认知负荷理论与医学课程整合

梁 晓,陈芳源,乔宇琪,冉志华,邵 莉,沈 骏

(上海交通大学医学院附属仁济医院,上海 200000)

在医学教育课程体系的改革中,认知理论起到了重要的作用。而认知理论的发展为医学课程的发展与改革提供了更多的新思路。自二十世纪以来,医学教育始终围绕着知识、技能和职业价值观这三个核心内容展开。而现代医学教育课程体系形成的最初动力源于医学知识的教育,而其改革的焦点在于如何通过增加医学基础知识的传授为医师的临床思维打下基础,尤其是Flexner报告中,将此作为推动现代医学教育课程体系形成的重要内容。然而知识传授与提高临床思维之间的关系也并非一成不变,尤其是当知识的传授超过记忆的承受限度时,知识传授并不能达到如期的效果,甚至有可能耗费更多的时间。这也是促成20世纪下半叶医学教育课程体系大规模改革的一个重要原因。

一、记忆与医学教育

记忆是学习的基础,对于医学院校的学生而言,医学知识的记忆会伴随整个学习过程。记忆通常被分为长时记忆(Long Term Memory,LTM)和短时记忆(Short Term Memory,STM),短时记忆作用时间短,容量相对较小,存在组块(chunk)数量的限制,起到临时记忆的作用。长时记忆具有记忆时间长,容量大的特点,长时记忆是知识的载体,作为一种静态的存在,并不能对学习和思维起到作用。对学习和思维起作用的是动态的记忆,也被称为工作记忆(Working Memory,WM),WM直接参与行为过程。以往有观点认为,WM属于STM,与LTM并无太大关系。随着对记忆认识的发展,有越来越多的证据显示,WM是通过STM而发挥作用的,但LTM在WM中也起到了关键的作用。现在有学者的观点认为WM包含STM以及STM处理过程的相关机制,STM中的一部分内容是从LTM的信息中激活的,另一部分是从外界获取的,而受到注意力集中的部分STM形成了WM[1],而信息在STM停留的频率越高,时间越长就越容易形成LTM。

从WM与STM的关系来看,WM同样受到组块数量的限制,也被称为工作记忆容量(Working Memory Capacity,WMC)限制[2],所以在医学知识记忆中,增加STM中组块的效能,对于改善学习与记忆的效果是大有好处的。如同记忆一串无序的数字,如果顺序接近某个你熟悉的电话号码,那记忆会变得容易得多。这个例子中,记忆中的组块并没有增加,但单个组块的效能却提高了。医学知识的记忆也同样如此,因此也对医学教育提出了挑战。其中牵涉到两个方面的主要问题,一是如何通过改善医学知识的传授方法,提高知识的记忆效率;二是如何通过提高WM的效率,改善学生的思维活动。而在实际情况下,这两个问题是同时存在,并形成一个相互影响的关系。

传统医学教育课程以学科为基础进行教学,教学大纲偏重于对知识点的要求,课堂教学侧重于知识传授。这种教学方法知识量大,但是学生的WMC有限,并不可能在短时间内处理和储存大量的外界新信息,这也对教学的效果产生了负面的影响,于是对医学知识进行整合教学成为了一个探索的方向。

二、认知负荷与知识整合

以学科为基础的模式在20世纪上半叶是医学教育的主要模式,该模式的一个重点就是希望能通过增加医学基础学科的教育以提高医师的临床思维能力。尽管当时对于认知及记忆的探索尚处起步阶段,但课程内容间缺少联系对学生的思维的不利影响已经逐渐开始引起重视。一些关于课程整合的想法也在当时逐渐产生,并在之后不久的时间内付诸实践。

按器官系统对课程进行整合是较早出现,也是影响较为广泛的一种整合方法。然而仔细分析后不难发现,其实这类整合模式并没有减少知识的容量,且知识内容仍具有相对的独立性。尽管在后期学习中,教学内容常有交叉,但对于初学者而言,早期整合的效果通常是不明显的。所以也有人将这种整合方法称为“教师的整合”,对于学生而言,这种整合方法并未达到应有的效果[3]。

随着认知理论的发展,Sweller等通过认知负荷(cognitive load)理论,为医学课程中知识的整合提供一些新的理论依据。Sweller的理论将认知符合分为内在负荷(intrinsic load)、外在负荷(extraneous load)与关联负荷(germane load)[4]。所谓的内在负荷是指所授问题内在的难度,由问题的属性所决定,与教师的指导方法无关。外在负荷是指所授问题的指导过程中所产生的难度,与信息的传授与指导方法有关。例如,简单的四则运算与微积分的固有难度显然是不同的,与指导的方法无关,其对认知所造成的内在负荷是不同的。再如,一个几何图形可以通过语言描述与图示两种方法来进行传授,采用图示的方法对于学习者而言理解更为容易,这就是问题的外在负荷,而外在负荷是可以通过传授方法改变的。其后,Sweller等又提出了关联负荷,关联负荷是与认知过程、结构(shema)构建与内化相关的负荷,关联负荷的提高有助于促进认知结构的构建。由于三种负荷的总和不能超过WMC,而内在负荷是固定的,所以一个可行的做法是通过减少外在负荷来增加关联负荷。

在医学教育课程改革中,通过降低外在负荷提高关联负荷设计的课程有很多,但其使用也存在着一定的限制,而其主要限制来源于所传授的知识结构本身。例如,解剖学知识以陈述性知识(declarative knowledge)为主,内在负荷并不高,而其所谓的难度更多的来自于巨大的信息量。对于这一类课程,即便通过课程改革来减少外在负荷,并不能减少传递的信息量,对课程的认知难度影响较小。另一类情况则主要存在于临床课程,临床教学中拟真教学(Simulation Based Learning,SBL)、案例教学(Case Based Learning,CBL)与传统教学相比更具有优势,在传递信息量相同的情况下,他们可以有效地降低授课过程的外在负荷,并增加关联负荷,为知识整合提供了新的模式。

三、SBL、CBL 与 PBL

从历史来看,SBL并不能被算作为真正的新事物,早在17世纪就已经出现了SBL的雏形,然而SBL真正的发展始于上世纪60年代,它的出现与课程整合的探索几乎是同步的。SBL的初衷是为了减少真实患者在教学中的应用而设立的。随着时代的发展,SBL又被赋予了许多新的内涵,McGaghie等为SBL总结了12个特点[5],其中高度拟真是SBL发展的基础,也是其优于传统教学法的重要原因。高度拟真使学习者置身于接近真实的环境进行学习,有效地降低语言描述所造成外在负荷,与图示或录像相比更为有效。有指导的教学是SBL的另一重要特点,环境拟真只是指导方法的变化,并非指导缺失,SBL不是探索性教学,指导依然是教学过程中的重要环节,指导的缺失将导致外在负荷的增加。SBL教学的可重复性给了它更大的应用空间,尤其在过程性知识(procedural knowledge)及临床技能的教学上有其它教学方法无法比拟的优势。反复训练的过程通过增加教学过程中的关联负荷,使教学达到更好的效果。而方法的可重复性也为教师对学生的反馈及评估变得更为便捷。

在理论课教学中,CBL也有着类似于SBL的作用。CBL与基于问题的教学(Problem-Based Learning,PBL)之间容易发生混淆,因为课程中都有问题与解决问题的过程,而其中的不同点在于PBL采用的是开放式提问(open inquiry)方式,而CBL则采取指导式提问(guided inquiry)。近年来,关于PBL争议不断,对于PBL的认识也并不统一,以下是两派比较有代表性的观点。Kirschner等PBL的反对者认为,PBL属于最小化指导教学,在PBL的过程中,学生常常需要花更多的时间进行探索,且并不容易抓住重点。这一现象并不仅在医学高等教育中存在,在其他的学科甚至于中等、初等教育中同样存在[6]。而PBL的支持者则认为有许多研究支持PBL在教育中的应用,但不同意PBL属于最小化指导教学,他们认为在PBL中,仍存在大量的材料对学生进行指导[7]。可见无论是支持者还是反对者,都认同一点,就是在教学过程中不能缺乏指导,同时都不认同教学中指导的缺失。看似与PBL接近的CBL,其实质与PBL并不相同。尽管多数PBL过程中均有一定程度的指导,但是PBL通过开放式问题进行探索,尽管有真实案例,单独使用PBL的外在负荷依然很高,类似于给学生一张桌子,让学生自行组装一张桌子出来,在最后给学生一张组装示意图。而CBL的理念则完全不同,与PBL的探索相比CBL更像是一个范例(worked example)教学,其中包含的信息不仅仅是真实案例,更有教师解决案例的过程。这个过程好比给学生一张桌子,由教师将桌子拆解开,并按步骤指导学生重新组装,必要时过程可重复。对于同样的教学目标,CBL的效率显然高于PBL,这一点也得到了相关研究的证实[8]。有学者认为PBL更符合人类的自然思维过程[9],然而作为一种职业教育,医学教育中存在大量规范化诊治流程及相对固定的思维模式,探索式教育是否有益于此是值得商榷的。PBL在医学教育的现实价值是对指导式教育的补充,而非取代。如果将CBL比作指导学生做一张桌子的话,那么PBL就是让学生在此基础上模仿做一张椅子。事实上,在医学教育中PBL的实践训练价值更多于探索价值。CBL可以有效地降低学习的外在负荷,而PBL则提高了学习的关联负荷,两者结合能相得益彰。

当今医学课程改革中,基于认知理论的课程整合无疑是具有吸引力的,国内外曾相继采用过多种不同的课程体系,效果及评价不一。新世纪以来,以某种教学方法为主导的课程体系正在逐渐减少,而多种教学方法综合运用的课程体系已经越来越被医学教学学者所接受,并且成为了课程改革的一个新的方向,认知理论对医学课程改革也起到了越来越大的作用。

[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.