虛擬仿真技術在運動解剖學實驗教學中的應用前景分析

李志剛 馬梅玉

【摘要】虛擬仿真技術應用于實驗教學是教育現代化的重要方向。傳統的運動解剖學實驗存在實驗項目單一、教學資源匱乏等問題，已經無法滿足創新性人才培養的需要。虛擬仿真實驗與傳統實驗教學有較高的互補性。因此，本文通過對虛擬仿真技術在運動解剖學實驗教學中的應用進行論證，旨在改進實驗教學模式，提高學生的實踐創新能力，切實提升教學質量。

【關鍵詞】虛擬仿真? 實驗教學? 教學模式改革

【課題項目】廣西高等教育本科教學改革工程一般項目A類：《虛擬仿真技術應用于體育專業實驗課程教學的改革和實踐》，課題編號：2019JGA299;百色學院校級教學改革工程項目：休閑時代背景下社會體育指導與管理專業實踐教學模式的改革與實踐，課題編號：2019JG36。

【中圖分類號】R-4;G642 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）15-0178-02

一、引言

信息技術的快速發展，為教育現代化奠定了堅實的基礎，帶來了教育的模式和方法的變革。實驗教學是理論教學的一種延續，學生通過親歷實驗過程，能夠將所學理論知識消化吸收并轉化為實踐技能[1]。虛擬仿真實驗教學平臺的建設順應了信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了開放平臺和優質資源，彌補了現有實驗教學的固有短板，能夠切實提高實驗教學的質量，是教育現代化的重要發展方向[2]。

一、虛擬仿真技術的概述

仿真技術是通過建立研究系統的模型，結合環境（實際的或模擬的）條件進行研究、分析和實驗的方法[3]。虛擬現實技術（Virtual Reality Technique， VR）是多個信息技術的綜合應用，其中包括數字圖像處理、多媒體技術，傳感器技術等[4]。仿真技術與虛擬現實等技術結合演化出了功能更為強大的虛擬仿真技術，其是依托互聯網、多媒體、虛擬現實、人機交互等技術不斷發展的結果。目前，已有包括屏幕仿真技術、加入可穿戴傳感器計算機屏幕畫面虛擬仿真技術、加入專用傳感器并阻斷操作者視力虛擬現實技術以及增強現實技術等教育領域廣泛應用[5]。另外，根據參與者的體感，虛擬仿真技術又分為非沉浸式和沉浸式兩大類。隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術的“概念”也不斷變化，功能也愈加強大。

二、虛擬仿真技術適用于運動解剖學實驗教學

體育運動的本質是能量供應下的身體活動，因此，探究體育運動的規律，必須建立在了解身體的形態結構基礎之上。運動解剖學是在研究人體正常形態結構基礎上，重點分析運動對人體形態結構、生長發育的影響作用，并結合技術動作要求和解剖學知識對體育教學進行指導。運動解剖學一直是體育專業的主干課程，也是一門應用性非常強的課程，該課題分為理論和實驗教學兩部分。實驗教學是對理論學習的補充和驗證，是提高學生動手能力，培養學生探究性學習和創新的關鍵[8]。但目前我國運動解剖學實驗教學中存在實驗項目類型單一、教學模式陳舊和教學資源有限等諸多問題，不利于人才培養的質量。而虛擬仿真技術的使用則可以起到以下作用：

（一）豐富實驗教學內容

虛擬仿真系統借助現代計算機仿真技術，能夠動態地模擬實驗步驟、操作技巧和實驗結果，使學生在非實物的狀態下完成實驗過程，強化理論學習效果。運動解剖學課程實驗主要是驗證性實驗，多通過模型、標本進行演示，學生模擬觀察。然而模型器官不能完全還原真實器官的形態，在人體中的位置及毗鄰，導致學生學習過程中無法建立起完整的人體器官立體形態印象。虛擬仿真平臺在運動解剖學實驗教學中的應用，可以通過“屏幕仿真技術”建立數字生物模型，可以直觀明了地了解各個部位的名稱，不同部分之間的毗鄰，還可以將各個系統、器官以及組織進行拆裝并進行結構的觀察，解決了多數非醫學院校缺乏人體解剖室和標本館的難題，如“3D Body”軟件和“國希望-云解剖”學習網站等資源的利用，使得傳統的教學元素實現了數字化、自動化、模擬化和立體化，生動、可操控的學習內容。

（二）節約實驗成本

人體是由功能不同的九大系統構成，每個系統又有若干不同的器官組成，每個器官又包含一些特殊的結構以及種類繁多的細胞。另外，由于學生人數增多，學生對實驗教具的需求也增多，因此，想要通過模型和掛件等全面地展示人體的不同結構，就得采購數量龐大、價格不菲的實驗教具。在運動解剖學實驗教學平臺建設中引入虛擬仿真技術，可以對整個人體進行系統的學習，首先分器官、分系統逐個進行研究建模，然后將各個部分聯系起來構成完整的人體，可使本來操作相當復雜的實驗變得簡單。除此之外，一些實驗項目還需要采購人體和動物的標本，不僅標本本身價格高昂，配套的實驗設備也需要大量的經費投入，且需要長期的維護更新。虛擬仿真技術的應用相對降低了實驗室建設投入，購買虛擬仿真軟件或虛擬教學資源的使用權所花費用低于標本、模型等的支出，且可以循環使用，利用率高，大大提高了獲利受眾面和人數，同時降低了維護更新的成本[6]。

（三）改變教學模式，優化教學方法

通過數字仿真教學資源的建立，使得如“翻轉課堂”“以問題為基礎的學習（Problem Based Learning，PBL）”等學習模式或方法更好地推進，學生課前先通過個人操作、學習，總結實驗過程中遇到的問題，并試著查閱資料解答，正式上課時，學生分組演示，教師指導，將實驗過程中的問題進行集中的討論解答。另外，實驗的考核可以通過虛擬仿真教學平臺來實施，在這個過程中可以對學生的操作步驟、實驗完成度進行定性和定量的分析，避免了傳統實驗考核的單一片面的問題。從而彌補了教學改革過程中教學資源不足的問題，同時降低了教師的工作量，一定程度上緩解了師資不足的困境。這些新的教學模式、方法的應用能夠提高學生自主學習的意愿，培養學生發現問題、解決問題的科研精神，極大地促進了地方高校應用型人才培養的質量。

（四）提高學生的創新實踐能力

運動解剖學實驗教學內容主要是對構成人體不同系統的器官進行觀察，教學內容繁冗，而大部分高校開設的實驗教學課程在16個課時左右，偏向于現象演示和理論驗證，如將人體的骨骼肌的觀察分為上肢骨骼肌的觀察、下肢骨骼肌觀察和軀干骨骼肌觀察，這種教學安排割裂了各個實驗學習內容之間的相互聯系，增加了體育專業學生學習的難度，不利于學生綜合解決問題的能力及創新能力的培養。與之相反，虛擬仿真技術則提高了學生實驗的容錯率，降低了實驗的難度，學生對實驗原理和步驟形成了直觀、系統的認知，提高了學生的參與感和自信，實驗效果達到預期目標。并且輕松、充實的實驗更有利于激發學生的求知欲，豐富了學生的創新思維，有效形成學以致用的理念，更加提高了直接解決實際問題的能力[7]。

三、結語

虛擬仿真技術在實驗教育中的應用是我國實現教育現代化的重要布局。虛擬仿真技術在運動解剖學教學中應用，創新了教學模式，豐富了教學資源，打破了實驗教學的時空限制，提高了學生的自主學習、創新實踐能力。但在應用虛擬仿真技術時，應遵從能實不虛、虛實結合，靈活地選擇多媒體設備進行學習。另外，虛擬現實技術是綜合性實驗一個較為理想的選擇，但涉及到的交互設備制造難度普遍偏大，同時采購成本極高[8]。因此，應從頂層政策設計出發，倡導合理的資源共享模式是促進教育公平，建設學習型社會的必由路徑。

參考文獻：

[1]任明秀.電力系統及其自動化專業實驗課改革思考[J].中國電力教育，2013，2（261）：141-142.

[2]郭婷.虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究[J].實驗技術與管理， 2019，36（10）：215-217+220

[3]顧銀芳，苑士華，李瑋等.仿真技術的發展與展望[J].河北工業科技，2000（5）：36-39.

[4]陳雁飛.虛擬現實技術綜述[J].機械制造與自動化，2004（5）：5-7+10.

[5]魏民.在職業教育應用視角下的VR/AR技術[J].中國電化教育， 2017（3）：10-15

[6]孟卉，李淵.一種基于Web3D技術的虛擬仿真實驗實現方法[J].電腦與信息技術，2019，27（2）：1-4+10.

[7]方振華.虛擬仿真技術在人體解剖生理學實驗教學中的應用[J].教育現代化，2017，4（34）：150-151

[8]張飛云，張彤.虛擬現實技術在競技體育仿真中的應用分析[J].自動化技術與應用，2019，38（9）：162-164.

作者簡介：

李志剛（1986年-），男，漢族，山東青州人，講師，碩士研究生，研究方向為體育專業理論課實驗教學改革。

馬梅玉（1985年-），女，回族，湖北鶴峰人，講師，碩士研究生，研究方向為體育專業理論課實驗教學改革。