虛擬仿真技術(shù)在普通高校棒球教學(xué)中的應(yīng)用

楊光，張蕾，黃濤，趙影

摘要：目的：構(gòu)建棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)并檢驗(yàn)其在普通高校棒球教學(xué)中的應(yīng)用效果。方法：以3D Studio Max和MAYA作為建模工具制作系統(tǒng)模型和環(huán)境場(chǎng)景。采用整群抽樣，選取同一學(xué)期、同一老師教授的2個(gè)棒球班，分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組開展傳統(tǒng)棒球教學(xué)和棒球虛擬仿真課件學(xué)習(xí)，對(duì)照組開展傳統(tǒng)棒球教學(xué)。學(xué)期末對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行虛擬棒球教學(xué)平臺(tái)的交互性、易用性和有用性的認(rèn)知情況的問卷調(diào)查，并對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行教學(xué)效果對(duì)比。結(jié)果：構(gòu)建了包括棒球場(chǎng)場(chǎng)景模塊、理論學(xué)習(xí)模塊和比賽模塊的棒球虛擬仿真桌面交互平臺(tái)。提高了學(xué)生對(duì)棒球理論知識(shí)的掌握、實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)熱情。實(shí)驗(yàn)組同學(xué)在理論、跑壘和滑壘專項(xiàng)技術(shù)上的得分顯著高于對(duì)照組。結(jié)論：虛擬仿真技術(shù)在棒球教學(xué)中的應(yīng)用能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)棒球教學(xué)中的場(chǎng)地缺乏、教學(xué)課時(shí)少等問題，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)棒球知識(shí)的興趣和實(shí)踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：棒球;虛擬仿真;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G807文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-2808（2021）06-0064-05

Abstract：Objective： The aim is to construct a virtual simulation platform of baseball teaching and test its application effect in regular institution of higher education. Methods： 3D Studio Max and MAYA were used to create system models and environmental scenes. Two baseball classes were divide them into an experimental group and a control group by cluster sampling， and the students taught by the same teacher and come from the same semester. The experimental group carried out traditional baseball teaching and baseball virtual simulation courses， and the control group only carried out traditional baseball teaching. At the end of the semester， the experimental group was asked to conduct a questionnaire survey on the cognition of the interaction， ease of use and usefulness of baseball virtual simulation platform， and the teaching effect of the experimental group and the control group was compared. Results： This study constructed a baseball virtual simulation desktop interactive platform which including baseball field scene modules， theoretical learning modules and competition modules. It has improved students mastery of baseball theoretical knowledge， practical ability and enthusiasm for learning. The scores of the students in the experimental group were significantly higher than those in the control group in theory， running and sliding techniques. Conclusion： The application of virtual simulation technology in baseball teaching can effectively make up for the lack of venues and short teaching hours in traditional baseball course， and improve students interest in self-learning baseball knowledge and practical application ability.

Key words：Baseball; Virtual simulation; Teaching reform

虛擬仿真技術(shù)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過人機(jī)交互營造近乎真實(shí)的視覺、觸覺、聽覺和動(dòng)覺等體驗(yàn)效果，具有沉浸性、交互性、真實(shí)性、安全性等特點(diǎn)[1，2]，能夠?yàn)轶w驗(yàn)者提供一種“身臨其境”的感覺。這就使得現(xiàn)實(shí)生活中無法呈現(xiàn)或重現(xiàn)的場(chǎng)景成為可能。2012年3月13日，教育部發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)化（2011—2020 年）》[3]，提出以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。2019年6月，在《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》中再次強(qiáng)調(diào)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(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)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[4]。從近年來教育部不斷發(fā)布的建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的工作目標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)，加快推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，已成為新時(shí)代高校教學(xué)改革的重要方向。

與此同時(shí)，高校傳統(tǒng)體育課堂面臨著學(xué)生實(shí)踐能力差、教學(xué)課時(shí)少、學(xué)生流轉(zhuǎn)性大、課程緊、差異化教學(xué)不足等困境[5，6]。尤其是棒球這種對(duì)場(chǎng)地要求較高、技術(shù)動(dòng)作復(fù)雜、比賽規(guī)則繁多的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，急需在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新的輔助教學(xué)手段幫助棒球教學(xué)走出困境。因此，將傳統(tǒng)棒球教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)改革亟待解決。本研究即是在響應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的前提下，以高校棒球課為改革試點(diǎn)，構(gòu)建棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。將現(xiàn)代信息技術(shù)與高校體育課堂教學(xué)結(jié)合，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活化了課堂教學(xué)內(nèi)容，又豐富了教學(xué)手段。在理論上回答了在新的改革趨勢(shì)下，如何將體育課堂要素分模塊、分層次轉(zhuǎn)化為虛擬仿真課堂;實(shí)踐上進(jìn)一步推進(jìn)了傳統(tǒng)體育課堂的教學(xué)信息化。

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

以棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建及其在普通高校棒球教學(xué)中的應(yīng)用效果為研究對(duì)象。

1.2研究方法

1.2.1文獻(xiàn)資料法檢索中國知網(wǎng)，Web of Science和 EBScohost等全文數(shù)據(jù)庫，以棒球教學(xué)、體育教育、虛擬仿真等為關(guān)鍵詞，查找相關(guān)文獻(xiàn)資料并進(jìn)行整理。

1.2.2專家訪談法依據(jù)本課題研究的內(nèi)容和目的，制定《專家訪談提綱》，收集虛擬仿真工程技術(shù)和棒球教學(xué)專家對(duì)棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)意見，主要采用面談和電話訪談兩種方式。專家包括虛擬仿真工程技術(shù)專家2名、棒球教學(xué)專項(xiàng)教師4名和棒球教練員2名。

1.2.3問卷調(diào)查法本研究嚴(yán)格按照問卷設(shè)計(jì)的基本原則和要求，在閱讀大量參考文獻(xiàn)以及咨詢專家意見后，制作了《虛擬仿真棒球教學(xué)的應(yīng)用調(diào)查問卷》。發(fā)放對(duì)象為某普通高校公共體育棒球課班上的學(xué)生，也是本研究中的實(shí)驗(yàn)組，共計(jì)31人（全部完成棒球虛擬仿真課程的學(xué)習(xí)）。結(jié)合研究需要，《虛擬仿真棒球教學(xué)的應(yīng)用調(diào)查問卷》共設(shè)置8個(gè)問題，反映3個(gè)維度，分別是對(duì)虛擬仿真棒球課程的交互性、易用性和有用性的認(rèn)知。

為保證調(diào)查結(jié)果的真實(shí)性和有效性，本文采取專家評(píng)判法，特請(qǐng)8位專家對(duì)問卷的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)效度作了檢驗(yàn)。專家認(rèn)為問卷調(diào)查的內(nèi)容與所研究的內(nèi)容范圍比較符合，具有較好的代表性，說明測(cè)試具有較高的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)效度，同時(shí)，根據(jù)部分專家學(xué)者的意見重新整理、修改形成最終問卷。各位專家對(duì)問卷的認(rèn)同情況見表1。

1.2.4測(cè)試法整群抽樣，除上述實(shí)驗(yàn)組外，另選取同一學(xué)期、同一老師教授的棒球課班上的學(xué)生為對(duì)照組（只開展傳統(tǒng)棒球教學(xué)）。采用教考分離的形式進(jìn)行棒球理論（100分制閉卷考試）、技術(shù)測(cè)驗(yàn)（擊球、跑壘、滑壘、傳球和接球共5個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，每項(xiàng)滿分20分，共計(jì)100分）。棒球技戰(zhàn)術(shù)測(cè)試則分別組織2個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行比賽，由2名棒球?qū)I(yè)教師觀賽后對(duì)學(xué)生技戰(zhàn)術(shù)水平進(jìn)行打分。

1.2.5數(shù)理統(tǒng)計(jì)法本研究所收集數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便更好地歸納、分析虛擬仿真棒球課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2研究結(jié)果與分析

2.1虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

棒球是集靈活性性、集體性、協(xié)調(diào)性、智慧性于一身的一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，也因此被譽(yù)為“競技與智慧的相結(jié)合的一項(xiàng)貴族運(yùn)動(dòng)”[7]。棒球技術(shù)難，規(guī)則多，對(duì)于普通高校大學(xué)生來說，一學(xué)期很難完全掌握全部理論知識(shí)和技術(shù)動(dòng)作。這對(duì)于老師和學(xué)生都是一個(gè)難題。本研究首先選擇3D Studio Max和MAYA作為建模工具，制作虛擬仿真標(biāo)準(zhǔn)棒球場(chǎng)場(chǎng)景;其次，選用Unity 3D作為虛擬仿真的開發(fā)平臺(tái);最后，在運(yùn)行腳本的開發(fā)環(huán)節(jié)，選用了C#語言作為運(yùn)行腳本的開發(fā)語言，構(gòu)建棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。應(yīng)用層采用模塊化設(shè)計(jì)思路，分為基本理論和比賽規(guī)則模塊、防守和進(jìn)攻基本技術(shù)模塊，比賽實(shí)戰(zhàn)模塊、漫游巡視模塊等4個(gè)功能模塊。支撐層實(shí)現(xiàn)了3D建模、場(chǎng)景布置、桌面式顯示等輔助功能。

2.1.1虛擬仿真標(biāo)準(zhǔn)棒球場(chǎng)景在點(diǎn)擊“開始”按鈕后，系統(tǒng)會(huì)首先出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)棒球場(chǎng)的全貌（圖1），讓初學(xué)棒球課的同學(xué)對(duì)棒球場(chǎng)有一個(gè)了解。

平時(shí)上課學(xué)生們都是直接進(jìn)入場(chǎng)地，無法俯瞰棒球場(chǎng)全貌，而且大部分高校棒球場(chǎng)地缺乏觀眾席、教練席等要素。因此，對(duì)于棒球新手來說，這一步可以讓學(xué)習(xí)者在最短的時(shí)間內(nèi)了解一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棒球場(chǎng)地的構(gòu)成。隨后進(jìn)入系統(tǒng)交互模塊。

2.1.2理論學(xué)習(xí)模塊理論學(xué)習(xí)模塊旨在介紹棒球的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，包括球場(chǎng)規(guī)格和比賽設(shè)施（內(nèi)野壘包、本壘板及打擊區(qū)、投手丘、外野、壘線、內(nèi)外野線、界外線、教練席等），如圖2a所示;各球員位置和功能介紹等內(nèi)容，如圖2b、2c所示。本模塊通過3D Studio Max和MAYA對(duì)球員、壘包、球員位置等進(jìn)行真實(shí)比例的仿真建模，再由功Unity 3D引擎實(shí)現(xiàn)虛擬仿真模型資源的整合并搭建了棒球比賽場(chǎng)景。最后漫游視角展示運(yùn)動(dòng)員功能等的文字說明，可以使學(xué)習(xí)者能夠明晰棒球場(chǎng)組成、球員介紹和相關(guān)注意事項(xiàng)，強(qiáng)化其對(duì)棒球基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知。

2.1.3比賽場(chǎng)景模塊本模塊中學(xué)習(xí)者需要掌握的是棒球比賽中的規(guī)則知識(shí)，包括投球、好球、壞球、得分、出局、安全、擊球跑壘和防守截殺等內(nèi)容，如圖3所示。學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊“下一步”按鈕后開始學(xué)習(xí)比賽規(guī)則。棒球從投球手把球投出去開始，目標(biāo)點(diǎn)為擊球手的位置，采用Vector3中的Move To Word方法，方法內(nèi)參數(shù)為：起始位置（也就是投手的位置）、終點(diǎn)位置（擊球手的位置）和速度（球移動(dòng)的速度），然后執(zhí)行投球動(dòng)畫，動(dòng)畫執(zhí)行結(jié)束出后，讓棒球從投球手的位置發(fā)射到擊球手的位置。以此為基礎(chǔ)，完成上述棒球比賽中的規(guī)則演示。

2.2虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用功能和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果

本研究結(jié)合虛擬仿真的特征和棒球教學(xué)的實(shí)際需要，以及文獻(xiàn)資料中有關(guān)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用功能評(píng)價(jià)維度[8，9]，并根據(jù)專家建議確定了對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了交互性、易用性和有用性的評(píng)價(jià)。其中，系統(tǒng)的交互性是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基本特性，良好的交互性能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)并提升學(xué)習(xí)效果。易用性是評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)方面邏輯性和科學(xué)性的重要維度，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要指示[10]。系統(tǒng)的有用性是評(píng)價(jià)棒球虛擬仿真課學(xué)習(xí)效果的指標(biāo)之一，棒球虛擬仿真課的目標(biāo)就是滿足教學(xué)的實(shí)際需要并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

此次調(diào)查問卷中，有關(guān)虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用功能和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的調(diào)查結(jié)果如表2所示。在本次問卷調(diào)查中，分別有70.97%和19.35%的同學(xué)認(rèn)為在選擇此次虛擬仿真棒球教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)是非常和比較自由流暢的;分別有80.65%和16.13%的同學(xué)認(rèn)為虛擬仿真棒球教學(xué)中能夠感受到的教學(xué)過程是非常和比較真實(shí)的，表明此次虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建具有很強(qiáng)的交互性。有90.32%的同學(xué)認(rèn)為本次虛擬仿真棒球教學(xué)中的場(chǎng)景和器材形象直觀，有77.41%的同學(xué)認(rèn)為本次虛擬仿真棒球教學(xué)平臺(tái)的操作簡單易于上手，說明此次棒球虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建具有較強(qiáng)的交互性和易用性。學(xué)生普遍反映，經(jīng)過虛擬仿真課的學(xué)習(xí)，理論知識(shí)和實(shí)踐能力得到了提升。

學(xué)習(xí)效果方面（見表2），分別有77.42%和19.35%的同學(xué)表示非常認(rèn)同和比較認(rèn)同本次虛擬仿真棒球教學(xué)提高了自己對(duì)棒球理論知識(shí)的掌握，分別有64.52%何22.58%的同學(xué)表示非常認(rèn)同和比較認(rèn)同本次虛擬仿真棒球教學(xué)提高了自己的實(shí)踐能力，分別有67.74%和25.8%的同學(xué)表示非常認(rèn)同和比較認(rèn)同本次虛擬仿真棒球教學(xué)提高了自己對(duì)學(xué)習(xí)的熱情，分別有64.52%和22.58%的同學(xué)表示非常認(rèn)同和比較認(rèn)同經(jīng)過本次虛擬仿真棒球課的體驗(yàn)后還想要繼續(xù)使用并認(rèn)可它的學(xué)習(xí)效果。說明棒球虛擬仿真教學(xué)在促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的提高上切實(shí)發(fā)揮了作用，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

2.3棒球虛擬仿真課的教學(xué)效果

考試分為理論考試和專項(xiàng)技術(shù)測(cè)試，理論考試采用閉卷形式，滿分100分。技術(shù)測(cè)試分為5個(gè)部分，包括擊球、跑壘、滑壘、傳球和接球，各占20分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見表3），實(shí)驗(yàn)組的同學(xué)在理論、跑壘和滑壘專項(xiàng)技術(shù)上的得分顯著高于對(duì)照組的同學(xué)，說明虛擬仿真棒球課與傳統(tǒng)棒球課堂教學(xué)的混合模式有益于教學(xué)效果，尤其是理論成績的提高。這可能跟傳統(tǒng)課堂上老師講解理論更易受課堂環(huán)境和內(nèi)容的影響，相比而言，虛擬仿真課上的理論知識(shí)點(diǎn)會(huì)更詳盡、更系統(tǒng)。此外，值得注意的是，擊球、傳球和接球技術(shù)動(dòng)作得分上，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組得分沒有顯著性差異，這可能跟技術(shù)動(dòng)作的復(fù)雜程度有關(guān)。擊球、傳球和接球相對(duì)直觀、簡單，學(xué)生容易上手，而跑壘和滑壘跟協(xié)調(diào)性、反應(yīng)能力、速度等有關(guān)，對(duì)學(xué)生的整體身體素質(zhì)要求較高，而虛擬仿真課中可以反復(fù)觀察技術(shù)動(dòng)作及要點(diǎn)，所以有助于課堂實(shí)踐能力的提高。因此本研究是虛擬仿真技術(shù)與高校傳統(tǒng)體育課堂結(jié)合的嘗試，是體育教育信息化的一次實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的效果。

3結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于高校棒球教學(xué)改革中，既可以擴(kuò)大虛擬技術(shù)的運(yùn)用范圍，又能充實(shí)、活化棒球授課內(nèi)容，為教學(xué)增添了一個(gè)新的實(shí)踐平臺(tái)，也為學(xué)生提供一個(gè)不受實(shí)際條件限制的學(xué)習(xí)平臺(tái)。基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建交互性能良好的真實(shí)棒球教學(xué)情境，能夠有效彌補(bǔ)高校傳統(tǒng)棒球教學(xué)中的場(chǎng)地缺乏、教學(xué)課時(shí)少、規(guī)則講解不到位、技術(shù)動(dòng)作難以全面展示等問題，提高學(xué)生自主地學(xué)習(xí)棒球知識(shí)的興趣和實(shí)踐應(yīng)用能力。但由于時(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件所限，本次的虛擬仿真課程只做到了桌面交互，沒有實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，不能真實(shí)感受棒球運(yùn)動(dòng)的觸覺及動(dòng)覺;場(chǎng)景設(shè)計(jì)沒有完全采用真實(shí)球員（身高、體重、維度、肌肉等解剖學(xué)參數(shù)）和技術(shù)動(dòng)作（角度、肌肉、速度等生物力學(xué)參數(shù)）的1：1還原。但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將會(huì)得到不斷的提高，本次研究中尚未完全解決的問題也將會(huì)越來越完善，這也是我們未來要努力的方向。

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收稿日期：2021-01-28;修回日期：2021-04-18

作者簡介：楊光（1984-），男，講師，碩士，研究方向?yàn)轶w育教育學(xué)。

作者單位：上海交通大學(xué) 體育系，上海 200240哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào)2021第6期楊光，等：虛擬仿真技術(shù)在普通高校棒球教學(xué)中的應(yīng)用