基于認(rèn)知負(fù)荷理論的中醫(yī)骨傷虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用構(gòu)建

[摘要] 在中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生需在掌握中醫(yī)基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，將其熟練應(yīng)用于常見骨傷科疾病的診療。面對(duì)教育教學(xué)改革新形勢(shì)、新挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式已難以滿足人才培養(yǎng)的需求。本文以認(rèn)知負(fù)荷理論為指導(dǎo)，圍繞虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)設(shè)計(jì)中優(yōu)化內(nèi)在負(fù)荷、減少外在負(fù)荷、增強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷，幫助學(xué)生更高效地理解和應(yīng)用復(fù)雜理論知識(shí)和醫(yī)療技能。本文分析中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，探討虛擬仿真技術(shù)在中醫(yī)骨傷教學(xué)中的實(shí)踐思路和應(yīng)用策略，旨在推進(jìn)中醫(yī)骨傷科學(xué)的教學(xué)改革，提升相關(guān)教育教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)水平。

[關(guān)鍵詞] 中醫(yī)骨傷；認(rèn)知負(fù)荷；虛擬仿真；教學(xué)改革；教學(xué)應(yīng)用

[中圖分類號(hào)] G642.0" """"[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A """""[DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2025.18.018

中醫(yī)骨傷科學(xué)作為一門研究骨關(guān)節(jié)及其周圍筋肉損傷等相關(guān)疾病的臨床學(xué)科，具有直觀性、實(shí)踐性和操作性強(qiáng)的特點(diǎn)^[1]。教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)理論與臨床病癥相統(tǒng)一，深入理解人體組織結(jié)構(gòu)和病理變化的內(nèi)在聯(lián)系，并掌握復(fù)雜的臨床診療知識(shí)技能。探索將虛擬仿真技術(shù)引入中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)是教育教學(xué)現(xiàn)代化的必然選擇。如何在中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中引入虛擬仿真技術(shù)，合理調(diào)控把握知識(shí)、技術(shù)傳授的形式、載量和強(qiáng)度，防止技術(shù)使用不當(dāng)?shù)呢?fù)面影響，是一個(gè)必須穩(wěn)慎的教學(xué)課題。Sweller^[2]提出的認(rèn)知負(fù)荷理論（cognitive load theory，CLT）為指導(dǎo)虛擬仿真技術(shù)引入中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)提供有益的指導(dǎo)。本文創(chuàng)新性地將CLT與中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)深度融合，通過知識(shí)分層解構(gòu)、動(dòng)態(tài)交互優(yōu)化及虛實(shí)情境增強(qiáng)的三維設(shè)計(jì)，顯著提升復(fù)雜診療技能的掌握效率，為中醫(yī)藥數(shù)字化教學(xué)提供理論范式。

1" CLT內(nèi)涵與基本遵循

經(jīng)典CLT認(rèn)為學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源是有限的，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)避免不必要的認(rèn)知負(fù)荷，確保認(rèn)知資源集中于核心學(xué)習(xí)內(nèi)容。CLT將學(xué)習(xí)過程中的負(fù)荷分為內(nèi)在負(fù)荷、外在負(fù)荷和相關(guān)負(fù)荷3種類型，這3種負(fù)荷共同影響學(xué)習(xí)者的有限認(rèn)知資源分配^[3]。內(nèi)在負(fù)荷源自學(xué)習(xí)內(nèi)容固有的復(fù)雜程度，通常可根據(jù)學(xué)生知識(shí)水平將內(nèi)在負(fù)荷控制在易接受范圍內(nèi)；外在負(fù)荷與教學(xué)設(shè)計(jì)有關(guān)，低效的設(shè)計(jì)或冗余信息會(huì)擠占、浪費(fèi)認(rèn)知資源，通常通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、去除冗余信息，使學(xué)生專注于關(guān)鍵內(nèi)容；相關(guān)負(fù)荷指直接促進(jìn)學(xué)習(xí)的認(rèn)知資源投入，包括在教學(xué)中通過設(shè)計(jì)問題解決、交流討論等活動(dòng)載體。CLT主張合理平衡這3種負(fù)荷，使學(xué)習(xí)效果最大化。基于CLT中醫(yī)骨傷科學(xué)在教學(xué)中需立足學(xué)生的學(xué)習(xí)素能水平，深入把握中醫(yī)骨傷科學(xué)在理論與實(shí)踐上的教學(xué)特點(diǎn)，力求保障在教學(xué)設(shè)計(jì)中合理優(yōu)化認(rèn)知負(fù)荷。

2" 中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及加快革新的緊迫性

中醫(yī)骨傷科學(xué)教學(xué)長期面臨理論與實(shí)踐割裂的困境，傳統(tǒng)“口傳心授”模式因無法直觀呈現(xiàn)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)與臨床操作細(xì)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生難以建立對(duì)骨骼、肌肉及神經(jīng)系統(tǒng)的空間認(rèn)知，進(jìn)而在真實(shí)診療中暴露診斷思維局限與治療技術(shù)應(yīng)用不足的缺陷。這一困局更因教學(xué)資源短缺而加劇——受限于投入成本與硬件配套，院校普遍缺乏解剖實(shí)訓(xùn)設(shè)備及模擬患者系統(tǒng)，使骨折整復(fù)、手法正骨等高需求技能訓(xùn)練機(jī)會(huì)稀缺，而校社協(xié)作機(jī)制因組織難度與風(fēng)險(xiǎn)管控問題難以常態(tài)化補(bǔ)足資源缺口。盡管學(xué)界嘗試引入基于案例教學(xué)法、基于問題教學(xué)法等改良方法，但其本質(zhì)上仍囿于傳統(tǒng)教學(xué)框架，對(duì)操作技能提升效果有限^[4-6]。虛擬仿真技術(shù)為破解上述積弊提供新路徑，研究證實(shí)通過構(gòu)建三維動(dòng)態(tài)模型（如可透視解剖的“數(shù)字人”）及模擬臨床情境，學(xué)生可沉浸式演練復(fù)雜病例，顯著提升知識(shí)轉(zhuǎn)化效率。王燦等^[7]應(yīng)用虛擬技術(shù)強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病教學(xué)，實(shí)驗(yàn)組考核成績明顯優(yōu)于對(duì)照組；周毅等^[8]利用標(biāo)準(zhǔn)化病人模型有效填補(bǔ)實(shí)踐訓(xùn)練缺口。然而，當(dāng)前虛擬教學(xué)仍處于初級(jí)階段，高質(zhì)量病例庫缺失、手法操作模擬系統(tǒng)開發(fā)滯后及硬件技術(shù)壁壘，嚴(yán)重制約其在中醫(yī)骨傷系統(tǒng)性教學(xué)中的深度應(yīng)用。

3" 基于CLT的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬仿真技術(shù)作為一種集合先進(jìn)信息技術(shù)的系統(tǒng)，可模擬復(fù)雜的臨床情境，為中醫(yī)骨傷科學(xué)提供新型教學(xué)手段^[9-11]。在“智能+教育”模式的發(fā)展背景下，虛擬仿真有望在中醫(yī)骨傷科學(xué)中發(fā)揮更大作用^[12-15]。在深刻認(rèn)識(shí)虛擬仿真技術(shù)在骨傷科教學(xué)中應(yīng)用前景的同時(shí)，需秉持大膽創(chuàng)新、謹(jǐn)慎求證的原則對(duì)待新技術(shù)引入，切實(shí)以CLT指導(dǎo)教學(xué)變革，使教學(xué)新技術(shù)探索應(yīng)用過程質(zhì)效可控。

3.1" 分層設(shè)計(jì)合理管理內(nèi)在負(fù)荷

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于骨傷科學(xué)教學(xué)，首先需在課程設(shè)計(jì)及仿真模型構(gòu)建上分層管理內(nèi)在負(fù)荷，幫助學(xué)生逐步深化對(duì)這些核心知識(shí)的理解，使知識(shí)點(diǎn)體現(xiàn)由基礎(chǔ)到縱深、由單元到關(guān)聯(lián)、由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、由原因到結(jié)果的銜接。王文晶等^[16]將基于問題教學(xué)法與分層教學(xué)相結(jié)合并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，研究表明該教學(xué)模式不僅可顯著增強(qiáng)醫(yī)學(xué)生的操作技能，提高學(xué)習(xí)成績，還進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，取得良好的教學(xué)效果。以學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)關(guān)系為例，在課程分層設(shè)計(jì)的第一個(gè)層級(jí)中，聚焦于解剖結(jié)構(gòu)基本知識(shí)，通過虛擬仿真系統(tǒng)精確展示骨骼的形態(tài)特征、肌肉的起止點(diǎn)及其附著關(guān)系、關(guān)節(jié)的構(gòu)造和功能等關(guān)鍵內(nèi)容，再運(yùn)用三維模型交互操作，以可視化的學(xué)習(xí)方式使學(xué)生從整體上把握各個(gè)解剖單元布局和關(guān)聯(lián)性。在第二個(gè)層級(jí)中，知識(shí)重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物力學(xué)的原理，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)、理解人體關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的受力情況及骨骼與肌肉在維持姿勢(shì)、執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的協(xié)同作用。在第三個(gè)層級(jí)中，通過虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的致病原理，幫助學(xué)生觀察關(guān)節(jié)不穩(wěn)定性、肌肉失衡導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)障礙或組織損傷和骨折后的應(yīng)力分布，理解臨床情境下的病理變化和病情發(fā)展。在第四個(gè)層級(jí)中，以虛擬仿真技術(shù)演示不同關(guān)節(jié)損傷和疾病的康復(fù)治療原理，幫助學(xué)生掌握相關(guān)治療手法和技術(shù)。總之，該虛擬仿真系統(tǒng)課程的分層次教學(xué)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生逐步掌握、積累知識(shí)技能，有效避免認(rèn)知超載，保持學(xué)習(xí)的連貫性、有效性。

3.2" 動(dòng)態(tài)調(diào)整控制外在負(fù)荷

負(fù)荷通常源自非必要性的認(rèn)知干擾或人為障礙，唯有重視在教學(xué)中做好動(dòng)態(tài)調(diào)整和個(gè)性化設(shè)計(jì)，才能使學(xué)生集中精力掌握核心知識(shí)與技能。本模塊通過三階優(yōu)化體系實(shí)現(xiàn)外在負(fù)荷的精準(zhǔn)控制。第一，基于人機(jī)交互原理的系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，界面設(shè)計(jì)遵循費(fèi)茨定律，設(shè)計(jì)簡潔界面，擬采用動(dòng)態(tài)熱區(qū)檢測(cè)技術(shù)，確保關(guān)鍵解剖標(biāo)記的交互響應(yīng)延遲控制在200ms內(nèi)，減少操作冗余帶來的認(rèn)知干擾。第二，智能難度調(diào)控，圍繞骨傷科學(xué)知識(shí)體系構(gòu)建自適應(yīng)算法，通過Q學(xué)習(xí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架動(dòng)態(tài)評(píng)估學(xué)生表現(xiàn)，實(shí)時(shí)增降教學(xué)內(nèi)容難度，并在學(xué)生操作受阻時(shí)觸發(fā)分級(jí)提示。第三，個(gè)性化路徑設(shè)計(jì)，結(jié)合K均值聚類分析學(xué)生歷史數(shù)據(jù)（任務(wù)時(shí)長、錯(cuò)誤類型等），為不同層次學(xué)習(xí)者匹配差異化方案。基礎(chǔ)薄弱者強(qiáng)化分解訓(xùn)練，進(jìn)階者側(cè)重病理推演，專家型開放自主探究模塊。如針對(duì)骨筋膜室綜合征理解困難的學(xué)生，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)生成關(guān)聯(lián)性虛擬病例，直觀呈現(xiàn)骨折移位、血管壓迫與筋膜室內(nèi)壓升高的多級(jí)病理演變過程。

3.3" 情境交互以增強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷

在虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中探索情境交互，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)踐空間，調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感官，促使學(xué)生將理論知識(shí)和技能融成一體，有效提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷并深化學(xué)習(xí)效果。管俊杰等^[17]研究發(fā)現(xiàn)脊柱側(cè)凸住培教學(xué)中實(shí)施情景模擬聯(lián)合基于問題教學(xué)法可有效提高學(xué)生的理論知識(shí)水平及實(shí)踐操作能力。在系統(tǒng)中可設(shè)定角色扮演，由學(xué)生如玩3D游戲一樣操控虛擬人體和局部關(guān)節(jié)，如模擬肩關(guān)節(jié)外展或內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)，觀察肩肌肉和韌帶在不同活動(dòng)狀態(tài)下的表現(xiàn)，使學(xué)生能清晰看到哪些肌群在發(fā)力、哪些韌帶承受張力，理解這些結(jié)構(gòu)在正常與病理狀態(tài)下的功能和相互關(guān)系；也可在系統(tǒng)中設(shè)定案例演示，以肩袖損傷教學(xué)為例，通過模擬患者的運(yùn)動(dòng)受限、疼痛反應(yīng)及相關(guān)病理表現(xiàn)，使學(xué)生直觀地觀察和分析肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化；還可設(shè)置沉浸體驗(yàn)，系統(tǒng)提供的互動(dòng)場(chǎng)景要求學(xué)生以醫(yī)生視角在虛擬患者模型上標(biāo)注關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，如肩袖肌群、肩峰下滑囊、頸椎和腰椎等，評(píng)估損傷對(duì)這些結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而制定治療方案和策略，并在模擬環(huán)境中實(shí)施推拿、正骨等中醫(yī)治療方法。此外，在系統(tǒng)中還可設(shè)置一些骨傷科知識(shí)、病癥辨析、診療康復(fù)等競(jìng)賽挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，進(jìn)一步增強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷。通過虛擬仿真技術(shù)的情境化交互，促使學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，為學(xué)生走上臨床工作崗位奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4" 虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用效果評(píng)估

4.1" 數(shù)據(jù)反饋支撐教學(xué)策略優(yōu)化

在中醫(yī)骨傷科學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)分析模塊，可有效分析歷史數(shù)據(jù)為指導(dǎo)教學(xué)提供有價(jià)值的參考。其中，一方面可監(jiān)測(cè)學(xué)生群體的學(xué)習(xí)行為，如對(duì)特定學(xué)習(xí)任務(wù)中的學(xué)習(xí)路徑、操作順序、停留時(shí)長、重復(fù)操作和錯(cuò)誤操作次數(shù)的監(jiān)測(cè)，可幫助教師研判是否存在認(rèn)知負(fù)荷過高，進(jìn)而對(duì)教學(xué)內(nèi)容、任務(wù)設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整，包括有針對(duì)性地改進(jìn)難點(diǎn)部分的講解方法、增加示范操作等。另一方面，也可圍繞學(xué)生個(gè)體監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)、操作實(shí)踐情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)彌補(bǔ)短板弱項(xiàng)的個(gè)性化練習(xí)任務(wù)。總之，在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)收集、分析學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，可為教學(xué)優(yōu)化提供重要支持。

4.2" 多層次學(xué)習(xí)效果評(píng)估

在骨傷科學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，重視設(shè)定并運(yùn)用多層次學(xué)習(xí)效果評(píng)估十分重要，不僅可關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，還可關(guān)注操作技能發(fā)展和臨床決策能力培養(yǎng)。具體實(shí)施中，結(jié)合項(xiàng)目反應(yīng)理論設(shè)計(jì)基于三參數(shù)邏輯斯蒂模型的自適應(yīng)測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)評(píng)估學(xué)生能力參數(shù)與題目屬性（難度b、區(qū)分度a、猜測(cè)參數(shù)c）。如骨折辨證分型相關(guān)題目設(shè)置高區(qū)分度（a=1.2），而基礎(chǔ)解剖知識(shí)題目采用低區(qū)分度（a=0.6），系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生答題表現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整題目難度層級(jí)（如連續(xù)正確后推送bgt;1.5的高難度題目，錯(cuò)誤率gt;50%時(shí)降階至blt;0.5的基礎(chǔ)題目），并通過項(xiàng)目信息函數(shù)優(yōu)化測(cè)量精度，使能力估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤控制在0.3以下^[18-20]。此外，通過高保真行為分析記錄學(xué)生在虛擬操作中的多維數(shù)據(jù)^[21-22]。在操作效能方面量化關(guān)鍵步驟耗時(shí)及錯(cuò)誤頻次，并對(duì)流程完整性進(jìn)行5級(jí)評(píng)分（關(guān)節(jié)脫位手法復(fù)位步驟缺失gt;40%則判定不合格）；評(píng)判手法精確度上通過力反饋設(shè)備監(jiān)測(cè)按壓力度偏差[正骨手法目標(biāo)值（10±2）N，偏差gt;15%標(biāo)記為異常數(shù)據(jù)]；臨床決策合理性采用專家共識(shí)評(píng)分，如開放性骨折處理中抗生素使用時(shí)機(jī)錯(cuò)誤扣3分，清創(chuàng)順序錯(cuò)誤扣2分。上述指標(biāo)通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成可視化報(bào)告，教師可精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)生的薄弱點(diǎn)，從而針對(duì)性地指導(dǎo)其強(qiáng)化特定知識(shí)技能，實(shí)現(xiàn)“評(píng)估–反饋–提升”的閉環(huán)教學(xué)。

5" 討論

本研究依據(jù)CLT探討虛擬仿真技術(shù)在中醫(yī)骨傷教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和原則思路，提出優(yōu)化認(rèn)知負(fù)荷管理的具體方法策略，并指出合理管理內(nèi)在負(fù)荷、動(dòng)態(tài)控制外在負(fù)荷及通過情境交互增強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷是提升虛擬仿真教學(xué)效果的關(guān)鍵。當(dāng)今時(shí)代的虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供接近真實(shí)的臨床學(xué)習(xí)環(huán)境，有效解決傳統(tǒng)教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，為中醫(yī)骨傷科教學(xué)注入“新質(zhì)生產(chǎn)力”^[23]。然而，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)骨傷科教學(xué)也面臨諸多挑戰(zhàn)，包括高質(zhì)量虛擬病例庫的建設(shè)需大量前期資源投入，模擬手法操作系統(tǒng)的完善依賴技術(shù)持續(xù)更新，特別是教學(xué)系統(tǒng)和病理庫建設(shè)及交互功能實(shí)現(xiàn)對(duì)中醫(yī)骨傷科專業(yè)知識(shí)與信息技術(shù)的銜接要求較高，而從事教學(xué)、使用系統(tǒng)的教師與技術(shù)開發(fā)者之間存在合作屏障（技術(shù)開發(fā)者難以準(zhǔn)確把握和實(shí)現(xiàn)專業(yè)教師的功能需求），依靠目前中醫(yī)院校的資源力量推進(jìn)系統(tǒng)的建立完善較為困難。此外，系統(tǒng)硬件設(shè)備要求較高，可能限制部分教學(xué)機(jī)構(gòu)的普及應(yīng)用。總之，虛擬仿真技術(shù)在推動(dòng)中醫(yī)骨傷教學(xué)改革方面具有巨大潛力，是信息化時(shí)代的必然選擇，通過克服資源、技術(shù)和成本等障礙，不斷探索更經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，持續(xù)推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)的深度應(yīng)用，一定能推動(dòng)中醫(yī)骨傷科教學(xué)向更高水平發(fā)展。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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