在體育教學與科研中應用計算機仿真技術的思考

摘要：論述了計算機仿真技術的概念、特點及仿真設計的一般流程，提出了目前將計算機仿真技術應用于體育教育與體育科研中存在的問題，分析了計算機仿真技術應用于體育教學與科研中的發展前景及重要作用。

關鍵詞：計算機仿真；體育教學；體育科研

前言

隨著計算機科學技術的發展， 計算機仿真技術目前已廣泛應用于復雜系統的分析、設計、實驗、評估、預測等方面。計算機仿真系統所建立的模型包含了實際系統對象之間的內在聯系和客觀規律， 通過計算機仿真實驗可以研究系統內在因素的相互關系。在體育科學研究領域，隨著系統仿真技術及相關的計算機圖形學、數據庫技術、虛擬現實技術的交互融合與推動， 加上以人體或其運動為核心的不同領域的強烈需求的推動， 虛擬人體及其運動成為當前研究發展的熱點[1]。因此，將計算機仿真技術應用在體育科學領域對體育科學研究將會產生重要的影響， 它將成為體育教學和比賽訓練中重要的輔助手段。

1 計算機仿真技術概述

1.1 計算機仿真的概念

計算機仿真 （Computer Simulation）是應用計算機技術及數學建模方法建立被仿真的系統模型，在一定的實驗條件下對模型進行動態模擬實驗的一門綜合性技術。

按照計算機類型分類可將計算機仿真分為：模擬仿真、混合仿真以及數字仿真三種。隨著計算機技術的發展，數字計算機的運算速度以及處理能力都在不斷的提高，數字計算機仿真已經逐步取代了模擬計算機仿真和數字模擬混合仿真，因此目前計算機仿真通常是指數字計算機仿真。其主要特征是：實現方便、易于修改、費用低、精度高、運算速度快、實驗結果可靠。

1.2 計算機仿真技術的應用

應用計算機仿真技術對反應周期長，而且難以觀察、試驗或消耗巨額資金的自然環境、生態系統、人口結構、生理、育種、導彈、軍事、國防等系統，可以在短期容易實現的模型上進行分析、試驗后預報結果。例如，中醫診斷系統、農業育種專家系統。

在工程系統方面，應用計算機仿真技術進行試驗或預研，可以在實物試驗之前對系統的研究方案進行論證，達到優化方案以及系統參數的目的；分析系統響應與參數關系指導調試工作；分析系統的工作狀態，改進薄弱環節，以提高系統的性能和運行效率。

在非工程系統方面，對企業管理、經濟分析、市場預測、商品銷售等也都可以應用計算機仿真技術。例如，應用計算機仿真技術可以建立商品生產和公司經營與市場預測模型。

1.3 計算機仿真的流程

計算機仿真的過程，概括地說包括“數學建模”，“計算機模擬實驗”，“實驗結果分析”三個基本的部分。也就是說計算機仿真不只是單一對模型進行實驗，它需要包含從數學建模到反復實驗再到結果分析的全過程。完整的計算機仿真過程通常包括以下步驟：

（1） 問題的描述。通過問題描述明確計算機仿真的對象、目的以及基礎需求。再根據研究的目的及需求，確定計算機仿真系統的規模、約束條件等問題。

（2） 建立原始數學模型。數學模型是針對參照某種事物系統的特征或數量依存關系，采用數學語言，概括地或近似地表述出的一種數學結構。計算機仿真是一門基于模型的新技術，數學模型的準確程度對仿真結果的可信度起著非常關鍵的作用，這一步驟非常重要。原始數學模型也被稱為是第一次建模。

（3） 建立仿真系統數學模型。根據計算機的運算特點、仿真方式、計算方法和精度要求，將原始系統數學模型轉換為能夠用計算機進行程序設計的數學模型。這類模型稱作仿真系統數學模型，也被稱為二次建模。

（4） 編程并調試。將仿真系統數學模型編制程序，并進行調試。

（5） 仿真實驗。應用計算機仿真系統進行規定的實驗，得出實驗結果。

（6） 實驗結果的分析和模型的驗證。反復進行仿真實驗后，對仿真的結果進行分析和驗證，選出最優方案或者找出最優值，并將結果與實際發生的數據進行校驗，檢驗仿真系統模型的準確度。

2 計算機仿真技術在體育科學領域中的應用

2.1計算機仿真技術在體育學科教學中的應用

隨著多媒體技術的發展，在理論教學中可以通過應用仿真多媒體課件來豐富課堂教學內容，激發學生學習興趣，加深對難以理解的理論知識的理解，提高教學質量；另一方面，在術科教學過程中，目前大多通過教師的示范來完成課堂教學內容的講解，但由于教師年齡的增長或是教師技能掌握程度不同，有時很難在教學和訓練中完成正確規范的示范動作，對學生的學習效果有一定的影響，對學生學習后的效果也難以真實評價。如果我們可以應用多媒體仿真技術、可視化仿真技術來開發、設計一些仿真軟件，讓學生在虛擬的環境中進行認知和練習，可以對學生提升學習和訓練的效果起到一定的推動作用。

2.2 計算機仿真技術在指導運動訓練中的應用

計算機圖形學的應用領域十分廣闊， 其中一個重要的領域就是利用計算機模擬某個系統或某種現象的過程， 進行系統分析， 過程控制。 例如，呂坤如的《計算機仿真人體二維運動圖解設計技術在體育中的應用》等研究。

將系統數學模型轉換成系統仿真模型，再通過計算機程序得到數學模型解的數據，對數據進行分析與驗證從而達到計算機仿真的目的，這種計算機仿真技術很流行。例如，魏文儀，伍勰的《跳遠起跳的計算機模擬》較好地反映了起跳動作的技術關鍵， 為跳遠起跳技術分析開辟一個新的方法。還有房杰的《運用計算機仿真技術對乒乓球碰撞的研究》，朱雄軍，韓凝的《運動生物力學診斷中可視化計算機仿真的應用研究》等論文都對運動訓練有一定的指導作用。

3 存在的問題與展望

將計算機仿真技術應用于體育教學與科研領域中，是需要滿足一定條件的，目前還存在一些值得思考的問題。首先由于體育術科教學內容本身的復雜性，目前還沒有針對體育術科教學領域的專用計算機仿真軟件。其次，計算機仿真技術的專業性與復雜性，使得體育教師和體育科研人員在應用計算機仿真技術時存在一定的困難等。這些問題的解決還需要科研人員能夠將體育運動訓練和計算機仿真技術更好的結合起來，例如計算機專業人員能夠掌握某些體育學科的知識，或是體育科研人員和計算機技術專業人員更好的合作。

仿真技術不只是對某一個動作或現象單純的模擬，而是通過仿真實驗研究系統內在因素的相互關系，分析系統的可行性，預測系統運行結果，或作為預研手段為真實系統的運行奠定基礎等。計算機仿真技術的發展對體育運動訓練和體育科學研究帶來新的契機，對體育科學研究與訓練模式的發展都會產生重要的影響。因此如何將計算機仿真技術更好的應用在體育教學與科研中是值得思考和研究的，這一技術的應用研究對體育教育和指導體育運動訓練都將起到積極的推動作用。

參考文獻：

[1]黃漢升，朱昌義.人體運動計算機仿真的理論基礎[J]. 廣州體育學院學報，2007，27（5）：1-4

[2]吳旭光，王新民.計算機仿真技術與應用[M].西安：西北工業大學出版社，1998

[3]郝衛亞.專項體育運動的計算機模擬與仿真[J]. 第十一屆全國運動生物力學學術交流大會論文匯編（摘要），2006

[4]燕國棟，孫晉海.體育教學領域中計算機仿真技術的應用[J]. 體育科研，2008，29（5）：68-70

[5]趙侖.計算機模擬仿真技及其應用[J].中國科技信息，2005（15）：68-69

作者簡介：王麗麗（1982—），女，碩士研究生，研究方向：數據挖掘。