體育虛擬仿真教學與實驗中心的建設與實踐

鞠明杰， 曾 理， 王 靜

(華東理工大學 體育科學與工程學院，上海 200137)

0 引 言

體育教育在高校教育中舉足輕重，而體育課則是高校體育教育的主要組織形式和重要載體，是所有專業的基礎課程之一[1-3]。現階段我國創新驅動型經濟發展趨勢明顯，對人才類型的需求也逐漸轉向中高端復合型，這就要求高校在人才培養及教學課程體系構建上要及時調整以適應時代發展需要[4]。我校虛擬仿真教學與實驗中心也是基于為社會經濟發展領域培養一批具有“終身體育和健康”意識的優秀畢業生，為國家戰略需求培養身體素質棒、綜合能力強的高端復合型創新人才這一目標而進行。

近年來，不少高校根據自身教學科研的發展需求，開發了相關虛擬仿真項目并建立實驗室[5-7]。根據對教育部文件要求詳細解讀[8]，并考察調研了其他兄弟院校的建設和發展經驗，我校體育課虛擬仿真教學與實驗中心始終堅持以思維創新為導向、能力培養為核心，不斷優化豐富課程內容，建立完整實驗教學體系，2017年獲批體育課虛擬仿真教學與實驗中心，除針對全體本科生開設32課時的公選實驗課程外(該實驗課程暫無學分)，還將體質健康測試項目和部分專項部分班級的體育課程納入其中，形成了具有較強示范和應用作用的大學生體育運動虛擬仿真教學與試驗平臺。平臺的開放不僅使學生了解了計算機仿真、計算機圖形及處理、人工智能、數字圖像處理等多領域的綜合性信息技術，也為學生充分掌握多種運動技術、避免復雜技術帶來運動傷害、激發運動自主能動性、培養“終身體育”意識提供了現實條件。

1 建設的必要性

1.1 高校體育課現存的不足之處

大學生的身體素質和健康意識對我國民族和社會發展意義重大，合理的大學體育課程內容和教學方式可以為大學生的個人發展奠定健康基礎，也可以為國家和民族進步提供人才保障。目前我國高校體育教學質量參差不齊，部分大學畢業生甚至不能掌握一項實質性的體育技能，更遑論“終身體育”的健康理念[9]。為貫徹黨的十九大報告關于“培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”精神，應追本溯源，解決高校體育課教育中存在的問題：①高校體育課程內容設置不合理，一般來講每門體育課程會包含1～2節理論課，但一項運動所涉及到的理論知識豈是2節理論課所能講授完全。此外，理論指導通常由教師獨立完成，缺少師生互動，課堂枯燥乏味，很難吸引學生深入學習；②高校體育課程教學模式單一，多數體育課仍采取教師演示動作，學生模仿學習的方式，不但缺乏趣味性和互動性的教學方法，不能吸引學生的注意力，而且教師不能掌握每個學生對動作要領的掌握程度。學生注意力不集中很難掌握正確動作要領，這會給學生帶來較大的運動受傷風險；③部分體育課程教學場地和器材不足，如學生感興趣的射擊、攀巖、戶外拓展和漂流等對場地建設要求較高的項目，滑冰、冰壺和冰球等對開展區域地理位置要求較高的項目，足球、田徑和龍舟等對天氣要求較高的項目往往都因為面臨教學場地和器材不足的問題而不能全面深入開展。④部分學生易發生傷害事故，學生身體素質弱、教師課堂精力有限、預防和保護措施不當等因素也導致課堂安全事故頻發。以男生多喜歡的扣籃為例，起跳時的發力原則、空中體型變化及落地時的收力保護措施等動作的完成都具有一定的危險性[10]。

1.2 虛擬仿真技術在體育領域應用

現階段虛擬仿真技術在體育領域的研究和應用，主要體現在體育訓練和體育教學上。在體育訓練方面，文獻[11-14]中有關學者認為，采用虛擬仿真技術進行體育項目訓練的優勢主要表現在：徹底打破時間、空間、場地和環境對運動員和運動項目的限制，在練習和掌握技術要領的同時，最大程度地降低訓練高難度和復雜技術動作潛在的運動損傷風險；可以對運動員整體動作和技術細節進行提取、分析并給出科學的評價和建議，不斷提高運動訓練的科學性和系統性；可以使青少年和大學生運動員對技戰術有更深刻的理解，并 以此提高其訓練水平和綜合素質，為我國競技體育后備人才儲備做出貢獻。

在體育教學方面，虛擬仿真技術在高爾夫教學上應用較多，如宋巍[15]以虛擬仿真技術獲取了高爾夫球擊球過程中擊球速度、擊球角度、桿頭運動軌跡和球飛行距離等數據并以之輔助教學。結果表明，以虛擬仿真技術輔助訓練的初學者在擊球速度和球飛行距離兩個指標上明顯優于對照組，并且擊球穩定性也更好。潘永剛[16]也將虛擬仿真技術應用到高爾夫課堂上，應用結果表明，同為初學者的實驗組學生，其7號鐵桿多項擊球數據明顯優于對照組。此外，還明確提出虛擬現實技術對技術動作的修正和掌握有積極作用，對提高技術課教學質量有顯著效果。盧劼[17]采用高爾夫球仿真模擬器進行分班教學，結果表明：實驗組在推桿穩定性和完整擊球技術動作的規范性都優于對照組，且差異顯著。

1.3 體育課引入虛擬仿真技術的必要性

在高校體育課上引入模擬仿真手段是極為重要且必要的，不但可以向學生展示現實課堂上教師無法展示的高難度、高風險的技術動作，而且通過仿真模擬訓練和現實真實運動訓練相互結合，讓學生既可以通過仿真模擬設備進行預練習，了解仿真模擬設備原理、掌握基本技術動作要領，也可以自行制定運動模式，然后再到現實中進行實際運動訓練，這樣可以提高大學生的學習興趣和主觀運動能動性，提高課堂效率和運動效果。同時，也可以讓學生先在現實中進行簡單動作的訓練，再進行虛擬仿真練習，這樣可以復習和加深對技戰術和技術動作的理解，提高肌肉記憶水平，有效提高體育課堂教學水平和學生整體專項素質。

2 虛擬仿真技術在體育課教學中的實踐

我校虛擬仿真教學和實驗面向所有專業本科生，包括實驗操作公選課、體質健康測試課和部分專項體育課，為大學生體質健康測試、運動損傷與康復理論課、體育項目技戰術理論課及專項體育課實踐教學提供實驗支撐。目前我校虛擬仿真教學體系涵蓋6個體測項目(肺活量、立定跳遠、坐位體前屈、引體向上、50 m跑和1 000 m/800 m跑)和7個專項體育課項目(龍舟、乒乓球、羽毛球、籃球、足球、排球、網球)。虛擬仿真技術在高校體育課的教學實踐應用中，可以真正實現虛擬人物臨場化，虛實環境互動化，運動項目全面化。在此基礎上，教學內容、學生能力培養和教學模式均發生明顯改變。

2.1 深化教學內容改革，提升學生學習效果

動作規范、正確是教學內容的必然要求，也是目前高校體育課教學的重點和難點:①教師自身難以保證動作的規范性及教師之間客觀上存在的教學水平差異；②部分強調速度的連續動作，如網球、羽毛球的“殺球”和籃球、足球的突破過人等，在現實中無法通過慢速動作展示給學生。而虛擬仿真技術可有效解決上述問題，將動作準確、規范的明星運動員通過光學運動捕捉系統獲得其技術動作的相關數據，利用成像技術展示給學生并使得其獲得標準動作的直觀認識，同時在學生身上安置電子肌肉貼片，將學生的技術動作模擬在計算機上，并與標準動作比照，從而矯正錯誤動作，并使規范動作定型；并通過畫幅速率近5 000幀/s的3D虛擬攝像機將高速度的技術動作以慢速播放形式清晰地展示給學生學習、理解并掌握，此外，足籃排等團體項目中，學生可通過調整虛擬場景的角度和方位全面觀察和分析非控球隊員的跑位、保護和防守等規范技術動作。

2.2 培養學生“終身體育”的意識

虛擬仿真實驗以往多是實際操作和工藝流程的虛擬化、網絡化，學生很難參與其中并形成互動。虛擬仿真教學與實驗中心在教學手段及形式上形成較大突破，通過將虛擬仿真實驗同理論教學、技術動作練習和綜合創新運用深度融合，以理論學習、運動表現及綜合運用能力培養為核心，以“終身體育”意識養成為目標，使之成為創新型人才培養體系的重要組成部分。

在基礎理論和專項技術教學中，教師在虛擬仿真系統中根據學生數量自動生成同等數量不同內容的思考題，并提前一周將部分線上虛擬仿真課程和思考題開放給學生，引導學生在仿真實驗中思考，而后帶著結論進入課堂同授課教師共同討論、展示，結合標準答案和仿真模擬實驗操作(見圖1)，進一步深化對基礎知識的理解和技術動作的掌握，培養學生自主深入學習的能力。

圖1 實驗創新模式實踐

在創新模擬仿真教學中，充分挖掘體育項目的競爭和娛樂屬性，在課堂上虛擬真實比賽和運動場景，對部分團隊項目，如足、籃、排等，采取“對戰”模式，即可由學生自由組隊，相互對抗，也可由教師建立一支實力較強的虛擬球隊，由學生隊伍輪番與其對戰，并考察每支學生隊伍的綜合表現。這樣即激發了學生參與運動的熱情，又使學生在運動中理解了體能及科學鍛煉習慣的重要性，從而實現其“終身體育”意識的培養。

2.3 改變傳統教學模式，提升本科教學質量

傳統體育課教學模式單一化、公式化，引入虛擬仿真技術可將教學、認知、情感體驗整合成學生可以自主學習并自我進步的交互式教學機制(見圖2)。這種新模式突破了傳統教學方法上對技術動作要領的機械記憶，而是強調加強理論知識學習，培養學生的運動項目整體思維和理念，即掌握運動項目理論、技術動作和技戰術并熟練運用之后能進行創造性的深化和延伸，達到具備一定的教學能力的目的；這種新模式還改變了傳統教學中教師所傳授內容抽象、空洞和過于晦澀的弊端，有利于形成積極、熱烈、娛樂性強的課堂氛圍，提升學生思維的積極性和創造性，促進學生自我學習并有助于形成團隊學習氛圍，學生更容易理解和掌握教學內容的重點和難點，可以正確的自我評價，發現問題積極改進并不斷進步。虛擬仿真技術真正實現將科技和體育深度融合，將課堂上抽象晦澀的理論知識、動作要領和技戰術具體化、形象化，將學生的視、聽、觸覺等融入到具體學習中，大大提升了體育課教學質量。

圖2 虛擬仿真技術對體育課的有效教學模式

3 虛擬仿真技術在體育課教學中運用成效

3.1 實驗對象

每個項目實驗組和對照組均選自于我校大二非體育學院公共體育整班，實驗周期為一學期共36學時(見表1)。

表1 實驗項目選取及參與學生情況

3.2 運動練習處方

實驗組：①根據運動動作技能的形成規律[18]，分別在第6周粗淺掌握動作階段、第10周動作鞏固階段和第14周動作熟練運用階段，利用環屏技術動作模擬分析系統對學生進行技術動作診斷和糾正；②課內組隊互助學習，實驗組學生可在課余時間進入實驗室利用該系統進行技術動作的診斷、糾正和練習；③利用華為運動APP布置學生課后30 min有氧跑，休息10～15 min后再進行5 min沖刺跑，每周2次；④每周2次力量訓練，訓練內容：6組自重深蹲+6組40 kg×20快速深蹲+6組自重硬拉+6組40 kg×15臥推+6組20 kg×10挺舉；

對照組：依然采用傳統課堂教學模式，不刻意改變學生課后生活節奏和鍛煉習慣，以課堂教師演示、學生模仿、教師憑經驗判斷并糾正學生技術動作為主要表現形式。

3.3 實驗指標測量(見表2)

表2 實驗測試項目及測量途徑

3.4 實驗結果與分析

3.4.1 實驗前實驗組與對照組的差異性檢驗結果與分析

從表3可以看出，實驗前各項目實驗組與對照組在理論知識、體能和運動技能水平等指標的P值都大于0.05，可以認為實驗組和對照組在上述指標上無差異，屬于同質樣本。

表3 實驗前各項目實驗對象各指標獨立樣本T檢驗

注：P<0.05為有統計學差異，P<0.01為有顯著統計學差異，P<0.001為有極其顯著的統計學差異

3.4.2 實驗后實驗組與對照組的差異性檢驗結果與分析

從表4可以看出，實驗后在理論課《運動損傷與康復》考試成績上，男生實驗組平均分為88.36，對照組平均分為73.65，經過T檢驗，P值為0.000；女生實驗組平均分為84.69，對照組平均分為71.43，經過T檢驗，P值為0.015。由此表明，實驗后實驗組男生與對照組男生在理論課學習上有極其顯著性差異(P<0.01)；實驗后實驗組女生與對照組女生在理論課學習上有顯著性差異(P<0.05)。

此外，實驗后實驗組與對照組在體能維度的人體平均功率上，測試數據經T檢驗后，男生組和女生組P值分別為0.000和0.008，表明實驗組與對照組均有極其顯著性差異，在1 km、人體最大功率和人體最大攝氧量上，測試數據經T檢驗后，男生組P值分別為0.042、0.035和0.028，女生組P值分別為0.034、0.048和0.036，表明實驗組與對照組均有顯著性差異。

表4 實驗后各項目實驗對象各指標獨立樣本T檢驗

技能維度的四組數據表明，籃球項目實驗組與對照組測試數據經T檢驗后P值為0.000，表明二者有極其顯著差異，足球、網球和羽毛球項目各自測試數據經T檢驗后，P值分別為0.021、0.042和0.032，表明足球、網球和羽毛球項目的實驗組和對照組有顯著差異。

4 結 語

隨著教育部提出虛擬實驗室校園建設的發展目標，虛擬仿真技術運用到高校體育課堂教學及訓練中順應了教育信息化發展潮流。中心充分利用自身學科和資源優勢，為具備“終身體育”意識的創新型人才培養提供成長土壤和成材環境。始終堅持“虛與實相結合，理論與實踐相結合”的教學和育人理念，在課上和課后以各種虛擬仿真技術對學生進行激勵，改變了傳統教學模式，優化了整體教學過程，提高了教學效率，激發了學生興趣；始終堅持創新人才應具備“終身體育”意識的培養理念，一手抓學生運動表現能力(身體素質)，一手抓學生技戰術綜合運用能力(創新能力)，努力做到“兩手硬”以更好地支撐我校“雙一流”建設。