認知負荷理論與醫學課程整合

梁 曉,陳芳源,喬宇琪,冉志華,邵 莉,沈 駿

(上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院,上海 200000)

在醫學教育課程體系的改革中,認知理論起到了重要的作用。而認知理論的發展為醫學課程的發展與改革提供了更多的新思路。自二十世紀以來,醫學教育始終圍繞著知識、技能和職業價值觀這三個核心內容展開。而現代醫學教育課程體系形成的最初動力源于醫學知識的教育,而其改革的焦點在于如何通過增加醫學基礎知識的傳授為醫師的臨床思維打下基礎,尤其是Flexner報告中,將此作為推動現代醫學教育課程體系形成的重要內容。然而知識傳授與提高臨床思維之間的關系也并非一成不變,尤其是當知識的傳授超過記憶的承受限度時,知識傳授并不能達到如期的效果,甚至有可能耗費更多的時間。這也是促成20世紀下半葉醫學教育課程體系大規模改革的一個重要原因。

一、記憶與醫學教育

記憶是學習的基礎,對于醫學院校的學生而言,醫學知識的記憶會伴隨整個學習過程。記憶通常被分為長時記憶(Long Term Memory,LTM)和短時記憶(Short Term Memory,STM),短時記憶作用時間短,容量相對較小,存在組塊(chunk)數量的限制,起到臨時記憶的作用。長時記憶具有記憶時間長,容量大的特點,長時記憶是知識的載體,作為一種靜態的存在,并不能對學習和思維起到作用。對學習和思維起作用的是動態的記憶,也被稱為工作記憶(Working Memory,WM),WM直接參與行為過程。以往有觀點認為,WM屬于STM,與LTM并無太大關系。隨著對記憶認識的發展,有越來越多的證據顯示,WM是通過STM而發揮作用的,但LTM在WM中也起到了關鍵的作用。現在有學者的觀點認為WM包含STM以及STM處理過程的相關機制,STM中的一部分內容是從LTM的信息中激活的,另一部分是從外界獲取的,而受到注意力集中的部分STM形成了WM[1],而信息在STM停留的頻率越高,時間越長就越容易形成LTM。

從WM與STM的關系來看,WM同樣受到組塊數量的限制,也被稱為工作記憶容量(Working Memory Capacity,WMC)限制[2],所以在醫學知識記憶中,增加STM中組塊的效能,對于改善學習與記憶的效果是大有好處的。如同記憶一串無序的數字,如果順序接近某個你熟悉的電話號碼,那記憶會變得容易得多。這個例子中,記憶中的組塊并沒有增加,但單個組塊的效能卻提高了。醫學知識的記憶也同樣如此,因此也對醫學教育提出了挑戰。其中牽涉到兩個方面的主要問題,一是如何通過改善醫學知識的傳授方法,提高知識的記憶效率;二是如何通過提高WM的效率,改善學生的思維活動。而在實際情況下,這兩個問題是同時存在,并形成一個相互影響的關系。

傳統醫學教育課程以學科為基礎進行教學,教學大綱偏重于對知識點的要求,課堂教學側重于知識傳授。這種教學方法知識量大,但是學生的WMC有限,并不可能在短時間內處理和儲存大量的外界新信息,這也對教學的效果產生了負面的影響,于是對醫學知識進行整合教學成為了一個探索的方向。

二、認知負荷與知識整合

以學科為基礎的模式在20世紀上半葉是醫學教育的主要模式,該模式的一個重點就是希望能通過增加醫學基礎學科的教育以提高醫師的臨床思維能力。盡管當時對于認知及記憶的探索尚處起步階段,但課程內容間缺少聯系對學生的思維的不利影響已經逐漸開始引起重視。一些關于課程整合的想法也在當時逐漸產生,并在之后不久的時間內付諸實踐。

按器官系統對課程進行整合是較早出現,也是影響較為廣泛的一種整合方法。然而仔細分析后不難發現,其實這類整合模式并沒有減少知識的容量,且知識內容仍具有相對的獨立性。盡管在后期學習中,教學內容常有交叉,但對于初學者而言,早期整合的效果通常是不明顯的。所以也有人將這種整合方法稱為“教師的整合”,對于學生而言,這種整合方法并未達到應有的效果[3]。

隨著認知理論的發展,Sweller等通過認知負荷(cognitive load)理論,為醫學課程中知識的整合提供一些新的理論依據。Sweller的理論將認知符合分為內在負荷(intrinsic load)、外在負荷(extraneous load)與關聯負荷(germane load)[4]。所謂的內在負荷是指所授問題內在的難度,由問題的屬性所決定,與教師的指導方法無關。外在負荷是指所授問題的指導過程中所產生的難度,與信息的傳授與指導方法有關。例如,簡單的四則運算與微積分的固有難度顯然是不同的,與指導的方法無關,其對認知所造成的內在負荷是不同的。再如,一個幾何圖形可以通過語言描述與圖示兩種方法來進行傳授,采用圖示的方法對于學習者而言理解更為容易,這就是問題的外在負荷,而外在負荷是可以通過傳授方法改變的。其后,Sweller等又提出了關聯負荷,關聯負荷是與認知過程、結構(shema)構建與內化相關的負荷,關聯負荷的提高有助于促進認知結構的構建。由于三種負荷的總和不能超過WMC,而內在負荷是固定的,所以一個可行的做法是通過減少外在負荷來增加關聯負荷。

在醫學教育課程改革中,通過降低外在負荷提高關聯負荷設計的課程有很多,但其使用也存在著一定的限制,而其主要限制來源于所傳授的知識結構本身。例如,解剖學知識以陳述性知識(declarative knowledge)為主,內在負荷并不高,而其所謂的難度更多的來自于巨大的信息量。對于這一類課程,即便通過課程改革來減少外在負荷,并不能減少傳遞的信息量,對課程的認知難度影響較小。另一類情況則主要存在于臨床課程,臨床教學中擬真教學(Simulation Based Learning,SBL)、案例教學(Case Based Learning,CBL)與傳統教學相比更具有優勢,在傳遞信息量相同的情況下,他們可以有效地降低授課過程的外在負荷,并增加關聯負荷,為知識整合提供了新的模式。

三、SBL、CBL 與 PBL

從歷史來看,SBL并不能被算作為真正的新事物,早在17世紀就已經出現了SBL的雛形,然而SBL真正的發展始于上世紀60年代,它的出現與課程整合的探索幾乎是同步的。SBL的初衷是為了減少真實患者在教學中的應用而設立的。隨著時代的發展,SBL又被賦予了許多新的內涵,McGaghie等為SBL總結了12個特點[5],其中高度擬真是SBL發展的基礎,也是其優于傳統教學法的重要原因。高度擬真使學習者置身于接近真實的環境進行學習,有效地降低語言描述所造成外在負荷,與圖示或錄像相比更為有效。有指導的教學是SBL的另一重要特點,環境擬真只是指導方法的變化,并非指導缺失,SBL不是探索性教學,指導依然是教學過程中的重要環節,指導的缺失將導致外在負荷的增加。SBL教學的可重復性給了它更大的應用空間,尤其在過程性知識(procedural knowledge)及臨床技能的教學上有其它教學方法無法比擬的優勢。反復訓練的過程通過增加教學過程中的關聯負荷,使教學達到更好的效果。而方法的可重復性也為教師對學生的反饋及評估變得更為便捷。

在理論課教學中,CBL也有著類似于SBL的作用。CBL與基于問題的教學(Problem-Based Learning,PBL)之間容易發生混淆,因為課程中都有問題與解決問題的過程,而其中的不同點在于PBL采用的是開放式提問(open inquiry)方式,而CBL則采取指導式提問(guided inquiry)。近年來,關于PBL爭議不斷,對于PBL的認識也并不統一,以下是兩派比較有代表性的觀點。Kirschner等PBL的反對者認為,PBL屬于最小化指導教學,在PBL的過程中,學生常常需要花更多的時間進行探索,且并不容易抓住重點。這一現象并不僅在醫學高等教育中存在,在其他的學科甚至于中等、初等教育中同樣存在[6]。而PBL的支持者則認為有許多研究支持PBL在教育中的應用,但不同意PBL屬于最小化指導教學,他們認為在PBL中,仍存在大量的材料對學生進行指導[7]。可見無論是支持者還是反對者,都認同一點,就是在教學過程中不能缺乏指導,同時都不認同教學中指導的缺失。看似與PBL接近的CBL,其實質與PBL并不相同。盡管多數PBL過程中均有一定程度的指導,但是PBL通過開放式問題進行探索,盡管有真實案例,單獨使用PBL的外在負荷依然很高,類似于給學生一張桌子,讓學生自行組裝一張桌子出來,在最后給學生一張組裝示意圖。而CBL的理念則完全不同,與PBL的探索相比CBL更像是一個范例(worked example)教學,其中包含的信息不僅僅是真實案例,更有教師解決案例的過程。這個過程好比給學生一張桌子,由教師將桌子拆解開,并按步驟指導學生重新組裝,必要時過程可重復。對于同樣的教學目標,CBL的效率顯然高于PBL,這一點也得到了相關研究的證實[8]。有學者認為PBL更符合人類的自然思維過程[9],然而作為一種職業教育,醫學教育中存在大量規范化診治流程及相對固定的思維模式,探索式教育是否有益于此是值得商榷的。PBL在醫學教育的現實價值是對指導式教育的補充,而非取代。如果將CBL比作指導學生做一張桌子的話,那么PBL就是讓學生在此基礎上模仿做一張椅子。事實上,在醫學教育中PBL的實踐訓練價值更多于探索價值。CBL可以有效地降低學習的外在負荷,而PBL則提高了學習的關聯負荷,兩者結合能相得益彰。

當今醫學課程改革中,基于認知理論的課程整合無疑是具有吸引力的,國內外曾相繼采用過多種不同的課程體系,效果及評價不一。新世紀以來,以某種教學方法為主導的課程體系正在逐漸減少,而多種教學方法綜合運用的課程體系已經越來越被醫學教學學者所接受,并且成為了課程改革的一個新的方向,認知理論對醫學課程改革也起到了越來越大的作用。

[1]Cowan N.What are the differences between long-term,short-term,and working memory?[J].Prog Brain Res,2008,169:323-38.

[2]Sweller J.Cognitive load theory,learning difficulty,and instructional design[J].Learning and Instruction,1994,4(4):295-312.

[3]Papa FJ,Harasym PH.Medical curriculum reform in North America,1765 to the present:a cognitive science perspective[J].Acad Med,1999,74(2):154-64.

[4]Van Merriё nboer JJ,Sweller J.Cognitive load theory in health professional education:design principles and strategies[J].Med Educ,2010,44(1):85-93.

[5]McGaghie WC,Issenberg SB,Petrusa ER,et al.A critical review of simulation-based medical education research:2003-2009[J].Med Educ,2010,44(1):50-63.

[6]Kirschner PA,Sweller J,Clark RE.Why minimal guidance during instruction does not work:An analysis of the failure of constructivist,discovery,problem-based,experiential,and inquiry-based teaching[J].Educational Psychologist,2006,41(2):75-86.

[7]Hmelo-Silver CE,Duncan RG,Chinn CA.Scaffolding and Achievement in Problem-Based and Inquiry Learning:A Response to Kirschner,Sweller,and Clark(2006)[J].Educational Psychologist,2007,42(2):99-107.

[8]Srinivasan M,Wilkes M,Stevenson F,et al.Comparing problem-based learning with case-based learning:effects of a major curricular shift at two institutions[J].Acad Med,2007,82(1):74-82.

[9]Eshach H,Bitterman H.From case-based reasoning to problem-based learning[J].Acad Med,2003,78(5):491-6.