师生的大脑在执行相似的认知功能。此外，良好的师生关系和更多的支架式学习经历有助于促进师生三人小组在支架式科学课程中的高效互动，从而增强了小组成员DLPFC的脑间同步水平，而这种高水平的脑间同步又可以正向预测学生高阶思维的提升。
图4. 支架式教学模式下，被试的单脑激活值分析示意图。
（a）独立样本T检验的结果图；（b）右侧DLPFC通道7的师生脑激活差异；（c）学生高阶思维增长与教师DLPFC通道7脑激活的相关性
结论与启示（a）独立样本T检验的结果图；（b）右侧DLPFC通道7的师生脑激活差异；（c）学生高阶思维增长与教师DLPFC通道7脑激活的相关性
本研究同时关注教师的教学、学生的学习和师生互动过程，结合行为学数据与fNIRS数据，从结构方程模型和脑科学两个角度探讨了城市科学课堂中学生高阶思维的影响机制，证实了教师在科学教育中的重要性，为实证分析开辟了新的研究范式。本研究发现，师生关系作为情感支持的核心维度，不仅直接正向促进学生高阶思维发展，还能通过教师指导的中介作用及教师指导与支架式教学的链式中介作用产生间接影响。然而，过度的教师指导会对学生的高阶思维产生负面影响。支架式教学中师生背外侧前额叶皮层（DLPFC）的脑间同步构成高效师生互动的关键认知神经基础。高质量的师生互动促进了师生脑活动的认知模式协同，从而促进学生高阶思维的发展。
本研究为城市教育实践提出了相关建议。在城市教师培训方面，教师应提升自我情感素质，关注学生的个性化需求，通过积极的情感表达与学生建立民主平等、教学相长的师生关系，为高阶思维的培养奠定坚实的情感基础。教师应致力于构建一个既充满引导又鼓励自由探索的学习环境，平衡指导与自主学习的关系，以实现科学教育的最优化效果。在城市科学教学设计方面，教师应逐渐调整指导强度，从初期的密集指导逐步过渡到后期的辅助支持，使学生能在教师的逐步放手中独立思考，进而促进其高阶思维的发展。在城市学校的课堂教育实践中，教学小组内的深入互动是支架式教学模式下学生高阶思维提升的切入点。教师应积极与学生建立和谐的师生关系，提供恰当且准确的指导，灵活运用支架式教学，并营造互动的学习环境，以促进学生的高阶思维发展。值得注意的是，支架式教学模式并非完全摒弃教师指导，将全部学习内容完全交由学生完成，而是倡导教师从讲授者转变为引导者和帮助者，真正意义上践行“以学生为中心”的教育理念。
不足与展望
首先，由于实验规模的限制，本研究的样本量较小且地理位置较为集中。未来的研究可以考虑选取更多样化和更大规模的样本，以进一步验证研究结果的普遍性。此外，这是一项横断面研究，短期实验难以观测长期效果。未来的研究可以探索更有效的伪影校正和数据分析方法，以减少真实课堂环境的影响。
参考文献
[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,郭建军,胡新怡,等.功能性近红外光谱技术在国际师生互动领域的应用[J].山东师范大学学报(自然科学版),2024,39(04):377-384.
原文信息及链接
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
研究团队介绍
该研究由北京师范大学教育学部教育技术学院王晶莹教授课题组完成。论文第一作者和通讯作者为王晶莹教授，共同第一作者为北京师范大学教育学部24级博士生任婧涵，共同通讯作者为山东师范大学高守宝教授。王晶莹课题组长期关注技术支持下的科学教育、物理教育和教师教育，教育神经科学，科学思维测评与发展，课程与教材测评和生成式人工智能赋能科学教育的战略研究。近五年以第一/通讯作者在SSCI/CSSCI期刊发表论文60余篇，承担多项国家级和省部级教育类课题。
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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