VR 技術(shù)在高校自然水域游泳救生課程教學中的應(yīng)用

◆韓海波

（廣東海洋大學 體育與休閑學院 廣東 524088）

1 前言

推進教育現(xiàn)代化是新時期構(gòu)建教育強國的重要內(nèi)容，而教育信息化則是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要抓手。2019 年2 月27 日，教育部發(fā)文要求深入落實《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《教育信息化2.0 行動計劃》，明確將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教育工作要點。目前主要應(yīng)用于游戲、航空、旅游等多個領(lǐng)域[1]。隨著高校教育教學改革和現(xiàn)代教育信息化發(fā)展步伐的加快，VR 技術(shù)也逐漸應(yīng)用到高校教育教學中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用下的沉浸式虛擬課堂將打破大學體育專項課程現(xiàn)有的教學形式、教材體系以及堂授課方式。虛擬現(xiàn)實＋傳統(tǒng)教育的模式已經(jīng)一步步改變著教育體系[1]。在國家體育強國戰(zhàn)略、海洋經(jīng)濟戰(zhàn)略的陸續(xù)實施中，作為高校社會體育專業(yè)方向的濱海體育休閑管理專業(yè)也迎來了新的機遇，課程改革也相應(yīng)隨之發(fā)生變化。作為該專業(yè)的核心課程之一的自然水域游泳救生課程，具有課程理論性強、教學手段形式特殊的特點。在教學過程中存在安全風險高、環(huán)境多樣性、成本投入大、組織復(fù)雜等實際問題，如何安全教學和安全實踐訓(xùn)練是擺在相關(guān)高校面前非常重要的課題。

2 自然水域游泳救生課程教學與實踐存在的問題

“自然水域游泳救生”課程是濱海體育休閑管理專業(yè)開設(shè)的主要核心課程，內(nèi)容包含了實用游泳技術(shù)，水中自救、水中赴救、救援、陸上救援及心肺復(fù)蘇、如何識別危險及解決方法等理論及技能。課程具有高危性、多樣性和復(fù)雜性特點，在教學與實踐訓(xùn)練中需要考慮自然環(huán)境客觀因素和學生個體身體狀況等特點，教學傳授難度較大。

傳統(tǒng)教學主要以教師傳授教學為主、結(jié)合圖片、借助多媒體視頻講解，盡可能地將枯燥、復(fù)雜的專業(yè)知識灌輸給學生，但教學效果一般；除了校內(nèi)進行模擬實訓(xùn)現(xiàn)場教學，學生可進行直觀學習，但仍然與將來面對的工作環(huán)境及社會真實環(huán)境不太相同；因此也設(shè)置了校外實踐基地，但由于受限于學生人數(shù)、訓(xùn)練時間、環(huán)境不可控等因素影響，學習效果同樣也不太理想。另在校企合作的實踐實習環(huán)節(jié)，是讓學生全面系統(tǒng)地參與實踐操作，但該環(huán)節(jié)危險性大，提供崗位數(shù)量也十分有限。所以自然水域游泳救生課程要達到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學目標，教師必須要針對性解決問題，要結(jié)合專業(yè)的性質(zhì)，運用科學手段進行教學模式的改革。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）[2]是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。這里的“虛擬世界”又被稱為虛擬環(huán)境，是指具有真實感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實世界的真實再現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。操作者可以通過視覺、聽覺和觸覺等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場景，所以VR 技術(shù)為人機交互提供了新的交互媒體。通常VR 系統(tǒng)具有多種輸出形式（如圖形、聲音、文字等）和處理多種輸入設(shè)備的能力，并且能夠進行碰撞檢測、實時交互、視點控制及復(fù)雜行為建模等[3]。體育系統(tǒng)仿真是一門實驗技術(shù)科學，它是通過計算機模擬技術(shù)再現(xiàn)教練員的訓(xùn)練意圖、體育教師的教學經(jīng)驗、管理者的組織方案和學生的實踐過程，從而達到對體育系統(tǒng)的分析、解釋、組織、預(yù)測、評價的一種實驗技術(shù)科學。基于VR 的仿真強調(diào)多感知性、構(gòu)想性、沉浸感和交互性等特征，也恰恰正是需要學生多種感覺（如視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等）的共同參與。因此，隨著VR 技術(shù)進一步發(fā)展，基于VR 的仿真必將在體育教學領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

4 VR 技術(shù)在自然水域游泳救生課程中的應(yīng)用

基于VR 技術(shù)的多方面優(yōu)勢，其在高校體育教學與實踐訓(xùn)練的使用也逐漸普及和推廣，應(yīng)用前景廣闊。虛擬現(xiàn)實仿真教學系統(tǒng)是結(jié)合教學內(nèi)容需要制定的一種VR 應(yīng)用，是針對特定教學內(nèi)容進行的3D數(shù)字內(nèi)容的模擬開發(fā)。學科的訓(xùn)練條件、環(huán)境和流程借助了3D 立體顯示設(shè)備模擬或3D 虛擬環(huán)境，使學生能夠獲得和真實環(huán)境相近或者相似的實訓(xùn)體驗，起到部分替代或者替代實踐教學效果的作用。就目前來看，在自然水域游泳救生教學與實踐訓(xùn)練中應(yīng)用VR 技術(shù)主要有以下幾個方面：

4.1 構(gòu)建仿真溺水安全事故情景

利用VR 技術(shù)安全系統(tǒng)分析方法，借用相關(guān)軟件模擬出接近真實的事故場景，包括自然水域開放場所涉及的波浪、潮汐、漩渦、風力、雷電、暗流、時間、危險物等具體過程及影響情形。比如在暗流仿真中，可以進行不同形式的設(shè)定，只需要在相關(guān)系統(tǒng)程序中將水的交匯、潮汐、大浪及水下地形落差等相關(guān)參數(shù)輸入進去，就能得到水面翻滾、水流迂回或逆流等不規(guī)則的最終危害性暗流結(jié)果。通過仿真這種方式對事故模式及影響，這樣不僅僅使學生直觀了解事故環(huán)境的危險性，同時也減小親臨現(xiàn)場參加學習的危險。

4.2 建模仿真救援器材布局及其環(huán)境

對自然水域的真實環(huán)境及相關(guān)救援流程等進行可視化建模仿真，通過頭盔式顯示器（VR 眼鏡）、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和其他設(shè)備來實現(xiàn)虛擬自然水域的三維空間漫游。學生可以利用數(shù)據(jù)手套對實用游泳技術(shù)與器材使用、赴救技術(shù)、現(xiàn)場急救等進行操作，并對各類參數(shù)下的救援設(shè)備設(shè)施運轉(zhuǎn)進行模擬操作，使得學生在虛擬情境學習中能更快更準確地掌握，并完成相關(guān)救援流程及操作，達到訓(xùn)練效果。

4.3 仿真相關(guān)環(huán)境直接管理環(huán)節(jié)

對自然水域場地設(shè)置與管理環(huán)節(jié)進行仿真，可以使得學生身臨其境，擺脫了書本對自然水域場地抽象的文字描述。同時解決了教學中無法提供實地觀摩不同類型自然水域的困擾，各種相關(guān)救援器材的擺放、使用方法及保管的環(huán)節(jié)都可以通過虛擬的設(shè)備來進行培訓(xùn)，使授課內(nèi)容不再平淡乏味，通過大量翔實、直觀、生動的虛擬情節(jié)，使教學的主要方式更加生動有趣。

4.4 教學仿真查找安全隱患

作為將來自然水域救援的相關(guān)從業(yè)人員，對實際工作現(xiàn)場安全檢查是必不可少的部分。但由于自然水域現(xiàn)場安全隱患的存在方式千差萬別，不同自然環(huán)境又存在不同的安全隱患，如果僅憑教師在課堂舉例，學生想象中理解，是很難真正掌握現(xiàn)場的實際檢查，實質(zhì)是紙上談兵。針對安全檢查利用VR 技術(shù)逼真還原或者模擬構(gòu)建自然水域環(huán)境中不同活動場地的安全隱患場景、安全事故發(fā)生的真實場面，通過手的觸摸、視角的轉(zhuǎn)換，可進行各個角度地觀察環(huán)境，更加有立體感地查找安全隱患。同時系統(tǒng)還可具有提示性操作，模擬極少出現(xiàn)或不易查找的事故隱患；同時如果學生未采取合理措施，相應(yīng)后果的嚴重性也會及時展現(xiàn)在面前，讓學生更加深刻了解自然水域在管理中的安全隱患。

4.5 仿真救援流程演練實訓(xùn)

利用VR 技術(shù)構(gòu)建自然水域突發(fā)事件的救援場景模擬系統(tǒng)，讓學生在逼真的環(huán)境（如溺水、水上脊柱損傷、開放性損傷和海洋生物致傷等）中應(yīng)對處置。對于事故的成因、事故的發(fā)展、事故救援處置等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以進行完全模擬仿真，同時也及時將學生救援演練動作進行場景反饋，擺脫以往學習人數(shù)眾多、演練場景單一、教師反饋不及時的傳統(tǒng)方式。由學生獨立控制擔任的角色，完成自然水域救援緊急處理或救援流程。在學習過程中，根據(jù)學生選擇錯誤的地方，系統(tǒng)即時在界面顯示，學生根據(jù)提示及時糾正。在某個學習片段培訓(xùn)后，學生還要進行課后小結(jié)，包括錄像回放、小組互評自評、教師評價及評分、規(guī)范救援流程、展示規(guī)范救援、即時系統(tǒng)補充完善 6 個組織環(huán)節(jié)。通過多個環(huán)節(jié)的學習、復(fù)習、查漏補缺不足，不僅提高學生的學習效率與積極性，同時也促進救援水平的提高。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在自然水域游泳救生培養(yǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為自然水域游泳救生課程的學習與實踐能力的培養(yǎng)提供了非常大的支持，不僅豐富了原有的傳統(tǒng)的教學方法和實踐活動，改善了學生人數(shù)眾多，真實環(huán)境實踐能力培養(yǎng)落實不到位的現(xiàn)狀，也拓展了教學實踐能力培養(yǎng)的渠道。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)出多種形式的自然水域場所、現(xiàn)場氛圍、救援技能的訓(xùn)練環(huán)境，能夠調(diào)動課程學習的積極性，增強學習興趣。

5.1 提升教學與實踐的效果

與傳統(tǒng)案例式教學相比，借助于VR 技術(shù)虛擬相似的自然水域游泳救生場景、相應(yīng)救援設(shè)施與設(shè)備模擬進行教學實踐，可以為學生提供更生動的現(xiàn)實交互體驗，讓學生在學習解決問題的過程中對不同的救援環(huán)境、親身操作虛擬救援設(shè)備、檢測存在類似安全隱患、模擬救援流程等實驗環(huán)境更為直觀，使得學生在學習與實踐過程中獲得真實的體驗，提高學習興趣，發(fā)揮主體能動性，讓教學過程變得易于理解和操作，提高將來的實際工作技能。

5.2 緩解教學時間的限制

在自然水域游泳救生課程培養(yǎng)中，受到學生眾多、救援設(shè)備少、相似實踐場所不多、天氣變化影響等因素的影響，傳統(tǒng)的教學活動的時間往往會受到很大的限制，縮短了學生實踐時間，難以滿足學習需求，最終造成實踐能力下降，學習周期加長，時間跨度大的結(jié)局。VR 技術(shù)使實踐環(huán)境、實踐設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理都由計算機進行，實驗采用軟硬件結(jié)合，適用可以反復(fù)、不受人數(shù)限制、有利于增加實踐的時間，打破傳統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)時間上的限制，極大地提升了教學設(shè)備功能的多樣化和設(shè)備利用率。例如，自然水域游泳救生的實地實踐進程中，受限于環(huán)境的危險性，往往安排學生人數(shù)有限，減少某個學習環(huán)節(jié)，短時間內(nèi)無法完成學習內(nèi)容，甚至部分學生只完成某個救援角色的學習，而不能很好完成教學任務(wù)。

5.3 提高教學安全的可靠性

自然水域游泳救生課程的教學項目由于學生的動作失誤、器材不熟練、環(huán)境變化不可測等等都會產(chǎn)生一些不良的教學安全隱患，比如在自然水域游泳救生課程的實踐能力培養(yǎng)中，急流中學生疲憊抽筋、海灘救生板遇到大浪等等。這些突發(fā)情況對學生自身產(chǎn)生危害。因此學校出于安全考慮，一般不鼓勵、不允許學生做存在危險隱患的動作和不可預(yù)測的突發(fā)事件，因此，許多接近真實工作性質(zhì)，又具有一定風險的教學實踐活動，學生都無法參與，不能夠獲得直觀認識和體驗。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠有效避免真實環(huán)境學習中存在的危險，對于一些危險系數(shù)相對較高和不可控的教學實踐，通過仿真虛擬實踐訓(xùn)練，讓學生熟悉相關(guān)基本動作與操作流程的要領(lǐng)和要求之后，再根據(jù)教學要求在與虛擬環(huán)境相似的真實環(huán)境中去實踐，從而保證實踐的安全，消除危險，解決部分教學內(nèi)容在現(xiàn)實中難以操作的實踐環(huán)節(jié)，讓各個學生達到教學實踐操作的機會。

5.4 豐富課堂教學的多樣性

傳統(tǒng)的課堂教學以教師講學生聽課的模式，不僅缺乏交互性，形式單一枯燥，學生積極性差，對在教學環(huán)節(jié)過程中難以替代技能與實踐環(huán)境的部分，口述或一些非直觀的演示都難以完成，因此現(xiàn)行的教學模式已經(jīng)遠遠無法滿足自然水域游泳救生課程的教學與實踐。隨著電子信息化、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，當代大學生幾乎是在電子游戲陪伴下長大的，任務(wù)、級別、獎勵、排名、互動、及時反饋機制的游戲規(guī)則都構(gòu)成了生活的部分思維模式。因此，無論在真實場景還是網(wǎng)絡(luò)虛擬教室，游戲化教學一定是吸引學生注意力的最有效方式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作正好與游戲化教學相融合，除了擺脫教學對客觀事物的依賴，同時虛擬空間的游戲元素，學生自主選擇角色，模擬角色身份的參與，學習片段的闖關(guān)任務(wù)等等，豐富了教學方式的形象化與生動化，讓學生真正發(fā)揮主體能動性，同時通過沉浸式和體驗式的學習情境，使學生如“身臨其境”，提高學習效果，完成“情境化教學”。

6 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實仿真教學系統(tǒng)通過逼真模擬自然水域游泳救生課程教學與訓(xùn)練的自然環(huán)境、教學條件和教學流程，改變了傳統(tǒng)的課堂教學模式，使學生能夠獲得與現(xiàn)實相近的教學實踐體驗，達到部分替代實踐效果的作用。同時解決了資金、安全教學成本、教學效果、教學環(huán)境、教學資源緊缺等現(xiàn)狀，這為社會體育專業(yè)的濱海體育與休閑管理專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的發(fā)展思路。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，開展結(jié)合虛擬現(xiàn)實的傳統(tǒng)教學模式改革，實現(xiàn)優(yōu)化和創(chuàng)新，虛實結(jié)合現(xiàn)有的教學模式，實現(xiàn)了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標，為學生可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對高校教學改革具有較強的實踐參考意義。