基于認知負荷理論的中醫骨傷虛擬仿真教學應用構建

[摘要] 在中醫骨傷科學教學中，學生需在掌握中醫基礎理論的基礎上，將其熟練應用于常見骨傷科疾病的診療。面對教育教學改革新形勢、新挑戰，傳統教學模式已難以滿足人才培養的需求。本文以認知負荷理論為指導，圍繞虛擬仿真技術在教學設計中優化內在負荷、減少外在負荷、增強相關負荷，幫助學生更高效地理解和應用復雜理論知識和醫療技能。本文分析中醫骨傷科學教學現狀及存在的問題，探討虛擬仿真技術在中醫骨傷教學中的實踐思路和應用策略，旨在推進中醫骨傷科學的教學改革，提升相關教育教學平臺的建設水平。

[關鍵詞] 中醫骨傷；認知負荷；虛擬仿真；教學改革；教學應用

[中圖分類號] G642.0" """"[文獻標識碼] A """""[DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2025.18.018

中醫骨傷科學作為一門研究骨關節及其周圍筋肉損傷等相關疾病的臨床學科，具有直觀性、實踐性和操作性強的特點^[1]。教學的重點和難點在于引導學生將基礎理論與臨床病癥相統一，深入理解人體組織結構和病理變化的內在聯系，并掌握復雜的臨床診療知識技能。探索將虛擬仿真技術引入中醫骨傷科學教學是教育教學現代化的必然選擇。如何在中醫骨傷科學教學設計中引入虛擬仿真技術，合理調控把握知識、技術傳授的形式、載量和強度，防止技術使用不當的負面影響，是一個必須穩慎的教學課題。Sweller^[2]提出的認知負荷理論（cognitive load theory，CLT）為指導虛擬仿真技術引入中醫骨傷科學教學提供有益的指導。本文創新性地將CLT與中醫骨傷科學教學深度融合，通過知識分層解構、動態交互優化及虛實情境增強的三維設計，顯著提升復雜診療技能的掌握效率，為中醫藥數字化教學提供理論范式。

1" CLT內涵與基本遵循

經典CLT認為學習者的認知資源是有限的，教學設計應避免不必要的認知負荷，確保認知資源集中于核心學習內容。CLT將學習過程中的負荷分為內在負荷、外在負荷和相關負荷3種類型，這3種負荷共同影響學習者的有限認知資源分配^[3]。內在負荷源自學習內容固有的復雜程度，通?？筛鶕W生知識水平將內在負荷控制在易接受范圍內；外在負荷與教學設計有關，低效的設計或冗余信息會擠占、浪費認知資源，通常通過優化教學設計、去除冗余信息，使學生專注于關鍵內容；相關負荷指直接促進學習的認知資源投入，包括在教學中通過設計問題解決、交流討論等活動載體。CLT主張合理平衡這3種負荷，使學習效果最大化。基于CLT中醫骨傷科學在教學中需立足學生的學習素能水平，深入把握中醫骨傷科學在理論與實踐上的教學特點，力求保障在教學設計中合理優化認知負荷。

2" 中醫骨傷科學教學現狀及加快革新的緊迫性

中醫骨傷科學教學長期面臨理論與實踐割裂的困境，傳統“口傳心授”模式因無法直觀呈現復雜的解剖結構與臨床操作細節，導致學生難以建立對骨骼、肌肉及神經系統的空間認知，進而在真實診療中暴露診斷思維局限與治療技術應用不足的缺陷。這一困局更因教學資源短缺而加劇——受限于投入成本與硬件配套，院校普遍缺乏解剖實訓設備及模擬患者系統，使骨折整復、手法正骨等高需求技能訓練機會稀缺，而校社協作機制因組織難度與風險管控問題難以常態化補足資源缺口。盡管學界嘗試引入基于案例教學法、基于問題教學法等改良方法，但其本質上仍囿于傳統教學框架，對操作技能提升效果有限^[4-6]。虛擬仿真技術為破解上述積弊提供新路徑，研究證實通過構建三維動態模型（如可透視解剖的“數字人”）及模擬臨床情境，學生可沉浸式演練復雜病例，顯著提升知識轉化效率。王燦等^[7]應用虛擬技術強化運動系統疾病教學，實驗組考核成績明顯優于對照組；周毅等^[8]利用標準化病人模型有效填補實踐訓練缺口。然而，當前虛擬教學仍處于初級階段，高質量病例庫缺失、手法操作模擬系統開發滯后及硬件技術壁壘，嚴重制約其在中醫骨傷系統性教學中的深度應用。

3" 基于CLT的虛擬仿真教學系統設計

虛擬仿真技術作為一種集合先進信息技術的系統，可模擬復雜的臨床情境，為中醫骨傷科學提供新型教學手段^[9-11]。在“智能+教育”模式的發展背景下，虛擬仿真有望在中醫骨傷科學中發揮更大作用^[12-15]。在深刻認識虛擬仿真技術在骨傷科教學中應用前景的同時，需秉持大膽創新、謹慎求證的原則對待新技術引入，切實以CLT指導教學變革，使教學新技術探索應用過程質效可控。

3.1" 分層設計合理管理內在負荷

將虛擬仿真技術應用于骨傷科學教學，首先需在課程設計及仿真模型構建上分層管理內在負荷，幫助學生逐步深化對這些核心知識的理解，使知識點體現由基礎到縱深、由單元到關聯、由靜態到動態、由原因到結果的銜接。王文晶等^[16]將基于問題教學法與分層教學相結合并應用于教學實踐中，研究表明該教學模式不僅可顯著增強醫學生的操作技能，提高學習成績，還進一步提升教學質量，取得良好的教學效果。以學習解剖結構和生物力學關系為例，在課程分層設計的第一個層級中，聚焦于解剖結構基本知識，通過虛擬仿真系統精確展示骨骼的形態特征、肌肉的起止點及其附著關系、關節的構造和功能等關鍵內容，再運用三維模型交互操作，以可視化的學習方式使學生從整體上把握各個解剖單元布局和關聯性。在第二個層級中，知識重點是引導學生學習生物力學的原理，讓學生在虛擬環境中學習、理解人體關節在不同運動模式下的受力情況及骨骼與肌肉在維持姿勢、執行動作時的協同作用。在第三個層級中，通過虛擬仿真技術展現人體關節的致病原理，幫助學生觀察關節不穩定性、肌肉失衡導致的運動障礙或組織損傷和骨折后的應力分布，理解臨床情境下的病理變化和病情發展。在第四個層級中，以虛擬仿真技術演示不同關節損傷和疾病的康復治療原理，幫助學生掌握相關治療手法和技術。總之，該虛擬仿真系統課程的分層次教學設計目的是讓學生逐步掌握、積累知識技能，有效避免認知超載，保持學習的連貫性、有效性。

3.2" 動態調整控制外在負荷

負荷通常源自非必要性的認知干擾或人為障礙，唯有重視在教學中做好動態調整和個性化設計，才能使學生集中精力掌握核心知識與技能。本模塊通過三階優化體系實現外在負荷的精準控制。第一，基于人機交互原理的系統架構優化，界面設計遵循費茨定律，設計簡潔界面，擬采用動態熱區檢測技術，確保關鍵解剖標記的交互響應延遲控制在200ms內，減少操作冗余帶來的認知干擾。第二，智能難度調控，圍繞骨傷科學知識體系構建自適應算法，通過Q學習強化學習框架動態評估學生表現，實時增降教學內容難度，并在學生操作受阻時觸發分級提示。第三，個性化路徑設計，結合K均值聚類分析學生歷史數據（任務時長、錯誤類型等），為不同層次學習者匹配差異化方案?；A薄弱者強化分解訓練，進階者側重病理推演，專家型開放自主探究模塊。如針對骨筋膜室綜合征理解困難的學生，系統可動態生成關聯性虛擬病例，直觀呈現骨折移位、血管壓迫與筋膜室內壓升高的多級病理演變過程。

3.3" 情境交互以增強相關負荷

在虛擬仿真系統教學設計中探索情境交互，為學生創設實踐空間，調動學生多種感官，促使學生將理論知識和技能融成一體，有效提升相關認知負荷并深化學習效果。管俊杰等^[17]研究發現脊柱側凸住培教學中實施情景模擬聯合基于問題教學法可有效提高學生的理論知識水平及實踐操作能力。在系統中可設定角色扮演，由學生如玩3D游戲一樣操控虛擬人體和局部關節，如模擬肩關節外展或內旋運動，觀察肩肌肉和韌帶在不同活動狀態下的表現，使學生能清晰看到哪些肌群在發力、哪些韌帶承受張力，理解這些結構在正常與病理狀態下的功能和相互關系；也可在系統中設定案例演示，以肩袖損傷教學為例，通過模擬患者的運動受限、疼痛反應及相關病理表現，使學生直觀地觀察和分析肩關節的生物力學變化；還可設置沉浸體驗，系統提供的互動場景要求學生以醫生視角在虛擬患者模型上標注關鍵解剖結構，如肩袖肌群、肩峰下滑囊、頸椎和腰椎等，評估損傷對這些結構的影響，進而制定治療方案和策略，并在模擬環境中實施推拿、正骨等中醫治療方法。此外，在系統中還可設置一些骨傷科知識、病癥辨析、診療康復等競賽挑戰環節，激發學生的學習激情，進一步增強相關負荷。通過虛擬仿真技術的情境化交互，促使學生將理論知識轉化為實踐技能，為學生走上臨床工作崗位奠定堅實的基礎。

4" 虛擬仿真教學應用效果評估

4.1" 數據反饋支撐教學策略優化

在中醫骨傷科學虛擬仿真教學系統中建立數據分析模塊，可有效分析歷史數據為指導教學提供有價值的參考。其中，一方面可監測學生群體的學習行為，如對特定學習任務中的學習路徑、操作順序、停留時長、重復操作和錯誤操作次數的監測，可幫助教師研判是否存在認知負荷過高，進而對教學內容、任務設計進行針對性的優化調整，包括有針對性地改進難點部分的講解方法、增加示范操作等。另一方面，也可圍繞學生個體監測學習、操作實踐情況，進而設計彌補短板弱項的個性化練習任務?？傊?，在虛擬仿真教學系統中實時收集、分析學生的行為數據，可為教學優化提供重要支持。

4.2" 多層次學習效果評估

在骨傷科學虛擬仿真教學系統中，重視設定并運用多層次學習效果評估十分重要，不僅可關注學生對知識的掌握情況，還可關注操作技能發展和臨床決策能力培養。具體實施中，結合項目反應理論設計基于三參數邏輯斯蒂模型的自適應測驗系統，動態評估學生能力參數與題目屬性（難度b、區分度a、猜測參數c）。如骨折辨證分型相關題目設置高區分度（a=1.2），而基礎解剖知識題目采用低區分度（a=0.6），系統根據學生答題表現動態調整題目難度層級（如連續正確后推送bgt;1.5的高難度題目，錯誤率gt;50%時降階至blt;0.5的基礎題目），并通過項目信息函數優化測量精度，使能力估計標準誤控制在0.3以下^[18-20]。此外，通過高保真行為分析記錄學生在虛擬操作中的多維數據^[21-22]。在操作效能方面量化關鍵步驟耗時及錯誤頻次，并對流程完整性進行5級評分（關節脫位手法復位步驟缺失gt;40%則判定不合格）；評判手法精確度上通過力反饋設備監測按壓力度偏差[正骨手法目標值（10±2）N，偏差gt;15%標記為異常數據]；臨床決策合理性采用專家共識評分，如開放性骨折處理中抗生素使用時機錯誤扣3分，清創順序錯誤扣2分。上述指標通過系統實時生成可視化報告，教師可精準識別學生的薄弱點，從而針對性地指導其強化特定知識技能，實現“評估–反饋–提升”的閉環教學。

5" 討論

本研究依據CLT探討虛擬仿真技術在中醫骨傷教學中的應用優勢和原則思路，提出優化認知負荷管理的具體方法策略，并指出合理管理內在負荷、動態控制外在負荷及通過情境交互增強相關負荷是提升虛擬仿真教學效果的關鍵。當今時代的虛擬仿真技術為學生提供接近真實的臨床學習環境，有效解決傳統教學中理論與實踐脫節的問題，為中醫骨傷科教學注入“新質生產力”^[23]。然而，虛擬仿真技術應用于中醫骨傷科教學也面臨諸多挑戰，包括高質量虛擬病例庫的建設需大量前期資源投入，模擬手法操作系統的完善依賴技術持續更新，特別是教學系統和病理庫建設及交互功能實現對中醫骨傷科專業知識與信息技術的銜接要求較高，而從事教學、使用系統的教師與技術開發者之間存在合作屏障（技術開發者難以準確把握和實現專業教師的功能需求），依靠目前中醫院校的資源力量推進系統的建立完善較為困難。此外，系統硬件設備要求較高，可能限制部分教學機構的普及應用。總之，虛擬仿真技術在推動中醫骨傷教學改革方面具有巨大潛力，是信息化時代的必然選擇，通過克服資源、技術和成本等障礙，不斷探索更經濟高效的解決方案，持續推進虛擬仿真教學的深度應用，一定能推動中醫骨傷科教學向更高水平發展。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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