虛擬仿真技術在運動生理學實驗中的應用研究

王朋

[摘要]虛擬仿真技術作為一種綜合集成技術，涵蓋了計算機圖形、人機交互、傳感技術、人工智能等眾多核心技術，可以逼真的模擬出我們需要的環境和實物，給人身臨其境的真實體驗。近年來隨著教學實驗研究的逐步深入和科技技術的不斷進步，虛擬仿真技術已經開始大量應用于運動生理學實驗等相關的科學領域，加深學生對實驗的認識，使學生通過豐富多彩的教學手段，多層次、多角度、立體化、真實化的得到專業便捷的技能訓練，加深學生對實驗內容的理解和鞏固，提高學習的效率和應用的直觀性，更加深刻地理解所研究的內容和意義，從而提高運動生理學實驗課的應用效果和學生學習的積極性。

[關鍵詞]虛擬仿真技術 運動生理學 實驗 立體化

[中圖分類號]G712 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2016）06-0236-02

運動生理學主要是研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體在結構和機能方面的各種變化，探索人體在運動過程中機能變化的規律，以及形成和發展運動技能的生理學規律，探討人體運動能力發展和完善的生理學機理，論證并確立各種科學的訓練制度和訓練方法。人體在體育活動和運動訓練影響下機體機能變化的動態數據是運動生理學研究的重點和難點。因其變化的動態性和不易感知性，使學生學習起來特別抽象，難以理解。單純的依據課本的數據進行比對，就更加沒有說服力，極大增加了學生學習和掌握的難度。在運動生理學實驗課堂上開展實驗教學過程是增加降低理論學習難度，提高學生學習積極性的有效措施，但在目前的運動生理學實驗教學過程中，由于受實驗標本的采集與存放、試劑的調配與更新、實驗器材的種類限制、教師預實驗的準備、場所與時間限制和一些復雜設備的影響等，很多實驗課開展的效果并不理想，學生獲得的實驗數據較少并且缺乏說服力，后期重復實驗更是無法獨立操作完成。很多大型實驗由于沒有時間準備預實驗，教師操作的效果也不理想，開設運動生理學大型實驗的成本較高，耗費人力、物力較大卻收效甚微，使學生深刻理解運動生理學知識受到很大限制。

為了節約成本，很多學校就只開展幾個傳統型的簡單實驗，但是最新的理論知識和科學研究，學生就難以接觸，且這幾個實驗由于脫離高端技術使學生難以對實驗印象深刻。實驗知識的匱乏也影響了學生獨立感知，自主研究的積極性，理論應用起來更加捉襟見肘。因此，我們迫切需要一項技術既可以節省實驗成本，提高實驗成功率，又能使學生自主感知，自主鉆研，使學生得到專業便捷的技能訓練，虛擬仿真技術應運而生。他不但簡化了實驗課程準備工作，而且高速的數據處理庫提高了實驗的精確度和動態呈現機體對刺激反應的敏感度，大大激發了學生學習的興趣，大量數據的多角度呈現，更加激起學生探索的欲望，可以說完美解決了運動生理學實驗所必須的多項技術。

一、虛擬仿真技術簡介

虛擬現實技術又稱虛擬現實技術或模擬技術，就是通過計算機模擬技術將一個真實的系統在另一個占用空間比較小的、制作相對容易的虛擬系統中進行模仿實現真實人機對話體驗的技術。隨著計算機人工智能技術的不斷進步和發展，虛擬仿真技術越來越精良并逐步自成體系，成為繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法。人投入到這種環境中，立即有“身臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環境進行交互，虛擬環境還能夠實時地做出相應的反應。

虛擬仿真技術，是仿真技術與虛擬現實技術結合而產生的一種更高級的仿真技術。在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征，并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統，也可用一些簡單的數學模型表示。實體在虛擬環境中相互作用，或與虛擬環境作用，以表現客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網絡化的特征，充分滿足了現代仿真技術的發展需求。

虛擬仿真實驗系統的特點：首先虛擬實驗系統的仿真引擎代替了實物，實驗過程不再需要反復消耗標本和試劑，且實驗結束不需要廢料收集和處理，完美解決了傳統實驗過程中所缺乏的節能和環保處理；第二，學生做實驗不再受到實驗器材的限制，學生沒有理解的實驗允許反復操作，增強了學生動手動腦的實踐能力，大型實驗也省去了繁瑣的準備過程，節約了教師的準備工作；第三，虛擬仿真技術因其技術的成熟性，允許學生自我提升與拓展，課本之外的實驗，學生也可以自主鉆研，不受材料限制，大大提高學生學習與思考的積極性。此外，虛擬仿真技術平臺還為學生提供在線測評功能，網絡化的學習模式，為學生自我鞏固與提升提供了一個良好空間，抓住了學生學習的興趣點。

二、運動生理學實驗與虛擬仿真技術相結合

以前學校進行的運動生理學實驗主要是通過課本理論的教授進行理論學習，然后再通過小白鼠、青蛙等動物進行實驗驗證，這種探究方法單一而且讓學生很難完全信服。幾乎所有運動生理學實驗的理論，都來自觀察動物在運動過程中的機能活動并對其因果關系的分析來實現。放到人體之后的結論顯得單薄而且缺乏說服力。另外，由于人力及物力資源的種種限制，實驗課本身課時較短，很多實驗結果本身缺乏科學性和完整系統性，所以很多實驗的結果與最終需要印證的結論相關性不符，做得有名無實。

近年來虛擬仿真技術的廣泛應用大大提高了運動生理學實驗的應用廣度和深度，很多難以實現的實驗技術經過模式過程之后學生可以真切地感受到學習起來更加容易，記憶也更加深刻。將虛擬仿真技術運用到運動生理學實驗教學，是傳統教育手段與現代教學技術的創造性結合。虛擬仿真技術的優點主要體現在：多媒體展示的集成性、人機交互的操作性、大容量存儲的豐富性、高速傳輸的便捷性、超時空交流的共享性等。

虛擬仿真技術應用于實驗可以分為三個階段：一是初級階段，即學生剛開始接觸系統階段，這個時期學生對虛擬仿真系統還比較陌生，很多的功能還不熟悉，教師需要對學生加以引導，根據學生的反饋對系統加以修改和調整，盡量達到彼此合作融洽；二是模塊建立階段，當學生對系統有了初步的了解之后，就需要根據教學的進度和學生學習的側重點對系統里面的實驗加以增減和調整，做到既能滿足學生知識掌握，又可以達到能力提升效果，并將最前沿的知識嵌入實驗模塊，讓學生一起走進實驗室觀摩也是很好的教學方式，觀摩過程中學生對知識的理解和應用會更加深刻，讓學生明白科學探索的過程其實就是知識應用的過程，這個過程真正存在并不是遙不可及，培養起多思考多動腦的習慣；三是模塊應用階段，即通過所學的知識，所做的實驗，探究人體運動生理學知識的運用與開發，這個過程是一個開放的過程，根據每個人理解的不同，所能探索的結果也各有千秋，沒有標準的答案，探索永無止境。

例如在學習“人體安靜與運動過程中心率和動脈血壓變化”課程時，單純的文字說明和表格對比雖然可以使學生直觀的看到數值的變化，但是體現在人體中的動態變化卻很難發現和感受。通過查閱大量文獻，進行總結歸納，并通過計算機輔助教學把實驗課的內容搬到理論課上，經過文本、圖片、動畫、視頻、仿真空間體驗等幾步的動態體感之后，讓學生直觀地觀察到人體從靜態到運動再到運動逐步加快的過程中心率和動脈血壓的直觀的、動態的、連續的變化過程，把實驗的結論與學生的多種感官相互關聯，把知識的傳授過程由被動的灌輸、被迫接受轉化為學生自己總結、歸納、探索，使學習過程變得快樂且學生更加容易接受。運動的方法有好多種，速跑和慢跑是兩種不同的運動方式，他所牽動的器官不同，達到的效果不同，學生為此進行了一次愉快的辯論，最終大家都為自己的觀點鼓掌叫好。每種運動背后都包含著大量的科學知識，合理的運動就是最好的科學。

三、現狀與前景展望

實驗課一定要“重視學生在教學活動中的主體地位，充分調動學生學習的積極性、主動性和創造性”，一門課程的學習，結果只是一方面，重視學生在實驗過程中的參與度和知識獲得過程，才是我們教學的目的。對于運動生理學的掌握我們完全可以直接告訴學生結果：做擴胸訓練有助于增加肺活量，做引體向上可以鍛煉背闊肌，仰臥起坐可以鍛煉腹肌，等等，我們單純的教授完畢對學生有什么效果呢？他的擴胸運動很到位，肺活量大有增加；他的引體向上很到位，卻導致了肌肉拉傷；他的仰臥起坐連貫而有力，卻導致脊柱受損……這種風險不僅對普通人是存在的，而且對那些經常鍛煉的人亦然。現代人的養生觀念很強，每個人都需要運動，但是運動也需要講究技巧與方法，我們學習運動生理學的目的就是知其然，更要知其所以然。大量逼真完備的實驗設備，解放了學生的思想，相應的研究過程中碰到的問題也就越多，為了滿足學生探索的需求與我們日常面臨的挑戰，我們的路任重而道遠。

隨著人們對虛擬仿真技術的逐步完善，虛擬仿真技術的應用范圍越來越廣，下一步我們將搜集更多的文字、圖片、音頻、動畫等素材，組建更多的虛擬仿真實驗模型，讓虛擬仿真技術更好地服務于運動生理學及各個學科的實驗，尤其是以后更可以豐富中小學課堂的教學課堂。通過虛擬仿真技術的應用讓學生處于一種多層次、多角度、立體化的學習空間中，直觀真切地感受到外部因素變化對身體的影響，改善了學生對體育運動的理解形式，提高了運動生理學課程的趣味性，提高學生學習運動生理學實驗的積極性，也提高了學習效率。虛擬仿真技術的廣泛應用，必將使運動生理學迎來新的生機和活力，根據教師的指導得到更加專業的技能訓練，使人們更加科學的通過體育訓練，改善人體技能，提高身體素質。

四、小結

體育學科是一門理論與實踐完美結合的基礎學科，越來越受到學生及普通民眾的歡迎。運動生理學作為體育科學的輔助學科也是一門非常重要的理論課程，他主要研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體的內部結構和機能的動態變化規律，進而探討出完善人體運動能力發展的科學機理，指導人們科學準確的完成各種訓練。虛擬仿真技術作為一門理論與科學結合的科學手段，極大地提高了運動生理學實驗的可操作性和趣味性，滿足了當前運動生理學實驗的操作需求，可以加深學生對實驗的認識，使學生通過豐富多彩的教學手段，多層次、多角度、立體化、真實化的得到專業便捷的技能訓練，加深學生對實驗內容的理解和鞏固，提高學習的效率和應用的直觀性，更加深刻地理解所研究的內容和意義，從而提高運動生理學實驗課的應用效果。

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責任編輯：彭海多