虛擬現實技術在體育教學中的應用探討

朱臣廷

【摘 要】 虛擬現實技術是一門新興的現代科學技術，在軍事領域以及醫學領域都有較多推廣，是一門許多相關學科領域交叉、集成的產物，其融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術和傳感器技術等多個信息技術分支，并有很大的應用前景。建立現代體育教學服務系統是促進我國現代教育技術在學校體育中應用的較好辦法，同時利用虛擬技術在體育教學中應用進而推廣，對體育教學的教學效果有很大的促進作用，本文利用文獻法、邏輯分析法、專家調查法等方法對近60篇相關文獻和相關數據進行研究，進行了概括性論述，并在之前的基礎上拓展了應用的領域，以供參考。

【關鍵詞】虛擬現實技術 體育教學

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是應用計算機生成的一種模擬環境，通過各種傳感設備使用戶“投入”虛擬環境中，使用戶與該環境直接進行自然交互的技術。虛擬現實技術是由美國人加龍·蘭里爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代初正式提出來的，90年代有了實質性的發展，其綜合了計算機圖形學，圖像處理與模式識別，智能技術，傳感技術，語音處理與音響技術，網絡技術等多門學科將計算機處理的數字化信息變成為人們所能感受的具有各種表現形式的多維信息，通過視覺、聽覺、觸覺等作用于使用者，對使用者的控制行為做出動態的交互反應。虛擬現實技術（VR）主要包括模擬環境，感知，自然技能和傳感設備等方面。模擬環境是由計算機生成的實時動態的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除了計算機圖形技術所生成的感知覺以外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動感知等，因此也可以稱之為多感知。自然技能是指人的頭部轉動，眼睛，手勢，或者其他身體的行為動作由計算機處理被試者的動作并做出相應的數據并對用戶的動作做出實時反應，并且分別傳感到被試者的五官。傳感設備即三維交互設備。常用的有立體頭盔、數據手套、二維鼠標等穿戴于被試者身上的裝置和設施于現實環境中的傳感裝置，如地板壓力傳感器等。截止到現在，此技術已經廣泛應用于航空航天、醫學實習、軍事訓練、體育訓練、游戲娛樂等許多領域，并且已經開始進入教育領域，它曾和多媒體教學、網絡技術并成為教學領域的三大創新技術。

一、基本特征

1. 沉浸性

虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環境當中，成為虛擬環境中的一員，虛擬環境中的圖像會因使用者的身體變化而變化，且可以聽到三維仿真聲音，使使用者感覺很逼真，如身臨其境一樣。

2. 交互性

虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者既可以用鍵盤、鼠標進行，也可以通過特制的頭盔，數據手套等傳感設備進行，計算機可以根據使用者的不同身體活動來調整系統的圖像及聲音，這種反映可以使使用者隨時對自己的動作或心理進行考察或者調整。

3. 多感知性

由于虛擬現實系統中裝有很多類型的傳感及反應裝置，因而使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到近似真實的感受。

二、虛擬現實技術的類型及與構建方法

1. 虛擬現實技術的類型

1）沉浸型。此類系統是一套比較復雜的系統。使用者必須用頭盔、數據手套等傳感跟蹤設置，才能與虛擬環境進行交互。此類系統可以很好地使被試者避免外界的干擾，使用戶完全沉浸到虛擬環境中。缺點是設備價格昂貴，因此難以廣泛推廣。

2）簡易型。此類系統只要有一臺普通的計算機就可以組成，被試者通過鍵盤、鼠標便可以與虛擬環境進行交互。結構簡單，價格低廉，易于推廣，是一套比較經濟使用的系統，適合做一些實驗過程簡單，演示性強，交互性較少的實驗。

3）共享型。此類型系統是借助于遠程網絡將異地不同的用戶連接起來共享由多個用戶所組成的一個虛擬系統，共同對一個虛擬環境進行觀察，操作和研究。已達到協同工作的目的。優點是可以獲取更多的不同的資源，群策群力，進行更加細致的不同層次的研究。缺點是牽涉到的范圍較廣，人員較多，不便于組織和不同地區之間的協同工作。

2. 虛擬現實技術的構建方法

1）利用高級語言和三維圖庫進行構建。常用的開發語言是VC，常用的圖形數據庫是OpenGL和Directx3D。優點是靈活性強，能實現比較復雜的功能。缺點是需要較高的編制水平，以及對圖形數據庫的掌握，開發難度大。

2）利用VRML語言（虛擬現實建模語言），并輔以其他工具。VRML是一個國際標準，其目標是建立一個基于網絡交互式三維境界。文件格式為wrl，構建一個虛擬環境就是構建一個個wrl文件，通過包含關系和超鏈接連接起來。由于VRML是用代碼描述了一個個實體和場景，這給編程者帶來很大的困難。于是一些可視化的場景編輯器應運而生，常用的有SGI公司的Cosmo World，Platinum Technology公司的VRCreator等。

三、信息化背景下體育教育的特點及走向

1. 信息化背景下體育教育的特點

1）體育教學資源信息數字化

計算機已經廣泛應用于體育教學，其優點是資源高度集成，性能穩定，技術標準統一，存儲容量大處理速度快。

2）體育教學信息資源共享

這種共享包括軟件資源和硬件資源的共享，如大容量的存儲空間，網絡教學資料，體育信息及新聞等。就目前而言，體育教學資源共享的核心是軟件的共享。如北師大附中的體育教育專業網站的建成為體育教學資源的共享做出了很好的典范。

3）體育教學中學生學習地位的主體化

由于體育教學信息網絡化，信息也呈現出多媒體化和信息的可擴充化等特點，學生可以積極主動地建構知識，實現不同環境下和不同條件下自主探索性的學習體育基本知識和技術，充分體現學生在學習過程中的主體地位。endprint

2. 信息化背景下體育教育的走向

1）體育教學過程中教的單極化走向合作化

信息時代，人們的工作與生存的特點，決定了人與人之間需要相互合作。體育教學也是如此，傳統的單向灌輸體育的基本知識和技能的方式已經不適合現代化發展的需要，培養現代化的人才就迫切需要現代化的體育教學方式，而合作學習又是當前國際教育的發展方向，也是現代教育正要解決的問題。

2）從單一運動場上的技術學習走向多環境下的技術學習

計算機各種硬件成本的降低使得計算機教學等先進的教學手段的實施成為現實，動作學習的可復制性使得學生可以在除學校之外的任何地方進行學習，這樣就大大地縮短了學習的時間，及早建立動力定型，從而實現了體育技術教育跨時間，跨地點，形成立體化，多環境化的體育教學。

3）體育教學走向學習情景的虛擬化

體育教學情境是體育教學活動得以進行的場景，它直接影響著體育教學過程中學生認知的數量與質量。傳統教學過程主要是通過講解與示范，而這隨著時代的發展遠遠是不夠的，單一的教學方法使得教學缺乏情趣，影響學生的學習積極性。模擬技術則和多媒體技術則可以使得體育技術教學內容中涉及的技術動作模擬在學生面前，使學生身臨其境，也使得學習的內容更加通俗易懂。如何選擇和構造虛擬的體育教學情境，是未來體育教學發展方向。

4）體育教學模式由單一化走向多元化

隨著教育信息化的發展，網絡學習資源迅速膨脹，體育教學同其他學科一樣，多元化的教育模式是體育教學發展的必然趨勢。教師的工作重點也將會在教學中更加注重充分利用網絡資源和各類資源來輔助學生的自主學習。

四、虛擬現實技術在體育教學中的應用領域

1. 知識學習

即學生利用虛擬現實系統學習各種體育知識與技能。主要有兩個方面：一是再現實際生活中無法觀察到的自然界現象或者事物的變化過程；二是使抽象的概念理論直觀化，形象化，方便學生理解。

2. 技能訓練

虛擬現實的沉浸性和交互性使學生能夠在虛擬的環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這將非常有利于學生的技能訓練。如在不同的水平下找到不同的高水平訓練人員是很難的，在虛擬教學中就可以模擬不同打法的高手進行針對性的訓練。

3. 心理訓練

虛擬現實系統的特性能夠使使用者有身臨其境的感覺，這就可以在賽前對怯場的運動員進行針對性的訓練。如針對籃球的罰球，就可以讓使用者在虛擬環境中體會到類似于真實比賽環境的氣氛，從而達到提高心理適應能力的目的。

4. 虛擬運動實驗

在虛擬的實驗室里，學生可以進行某項運動，系統根據一系列的生理反應和受試者的目的對受試者運動方法、運動強度等給出合理的建議，有利于激發學生的熱情，使學生進行合理的健康的運動。

5. 學術交流

體育教學領域的學術交流可以打破以往單一的報紙雜志等方式，利用虛擬現實技術分享比文本和圖像更多的信息，虛擬現實技術提供面向對象的方法來描述動作，它可以更加直觀地將學術交流的思想展現在學習面前，其必將成為體育學術交流領域的新技術標準。

五、結論與建議

虛擬現實技術雖然在某些體育競技項目中已經有一定領域的使用和推廣，但是在新的時代背景下，信息化的發展要求新的與之相適應的教學技術的出現。虛擬現實技術代表了新時期下體育教學模式發展的方向，也必將是未來的發展趨勢。虛擬現實技術的實際應用推廣并非易事，在我國現今的教育發展水平下，只能有很少一部分的學?？梢杂袟l件與資金進行虛擬現實技術等相關設施的配套工作。而且能夠熟練掌握虛擬現實系統進行體育教學的人才也為數不多，況且工作人員和教師存在著一定的人員沖突，這都使得虛擬現實技術的實際應用工作難以得到開展。雖然現實社會是信息化的社會，但是如果完全依賴于虛擬的網絡和系統對于社會的發展和進步都是很不利的。日本的學者的研究也證明，過分地依賴圖文，以及虛擬的技術，久而久之，人自己的操作能力會有很大的退化。因而，合理地進行學習的組織與安排也是不容忽視的。

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