虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊辰 宋雅偉 馮茹

(南京體育學(xué)院 江蘇南京 210014)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國(guó)信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容。2019年教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），指出課程質(zhì)量直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量，因此必須深化教育教學(xué)改革，將改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上[1]。根據(jù)《意見(jiàn)》內(nèi)容，2019年至2021年間將認(rèn)定1500門左右的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要措施，也是未來(lái)教育改革的發(fā)展方向。

體醫(yī)融合背景下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才的重要途徑。“健康中國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施以及《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)施健康中國(guó)行動(dòng)的意見(jiàn)》等文件的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)已從國(guó)家層面著手應(yīng)對(duì)當(dāng)前突出的健康問(wèn)題[2]。體醫(yī)融合作為實(shí)現(xiàn)“健康中國(guó)”的重要舉措，由戰(zhàn)略規(guī)劃進(jìn)入到實(shí)質(zhì)發(fā)展階段。這也對(duì)體育院校人才培養(yǎng)和課程建設(shè)提出了新要求，尤其對(duì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)類專業(yè)的學(xué)生而言，實(shí)踐操作能力是其立足之本，在教學(xué)過(guò)程中融入更多情景式、啟發(fā)式和互動(dòng)式的教學(xué)方法和技術(shù)將更有利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與應(yīng)用[3]。

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)將力學(xué)、運(yùn)動(dòng)科學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合，是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科[4]。人體結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特征是運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)課程理論和實(shí)踐研究的關(guān)鍵，但由于人體結(jié)構(gòu)和力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜且評(píng)估和康復(fù)手段較為多樣，其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不易被直觀展現(xiàn)與理解。將虛擬仿真技術(shù)融入運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過(guò)仿真模型展現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)，通過(guò)情景模擬強(qiáng)化功能認(rèn)知，以問(wèn)題為導(dǎo)向推動(dòng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中做真實(shí)驗(yàn)[5]。

該文以“脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例，從該項(xiàng)目的教學(xué)目的、主要內(nèi)容與考核方式等方面入手，探討虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與優(yōu)勢(shì)，為虛擬仿真技術(shù)在相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的推廣與應(yīng)用提供更多參考。

1 傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的劣勢(shì)

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)課程最早由南京體育學(xué)院于1999年率先為學(xué)校康復(fù)類相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生開(kāi)設(shè)。該課程把運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和醫(yī)用生物力學(xué)的原理與方法及其在臨床康復(fù)中的應(yīng)用成果綜合成為一個(gè)新的課程體系[6]。課程不僅要求學(xué)生掌握人體運(yùn)動(dòng)的基本力學(xué)原理和人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的生物力學(xué)特性，還要求學(xué)生能夠?qū)⑦@些理論應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和臨床康復(fù)的實(shí)踐中。目前，運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括三維攝像測(cè)量和解析、紅外運(yùn)動(dòng)捕捉測(cè)試、三維力測(cè)量和骨材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。但在現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，仍存在一些問(wèn)題。

1.1 理論知識(shí)抽象

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)課程的學(xué)習(xí)需要具備一定數(shù)理基礎(chǔ)，并要求學(xué)生具有抽象思維和邏輯推理能力[7]。這對(duì)教學(xué)提出了更高的要求，單一的課堂教學(xué)模式和講授式的教學(xué)方法都無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)于抽象概念的理解。部分學(xué)生也反映對(duì)理論知識(shí)的掌握較為吃力，這也可能降低學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣與效果。

1.2 實(shí)踐能力不足

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)手段和方法為主的應(yīng)用型課程[7]。婁彥濤[8]總結(jié)了沈陽(yáng)體育學(xué)院近年來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與效果，認(rèn)為在充分保證課程總學(xué)時(shí)的前提下，應(yīng)安排不少于1/3的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但在課程實(shí)際開(kāi)展中，仍存在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排較少的情況，無(wú)法有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地短缺

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的測(cè)試手段涉及很多價(jià)格高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地也有一定要求[9]。但是國(guó)內(nèi)一些高校由于經(jīng)費(fèi)投入等問(wèn)題，缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和場(chǎng)地，造成部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展，影響教學(xué)效果。

1.4 教學(xué)方法有局限

多數(shù)運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程以驗(yàn)證或演示為主，缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10]。這導(dǎo)致教學(xué)中教師占主導(dǎo)，而學(xué)生只能被動(dòng)接受，很難培養(yǎng)其獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。并且多數(shù)運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程漫長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一次實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)長(zhǎng)。因此，某些實(shí)驗(yàn)操作只能由教師代替完成，學(xué)生參與感下降，進(jìn)一步影響了學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

2 虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 教學(xué)方法創(chuàng)新

在運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生多數(shù)情況下只能在教師示范中進(jìn)行想象與思考，無(wú)法自行操作。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可通過(guò)模擬不同場(chǎng)景，讓學(xué)生身臨其境地感受運(yùn)動(dòng)損傷的產(chǎn)生過(guò)程及機(jī)制，這將大大提高學(xué)生應(yīng)對(duì)具體問(wèn)題的分析能力，提高了教學(xué)過(guò)程中師生之間的互動(dòng)性和探究性。

2.2 評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以實(shí)時(shí)觀察學(xué)生對(duì)人體形態(tài)、功能、評(píng)估與康復(fù)的掌握情況，同時(shí)也有效地避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能考查學(xué)生理論知識(shí)和簡(jiǎn)單操作能力的局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑u(píng)價(jià)。

2.3 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)全天候的開(kāi)放共享服務(wù)，同時(shí)，可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重復(fù)使用性強(qiáng)、安全系數(shù)高和低成本等優(yōu)點(diǎn)。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)課程，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間與空間，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度與深度。

3 運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例

基于運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可以更有利于將抽象的理論知識(shí)直觀展現(xiàn)給學(xué)生，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)不足、設(shè)備與場(chǎng)地受限等狀況，并可以在教學(xué)中加入更多綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，從而加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。針對(duì)以上原因，南京體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)率先建立完成了“脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

3.1 教學(xué)目的

該項(xiàng)目的目的在于在前期理論知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行情景模擬的教學(xué)方法，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中綜合性的開(kāi)展脊柱形態(tài)認(rèn)知、力學(xué)分析、評(píng)估與康復(fù)等實(shí)驗(yàn)操作，并通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式，加深學(xué)生對(duì)脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在探究學(xué)習(xí)的過(guò)程中形成對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的自主構(gòu)建。

通過(guò)“脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使學(xué)生：（1）掌握脊柱相關(guān)的解剖學(xué)和生物力學(xué)原理，了解脊柱各節(jié)段的組成及力學(xué)機(jī)制；（2）掌握脊柱形態(tài)和功能的評(píng)估過(guò)程，通過(guò)三維仿真場(chǎng)景展示評(píng)估脊柱的主要設(shè)備，熟悉其構(gòu)造和原理，掌握其操作要領(lǐng)；（3）掌握脊柱相關(guān)疾病的損傷原理和康復(fù)方法，通過(guò)模擬脊柱評(píng)估的異常結(jié)果，選擇適宜的運(yùn)動(dòng)康復(fù)手段。

3.2 主要內(nèi)容

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由脊柱認(rèn)知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)康復(fù)四個(gè)環(huán)節(jié)組成，包括了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識(shí)，以及儀器操作、損傷評(píng)定和康復(fù)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

3.2.1 脊柱認(rèn)知

該環(huán)節(jié)主要以三維模型展示出脊柱的形態(tài)結(jié)構(gòu)，學(xué)生可通過(guò)旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等方式全方位觀察脊柱的組成與運(yùn)動(dòng)。在更為直觀地了解脊柱結(jié)構(gòu)后，該環(huán)節(jié)還要求學(xué)生完成脊柱及其基本功能單位的重新“組裝”，即將相應(yīng)椎體和韌帶等安置在適宜的位置上，以達(dá)到學(xué)習(xí)強(qiáng)化的作用。

3.2.2 脊柱篩查

該環(huán)節(jié)主要以情境模擬為主展示脊柱的動(dòng)、靜態(tài)評(píng)估過(guò)程，學(xué)生可以通過(guò)操作身體姿態(tài)測(cè)評(píng)系統(tǒng)和電子脊柱測(cè)量?jī)x來(lái)完成脊柱形態(tài)和功能的篩查，并判斷篩查對(duì)象所存在的脊柱問(wèn)題，給出評(píng)定意見(jiàn)。

3.2.3 力學(xué)分析

該環(huán)節(jié)涉及基本知識(shí)的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)操作兩部分的內(nèi)容。基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用主要包括：（1）測(cè)算不同頸部前傾角度下頸椎所受頭部重力矩的大小；（2）在胸椎節(jié)段的X光片上選取準(zhǔn)確的Cobb角測(cè)算點(diǎn)來(lái)評(píng)估脊柱側(cè)彎程度。

實(shí)驗(yàn)操作可使學(xué)生掌握肌力測(cè)試和材料力學(xué)測(cè)試的基本原理及流程，主要包括：（1）通過(guò)等速肌力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量軀干完成屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉力量；（2）通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)模擬椎骨受壓縮載荷時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.2.4 運(yùn)動(dòng)康復(fù)

該環(huán)節(jié)中主要以選擇題的形式由學(xué)生完成作答，題目主要針對(duì)不同脊柱疾病所對(duì)應(yīng)的康復(fù)治療方法，該部分得分將計(jì)入學(xué)生最終的考核成績(jī)。

3.3 考核方式

學(xué)生以個(gè)人身份登陸教學(xué)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)后進(jìn)入考核模式。實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容主要包括學(xué)生對(duì)脊柱結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)分析、診斷及康復(fù)等理論知識(shí)和實(shí)踐操作的掌握。任課教師的評(píng)價(jià)從學(xué)生出勤、課堂討論、實(shí)驗(yàn)考核等方面開(kāi)展，貫穿于在線學(xué)習(xí)的全過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)手段和方法為主的應(yīng)用型課程，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中仍存在理論知識(shí)抽象、實(shí)驗(yàn)課時(shí)與場(chǎng)地設(shè)備短缺、缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等限制因素。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以更直觀地呈現(xiàn)人體各部位結(jié)構(gòu)，通過(guò)虛擬場(chǎng)景的設(shè)定讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)擺脫空間和時(shí)間上的諸多限制，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度，也增加了學(xué)習(xí)的趣味性和考核方式的多樣性。以“脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，項(xiàng)目包括脊柱認(rèn)知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)康復(fù)4個(gè)環(huán)節(jié)，涵蓋了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識(shí)，以及儀器操作、損傷評(píng)定與康復(fù)等實(shí)踐方法。這對(duì)于學(xué)生更直觀、全面地了解脊柱運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才，有著重要意義。