空气手势教学法在肩关节运动解剖教学中的应用

Application of Air Gesture Teaching Method in Shoulder Joint Anatomy Teaching

摘要

目的 基于学习投入分层分析空气手势教学法对康复治疗学专业学生肩关节运动解剖教学认知负荷的影响。 方法 将空军军医大学第二附属医院康复医学科实习的44名实习生随机分为手势教学组（n=22）和常规教学组（n=22）。常规教学组采用传统讲座形式对肩关节运动解剖进行教学，手势教学组由同一教师采用空气手势法进行教学。根据其学习投入水平进行分层，对比不同群体内两组实习生的认知负荷、成绩，以及教学效果情况。 结果 高投入群体中，手势教学组的相关认知负荷（Germane Cognitive Load，GCL）显著高于常规教学组（P<0.05）；低投入群体中，手势教学组内在认知负荷（intrinsic cognitive load，ICL）得分显著低于常规教学组（P<0.05），GL得分显著高于常规教学组（P<0.05）。高投入群体两组学生的理论成绩与实践成绩均无统计学差异（P>0.05）；低投入学习群体中手势教学组理论考试得分均显著高于常规教学组（P<0.05）。高投入群体手势教学组实习生仅教学热情方面评分显著高于常规教学组（P<0.05）；而在低投入群体中，手势教学组学生的学习价值、知识宽度方面的评分显著高于常规教学组（P<0.05）。 结论 空气手势法的应用在不同学习投入群体中存在差异，具有降低学生内在认知负荷、提高相关认知负荷，并从多维度改善教学满意度的优势。

Abstract

Objective Based on the hierarchical analysis of study engagement, this study investigated the impact of air gesture teaching method on the cognitive load of shoulder joint motion anatomy teaching for students majoring in rehabilitation therapy. Methods We randomly divided 44 interns who interned in the Rehabilitation Medicine Department of the Second Affiliated Hospital of Air Force Medical University into gesture teaching group (n=22) and conventional teaching group (n=22). The conventional teaching group was taught through traditional lectures on shoulder joint anatomy, while the gesture teaching group was taught by the same teacher using the air gesture simulation method. According to their study engagement level, the interns were divided into different populations, and the cognitive load, academic performance and teaching effectiveness of the two groups in different population were compared. Results Among the high-engagement population, the GCL of the gesture teaching group was significantly higher than that of the conventional teaching group (P<0.05); among the low-engagement population, the ICL score of the gesture teaching group was significantly lower (P<0.05). In the conventional teaching group, the GCL score was significantly higher than that of the conventional teaching group (P<0.05). There was no statistical difference in theory or practice test scores between the two groups of students in the high-engagement population (P>0.05). In the low-engagement population group, the theory test scores of the gesture teaching group were significantly higher than those of the conventional teaching group (P<0.05). The interns in the high-engagement population gesture teaching group only scored significantly higher than the conventional teaching group in terms of teaching enthusiasm (P<0.05). By contrast, in the low-engagement population, the students in the gesture teaching group scored significantly higher than the conventional teaching group in learning value and knowledge breadth (P<0.05). Conclusion The application of air gesture method has differences among different study engagement levels, with the advantages of reducing students’ intrinsic cognitive load, increasing related cognitive load, and improving teaching satisfaction from multiple dimensions.

Graphical abstract

关键词

手势 / 教学模式 / 认知负荷 / 学习投入 / 肩关节解剖

Key words

Hand gesture / Teaching mode / Cognitive load / Study engagement / Anatomy of shoulder joint

目前，康复治疗学专业在校以通才教育为主，治疗师在实习时所接受的继续教育不足以支撑临床需要，故科内对康复实习生进行专科培训尤为重要。“运动解剖学”是医学教育的专业基础课^［1］，是肌骨康复中重要的奠定性学科，其复杂的人体系统、多样化的运动形式以及抽象的逻辑性增加了学习难度^［2］。然而，目前中国关于对运动解剖相关内容的临床带教报道较少。

空气手势是一种通过手与环境交相互动的具体学习形式，在兼具较高性价比的同时，被证明具有神经科学循证教学潜力，可促进解剖学的可视化^［3-4］。然而手势对学习者的影响是复杂的，手势虽可增加信息的呈现维度，但其带来的认知加工、信息量同时也会占用更多的认知资源，手势的盲目运用会带来额外的负荷，最终对学习效果产生负面影响^［5］。学习过程受到内在认知负荷（Intrinsic Cognitive Load， ICL）、外在认知负荷（Extraneous Cognitive Load， ECL）与生成认知负荷（Germane Cognitive Load， GCL）三种认知负荷的影响，其与学习效果间的联系并不一致^［6］。目前的研究多探索教学方式对总认知负荷的影响，并未对三种认知负荷进行更加细致的研究。且大多研究只遵循“降低认知负荷有益教学”的简单线性逻辑^［7］，并未进行分层探索，存在一定的局限性。

认知负荷受到多种个体内部因素的影响，其中学习投入程度作为影响临床实习效果的重要因素，反映了学生的内隐学习态度与学习习惯，与认知负荷之间存在复杂的调节关系^［8］。袁煜琦等^［9］指出，通过学习投入度对医学生进行分层有助于医学院校归纳不同类型学生的共性问题，进而更好地开展教育教学。目前，学生类型的分层分析在国内外均得到了广泛的应用。

人体众多关节中，肩关节运动解剖最为复杂、运动形式多样，学习难度最大，学习曲线最长^［10］，需消耗较多认知资源，具有较高的内在认知负荷。因此，本研究以肩关节为例进行报道，进一步探索空气手势法对运动解剖ICL、ECL与GCL的影响，评估其在临床带教的实践价值，为运动解剖临床带教的多样化提供教学新思路。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2023 — 2024年在空军军医大学第二附属医院康复医学科实习的中国3所高等院校44名实习生作为研究对象。纳入标准：①本科康复治疗学专业，且为本科大四阶段学生；②既往无相关实习经历；③自愿参加本研究。随机分为手势教学组（n=22）和常规教学组（n=22），两组实习生年龄、性别、学校、入科成绩差异并无统计学意义（P>0.05）。

干预前，使用中文版学习投入量表^［11］评估学生的学习投入，该量表包括17个项目，采用了Liker 7级评价，总分为17~119分，其得分与学习投入程度成正比，根据其中位数进行进一步分层处理（图1）。

1.2 方法

1.2.1 常规教学组

临床实习生分配至康复科后，科室领导指派具有高年资、高职称康复治疗师对其实施阶段性带教，由带教教师采用传统讲座形式对肩关节解剖进行教学。

1.2.2 手势教学组

手势组采用空气手势法，基于Yohannan^［4］与Mo等^［12］人提出的手势教学方式，由我科康复医师、康复治疗师共同构建肩关节解剖的空气手势教学法（图2）。

构建肩部关节的几何体：使用双手界定一个框架，定义并描述三维平面，在该框架中用手势模拟出肩关节的外部形态。以右肩关节为例，嘱受试者伸出右手，使腕关节处于中立位置，并用右手握拳表示肱骨头。第一掌指关节代表肱骨的小结节，第二、第三和第四掌指关节代表肱骨大结节的上部、中部和下部。使用手势界定出肩胛骨、胸骨、锁骨与肱骨的相对位置，指出胸锁关节、肩锁关节、盂肱关节的组成部分。

定义肩关节的三轴运动：以受试者握拳的右手与前臂作为肱骨及上臂，演示、模拟肩关节前屈、后伸、内收、外展、内旋及外旋的运动情况。

肩袖肌群的定位及附着点：受试者左手的拇指、食指、中指和无名指代表肩胛下肌、冈上肌、冈下肌、小圆肌，用左手掌抓住右拳，将左手的拇指、食指、中指和无名指扣在右手的1、2、3、4掌指关节处，代表肌肉的附着点，双手形成肩关节模型。并在此过程中强调上述肌肉的起止点及肌肉走行。

肩袖肌群的收缩与肩关节的运动：收缩左手拇指指间关节时，拉动右手第一掌指关节，模拟肩胛下肌收缩带动肱骨小结节，使右拳作内旋运动，即肩关节内旋；收缩左手食指时，拉动右手第二掌指关节，模拟冈上肌收缩，带动肱骨大结节上部，使右拳进行外展运动，即肩关节外展；收缩左手中指和无名指时，分别拉动右手第3和第4掌指关节，模拟冈下肌、小圆肌的收缩，带动肱骨中下部，使右拳做出外旋运动，即肩关节向外旋转。

肩袖损伤后肩关节运动模式的改变：配合PPT讲解不同肩袖肌群损伤后的特殊检查及其阳性表现，基于上述对正常肩袖肌群收缩所诱发的肩关节运动，阐述不同肩袖肌肉损伤后，肩关节运动变化。

1.3 观察指标

1.3.1 认知负荷评价

采用Leppink量表分别评价ICL（第3、5、8项平均值）、ECL（第2、7项平均值）及GCL（第1、4、6、9项平均值），采用11点计分^［13］。

1.3.2 考核成绩

理论考试以“肩关节解剖”为主题，内容包括肩关节解剖标本图像、肩关节的构成、肩关节运动所涉及的肌肉和神经、肩袖损伤临床案例分析。技能操作考试题目为“肩关节特殊检查”，考查学生操作步骤及动作规范。

1.3.3 教学效果问卷

通过问卷星收集学生SEEQ（Student’s Evaluations of Education Quality）问卷情况进行教学效果调查^［14］，采用各个维度中得分的平均值作为该维度教学效果评价的数值。

1.4 统计学分析

采用SPSS 25.0版本进行统计分析，计量资料采用K-S检验正态分布，符合正态分布的计量数据以（x±s）表示，组间比较采取独立样本t检验。计数资料以例数（百分比）来表示，组间比较采取卡方检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 认知负荷评价

在高学习投入群体中，两组学生的ICL与ECL并无显著性差异（P>0.05），手势教学组的GCL显著高于常规教学组［（7.50±0.38）分 vs.（6.36±0.46）分］，差异具有统计学意义（P<0.05）。

在低学习投入群体中，手势教学组学生的ICL得分为（2.39±0.83）分，显著低于常规教学组的（3.18±0.58）分，GCL得分显著高于常规教学组［（7.64±0.85）分 vs.（6.52±0.82）分］，上述差异均具有统计学意义（P<0.05），而两组的ECL评分并无显著性差异（P>0.05），详见表1。

2.2 考核成绩比较

在高学习投入群体中，两组学生的理论成绩与实践成绩均无统计学差异（P>0.05）。而在低投入学习群体中，手势教学组理论考试得分均显著高于常规教学组［（90.55±6.31）分 vs.（84.38±4.78）分］，差异均具有统计学意义（P<0.05），而两组间实践考试得分差异不具有统计学意义（P>0.05），详见表2。

2.3 教学效果问卷比较

SEEQ评分显示，在高投入群体中，手势教学组实习生仅在教学热情方面评分显著高于常规教学组，差异具有统计学意义（P<0.05）；而其学习价值、知识宽度、教学管理、群体互动、人际和谐、功课量/功课难度差异并无统计学意义（P>0.05）。

在低投入群体中，手势教学组学生的学习价值、知识宽度方面的评分显著高于常规教学组，差异具有统计学意义（P<0.05，见表3），而两组间教学管理、教学热情、群体互动、人际和谐、功课量/功课难度差异并无统计学意义（P>0.05）。

3 讨论

认知负荷是澳大利亚认知心理学家于20世纪80年代末提出的理论^［15］，即学习者在任何学习及解决问题的活动中均需消耗的认知资源。认知负荷是在某种场合下施加到工作记忆中的智力活动总数^［16］，一旦加工某种信息所需的认知资源大于学习者的认知资源总量，就会造成认知超负荷，影响学习的效率和结果^［17］。认知负荷在医学教育中尤其重要，由于医学生需要在特定的时间和地点整合多种多样的知识、技能和行为，并且需理解掌握医学专业术语与复杂的概念，并逐渐向专业技能运用方向上发展，这些任务可能会使学习者负担过重，影响教学效果。因此，教学的核心目的是尽可能降低学生的认知负荷，从而提高认知与学习的效率。

近年来，手势在教学领域中受到了广泛的重视。然而，手势对学习过程中认知负荷的影响仍存在争议。有学者指出，通过手势等交互行为获得信息的交互通道，可与听觉、视觉双通道形成有机整体，赋予学习者认知过程的主观能动性^［18］，同时引导学习者合理调配认知资源，使其注意力集中在关键的学习内容上^［19］，有助于减轻其认知负荷。然而，手势的盲目应用则会导致视觉通道的认知资源竞争，干扰学习者对学习内容的图式构建，从而增加额外的外在认知负荷^［5］。因此，需进一步明确手势对解剖教学认知负荷的影响。

3.1 空气手势教学降低了学生ICL、提高GCL，但在不同学习投入度群体中存在差异

本研究通过学习投入对学生进行分层分析，发现在不同学习投入程度的学生群体中，手势教学对认知负荷的影响存在差异。在低学习投入群体中，相较于常规教学法，手势教学可降低学生的ICL。而对于高学习投入群体，手势教学对ICL的影响并不显著。ICL取决于学习者既往知识经验以及学习任务的复杂性，信息元素间的交互性是影响学习材料难易程度的主要因素，高交互性学习材料在孤立的情境下不易被理解，而肩关节解剖手势化教学可将复杂的肩关节肌肉分布、运动形式与手部动作建立相互关系，有利于理解元素之间的相互关系，因此有助于ICL的降低。而对于高学习投入学生，其既往知识经验处于较高水平，ICL不易受到教学方法或环境的影响。另一方面，高投入的医学生主动学习能力较强^［20］，通常会表达自己的想法并协作尝试寻找答案，因此即使未接受手势教学，学生课后的学习参与与投入均可帮助其更好地理解授课内容。

此外，无论在高投入还是低投入学生中，手势教学均较常规组有更高的GCL得分。GCL是学习者在完成某一任务的过程中，把剩余的心理资源用到与学习直接相关的认知加工活动时产生的认知负荷。在手势教学组中，学生模仿手势的过程可实现运动与感知系统的双重激活。根据自身认知理论，个体的思维和认知来源于身体的感知和运动体验，而手势的模仿丰富了学习信息的表征方式，具有更高质量的心理表征^［21］，因此，一定程度增加了学生的GCL。

ECL指在教学过程中额外消耗的认知负荷，与学习信息呈现的顺序、方式有关，通常与教学设计不当有关，而本项研究中肩关节解剖手势化教学并没有增加学生的ECL，提示手势的记忆并不会出现冗余效应。

学习投入被认为是一种情感认知状态，在这种状态下，学生具有高水平心理弹性以及意义感、兴趣度、认识度、自豪感等，并且完全集中注意力并以积极的状态进行学习行为^［22］，以“学生自身在有效的学习活动中所付出的时间多少与精力大小”作为衡量标准。既往学者已发现学习投入对学习成绩具有显著的预测作用和促进作用，且高学习投入的积极作用不受性别、种族和民族的限制^［23］。虽然学习投入是一个动态可变的因素，但既往多项研究发现个体因素层面可显著预测学习投入的程度，提示学习投入存在一定的个体特质化^{［24⁃25］}。袁煜琦^［9］通过学习投入度将医学生进行划分，发现各类型医学生特点鲜明，且整体分布存在不均衡现象。因此，带教单位在进行临床带教时，需识别学生类型，关注不同类型学生的薄弱点，及时采取针对性的干预措施。

3.2 空气手势教学仅提高了低学习投入群体的学习成绩

本研究通过考核的方式来检验学生的学习记忆效果。研究结果显示，手势教学仅提高了低学习投入群体的理论成绩。关于手势对于教学成绩的提升已在多项既往文献中得到了证实。Oh^［26］等基于运动记忆原理使用手指对人体主要动脉及神经丛等结构进行手势构建，发现该方法可以增加学生的记忆持续时长，并缩短回忆所需时间。Cherdieu 等^［27］使用上肢运动来呈现桡骨和尺骨在旋转时的相互位置，直观地展示出旋后和旋前运动，发现在学习过程中对运动系统的特定激活可以改善记忆的巩固与检索。

本研究首次对学生进行了分层处理，结果提示学习成绩的提升只表现于低投入群体。分析原因为高投入群体的学习风格、学习习惯等基线水平较高，无论教学方式是否变化，均可发挥其自我主观能动性主动学习^［28］，因此受手势教学的影响较少。而低投入水平学生的学习成绩较多依赖于授课过程中对知识的理解及记忆，因此对教学方式的改变更为敏感。手势教学对成绩提升的促进作用可能与注意力有关。根据人类三层记忆理论，感觉记忆感知来自外界环境的传入信息，工作记忆中的信息在处理和编码后传递给长期记忆。在记忆转换的过程中，注意力是将刺激输入信息处理系统的基础^［29］，学习者从外部环境中获得对感觉记忆的输入，从而引发定向反应，将注意力集中在刺激上，否则刺激则被遗忘，无法传递至下一级记忆^［30］。因此，讲座式教学形式往往单调，无法使学生在教学过程中持续性地保持注意力，一定程度解释了传统讲座式教学对低学习投入群体的学习效果的限制。

3.3 空气手势教学从多维度提升学生的教学满意度

SEEQ评分显示，在高投入群体中，手势教学组实习生教学热情的满意度显著高于常规教学组。由于师生间的互动与学生的学习热情存在正相关联^［31］，高投入群体学习过程中可能更倾向于参与教学互动，因此手势的传递提高了学生的参与感和互动感。手势教学对低学习投入群体的影响更多体现在学习价值、知识宽度满意度。空气手势模拟法可帮助学生更加容易地理解授课内容，并认为自己学到了有价值的知识，知识宽度与学习价值感之间的相互作用存在直接路径^［25］，因此，手势教学组的学习价值感与知识宽度评分均较高。

4 结语

综上所述，在肩关节解剖中应用空气手势法，具有降低学生的ICL、提高GCL，进一步提升学生的学习成绩，并从多维度改善教学满意度等优势，值得在临床教学中推广应用。然而其应用效果在不同学习投入群体中存在差异，低学习投入群体对该教学方式更为敏感，获益更多。因此，未来带教可对学生进行群体分层，选择更加个性化的方式实施带教教学。本研究纳入学生数量有限，可能存在偏倚，未来需扩大样本量，进一步更加细致的分层，进行运动解剖规范化空气手势的深入探索。

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基金资助

西安市科技计划项目(2022JH-YBYJ-0311)

空军军医大学第二附属医院苗圃培育计划项目(2022mppy007)