大学物理教学中主动学习与讲座式学习引发的脑共激活状态动态重构研究

本研究通过功能磁共振成像(fMRI)技术，探究了大学物理教育中主动学习与讲座式学习对神经生物学机制的差异化影响。研究人员采用共激活模式(CAP)分析方法，追踪了121名本科生在15周物理课程学习前后大脑状态的时间动态变化。结果显示主动学习组显著增强了躯体运动网络(SMN)的激活，支持具身认知理论；而讲座式学习组则更多激活视觉空间网络，符合观察学习模式。该研究首次揭示了不同教学方法会导致大脑网络动态重构的神经证据，为优化STEM教育策略提供了重要依据。

　　

在高等教育领域，如何优化STEM学科的教学方法一直是教育神经科学关注的焦点。传统讲座式教学长期占据主导地位，但越来越多的证据表明主动学习能带来更好的教学效果。然而，这两种教学方法究竟如何塑造学生大脑的神经表征，此前缺乏系统的神经生物学证据。这项发表在《npj Science of Learning》的研究，首次通过先进的神经影像技术揭示了不同物理教学方法对大脑网络动态重构的差异化影响。

佛罗里达国际大学(Florida International University)的研究团队设计了一项纵向研究，招募121名学习大学物理课程的本科生，分别接受主动学习（建模教学法）或传统讲座式教学。研究采用功能磁共振成像(fMRI)技术，在学期前后分别采集学生在完成物理概念推理任务(FCI)、物理知识检索任务(PK)以及静息状态下的脑活动数据。通过共激活模式(CAP)分析这一动态功能连接方法，研究人员成功捕捉到大脑状态随时间变化的动态特征。

研究主要采用三种关键技术：1)多模态fMRI扫描，包括任务态和静息态；2)基于HCPex脑图谱的426节点分区方案；3)创新的CAP分析方法，计算时间分数、持续时间和启动次数三个动态指标。特别值得注意的是，研究采用了严格的运动伪影控制策略，排除高头动数据，确保结果可靠性。

【空间共激活模式拓扑结构】

通过k-means聚类识别出7种CAP状态，其中CAP-1显示躯体运动网络(SMN)和扣带-岛盖网络(CON)的显著激活，CAP-2则主要涉及默认模式网络(DMN)和前额顶叶网络(FPN)。这些模式在不同认知背景下表现出动态变化特征。

【时间主效应】

学期学习后，所有学生在FCI任务中CAP-6（视觉空间网络相关）的时间分数显著增加，PK任务中CAP-5（SMN和DMN相关）的启动次数和时间分数均增加。静息态分析显示CAP-7（SMN和CON相关）的指标全面上升，而CAP-4（DMN和FPN相关）指标下降，反映学习导致的固有网络重构。

【教学方法主效应】

主动学习组在FCI任务中表现出CAP-4（涉及前扣带回ACC）持续时间的显著增加，表明更强的认知控制和概念整合能力。相比之下，讲座式学习组在PK任务中CAP-7启动次数更多，显示对语言处理的依赖。

【时间与教学的交互效应】

最引人注目的发现是静息态下，主动学习组CAP-1（SMN主导）的持续时间显著增加，而讲座式学习组CAP-6（视觉网络相关）的时间分数和启动次数增加。这证实了不同教学方法会优先调控不同的神经模式。

这项研究通过严谨的实验设计首次证明：物理学习会引起大脑网络的动态重构，且主动学习和讲座式学习会引导不同的神经重塑路径。主动学习通过增强SMN的持续性激活，支持了具身认知理论——物理概念的掌握依赖于感觉运动经验的模拟。而讲座式学习则更多依赖视觉观察策略，表现为视觉空间网络的强化激活。这些发现不仅为教育神经科学提供了重要证据，也为优化STEM教学方法提供了神经生物学依据。特别值得注意的是，即使在静息状态下也观察到教学方法的特异性影响，表明长期学习会重塑大脑的固有功能架构。该研究开辟了"教学方法-脑重塑-学习效果"研究的新范式，对未来教育实践具有重要指导意义。