基于unity3D的傳統(tǒng)武術(shù)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

彭 川

武漢體育學(xué)院體育科技學(xué)院，湖北 武漢 430079

全球新冠肺炎疫情肆虐的當(dāng)下，線上教學(xué)逐漸成為了高校課程教學(xué)中的重要一環(huán)。在體育運動中，尤其是像傳統(tǒng)武術(shù)這類對動作準(zhǔn)確性有極高要求的項目，傳統(tǒng)的視頻教學(xué)已經(jīng)難以滿足線上教學(xué)與課后教學(xué)的需求。目前已有不少高校在體育項目的教學(xué)過程中結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)，例如，杭州師范大學(xué)在高爾夫教學(xué)中使用虛擬仿真技術(shù)模擬揮桿的過程，既不需要占用場地，又能讓學(xué)員更好的掌握揮桿技巧；北京體育大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)，在足球項目的教學(xué)中通過讓受訓(xùn)運動員以第一視角置身于比賽戰(zhàn)術(shù)場景中進(jìn)行選擇戰(zhàn)術(shù)決策和行動；沈陽體育學(xué)院和哈爾濱體育學(xué)院將虛擬仿真技術(shù)運用在了冰雪運動上，在環(huán)境、場地受限的情況下，實現(xiàn)了全季節(jié)冰雪運動課程的教學(xué)。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對比傳統(tǒng)教學(xué)

1.1 教學(xué)方法

在以往的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)過程中，教師教授學(xué)員動作時一般采用現(xiàn)場指導(dǎo)與視頻演示結(jié)合的教學(xué)方式，線下課堂教學(xué)時由教師現(xiàn)場演示并指導(dǎo)學(xué)員，課后復(fù)習(xí)或線上教學(xué)時學(xué)員只能通過觀看演示視頻來學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)武術(shù)套路中的動作多樣且復(fù)雜，學(xué)員在學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)新動作時，如果想全面了解動作的特點必須全方位多角度觀察動作，然而目前的教學(xué)視頻僅僅有正面一個視點或正面加背面兩個視點，給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來極大困難。在課后練習(xí)和線上教學(xué)的過程中一旦學(xué)員養(yǎng)成了錯誤的動作習(xí)慣，教師需要在線下教學(xué)中花費大量的時間來糾正他們。

圖1 不同視角下的動作（演示用模型，非規(guī)范動作）

本系統(tǒng)利用動作捕捉技術(shù)將武術(shù)動作導(dǎo)入到Unity3D引擎中制作成虛擬仿真運動場景提供給用戶觀看。用戶使用屏幕或VR眼鏡觀看整個運動過程，在觀看的過程中用戶可以隨時暫停場景中的運動，拖動鼠標(biāo)或手機(jī)屏幕調(diào)整觀看視角，學(xué)習(xí)復(fù)雜的動作時便可以利用該功能對各肢體的動作進(jìn)行細(xì)致、反復(fù)的觀察學(xué)習(xí)，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

1.2 教學(xué)人員

目前傳統(tǒng)武術(shù)推廣的現(xiàn)狀：大師數(shù)量少，精力有限，只能培養(yǎng)專業(yè)武術(shù)人才和武術(shù)運動員。武術(shù)運動員忙于訓(xùn)練比賽，幾乎沒有時間進(jìn)行教學(xué)，另外，想要參與教學(xué)還要有相應(yīng)的學(xué)歷，而專業(yè)武術(shù)人才可以從事武術(shù)推廣，但人群基數(shù)小，遠(yuǎn)不能滿足社會的需要。[1]以往一位傳統(tǒng)武術(shù)教師在課堂上需要完成教授新動作、復(fù)習(xí)舊動作、糾正錯誤等工作，一堂課能承擔(dān)的人數(shù)十分有限，如果學(xué)生通過虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能提前預(yù)習(xí)新動作復(fù)習(xí)舊動作，將減輕教師在課堂上的壓力，在一定程度上彌補(bǔ)武術(shù)專業(yè)人員數(shù)量不足的問題。

1.3 教學(xué)反饋

反饋教學(xué)法為全國著名特級教師、華夏教育研究院院長劉顯國研究反饋教學(xué)藝術(shù)的成果。反饋教學(xué)法就是把人們對教學(xué)過程的思考，從傳統(tǒng)模式“考什么，教什么”“教什么，學(xué)什么”“怎么教，怎么學(xué)”，轉(zhuǎn)而逆向設(shè)計教學(xué)過程為學(xué)生“怎么學(xué)，學(xué)什么”，教師決定“怎么教，教什么”。目前的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)中教學(xué)反饋基本依靠課堂上教師的直接觀察和學(xué)生的提問，教師在教學(xué)過程中精力有限，對每個學(xué)生的情況掌握程度必定參差不齊，不利于教師對后續(xù)的教學(xué)過程進(jìn)行合理的規(guī)劃。本系統(tǒng)采用視頻反饋教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)反饋，學(xué)生使用手機(jī)的錄制功能錄制自己的練習(xí)動作，通過系統(tǒng)功能上傳后便能實現(xiàn)師生評價、自我評價、學(xué)生互評。此種方式不受時間空間的制約，使得教師能更加全面的觀察學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)的情況，獲得的反饋信息也更直觀更準(zhǔn)確，有利于教師及時有效的調(diào)整后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，視頻反饋教學(xué)法更有助于提高學(xué)生的武術(shù)技能成績。[2]

1.4 學(xué)習(xí)體驗

當(dāng)今武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的講解、示范不利于學(xué)生興趣動機(jī)的激發(fā)，進(jìn)而達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，運用虛擬仿真技術(shù)將教師所要傳授的教學(xué)重點進(jìn)行建模模塊、3D模擬創(chuàng)造出虛擬環(huán)境，學(xué)生可以清晰地觀察到武術(shù)動作的動作軌跡和力學(xué)特征，創(chuàng)造出一種新情景模式，給學(xué)生帶來沉浸式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。[3]

2 技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)前端使用Unity3D引擎開發(fā)，在實現(xiàn)虛擬仿真效果的同時也具有良好的跨平臺支持和互動性。動作捕捉采用

2.1 Unity3D 引擎

Unity3D也稱Unity，是由Unity Technologies 公司開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具。時至今日，市場上出現(xiàn)了眾多種類的虛擬仿真產(chǎn)品，開發(fā)引擎種類繁多，而Unity3D開發(fā)引擎以其強(qiáng)大的跨平臺特性與絢麗的3D渲染效果而聞名于世，現(xiàn)在很多商業(yè)游戲、虛擬仿真產(chǎn)品都采用Unity3D引擎來開發(fā)。Unity3D內(nèi)置NVIDIA的PhysX物理引擎，物理引擎是模擬牛頓力學(xué)模型的計算機(jī)程序，其中使用了質(zhì)量、速度、摩擦力和空氣阻力等變量，開發(fā)中可以用高效、逼真、生動的方式復(fù)原和模擬真實世界中的物理效果，例如，碰撞檢測、彈簧效果、布料效果、重力效果等，進(jìn)而達(dá)到虛擬仿真的效果。

2.2 動作捕捉

動作捕捉是在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機(jī)處理后得到三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。目前市場上的產(chǎn)品主要使用光學(xué)動作捕捉和慣性動作捕捉。光學(xué)動作捕捉原理是基于光從演員身上標(biāo)記點的反射到多個不同位置的攝像機(jī)，通過不同位置的成像信息測算出標(biāo)記點的空間運動。而慣性動作捕捉則是通過感知演員身上陀螺儀的旋轉(zhuǎn)信息推算出演員的肢體運動。光學(xué)動作捕捉發(fā)展時間比較久，廣泛應(yīng)用于電影行業(yè)，已經(jīng)達(dá)到了非常高的精度。而慣性動作捕捉發(fā)展還處在比較早期的階段，目前主要的劣勢是推算誤差會被積累，捕捉一定時間后容易出現(xiàn)動作姿態(tài)偏斜，而它的優(yōu)勢是比光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)便宜，對捕捉場地要求低。本系統(tǒng)設(shè)計中采用的是光學(xué)動作捕捉設(shè)備HTC VIVE Tracker，使用11個采集器和一副手套綁定在演員身上，通過SteamVR可以直接將捕捉到的運動導(dǎo)入Unity3D虛擬仿真場景中再現(xiàn)演員的動作。

3 管理端功能設(shè)計

后端數(shù)據(jù)部署在服務(wù)器上，管理員可以通過網(wǎng)頁登陸進(jìn)行管理。管理端主要包含以下3個功能。（1）用戶管理：為了方便統(tǒng)一管理，管理員可以批量添加、修改、刪除學(xué)生和教師。（2）動作添加：經(jīng)過專業(yè)團(tuán)隊對專業(yè)運動員進(jìn)行動作捕捉后，將動作數(shù)據(jù)生成虛擬仿真場景下的動作演示，再將動作演示文件上傳到后端服務(wù)器。上傳完畢后學(xué)生端與教師端即可觀看該動作演示。（3）數(shù)據(jù)分析：隨著學(xué)生用戶的增多，對各動作的觀看頻率、各動作的觀看時長、學(xué)生復(fù)習(xí)同一個動作的時間間隔等數(shù)據(jù)加以分析，進(jìn)而實現(xiàn)對不同動作的學(xué)習(xí)難度，教學(xué)效果等數(shù)據(jù)的量化。后期教學(xué)人員根據(jù)量化的數(shù)據(jù)進(jìn)一步展開實踐研究最終達(dá)成對傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)的改進(jìn)。

4 學(xué)生端功能設(shè)計

學(xué)生端為手機(jī)APP形式，學(xué)生根據(jù)后端安排的賬號直接登錄即可使用APP。學(xué)生端主要包含以下4個功能。（1）動作學(xué)習(xí)：學(xué)生可以使用屏幕或VR眼鏡觀看虛擬仿真場景中的運動過程，在觀看的過程中學(xué)生可以滑動屏幕和點擊功能按鍵調(diào)整視角對整個動作進(jìn)行更加細(xì)致的觀察。（2）班級交流：輸入由老師提供的班級號即可加入班級查看老師發(fā)布的信息和任務(wù)或和老師同學(xué)交流。（3）視頻提交：在該功能中，學(xué)生需要根據(jù)教師在系統(tǒng)中發(fā)布的作業(yè)任務(wù)錄制自己的練習(xí)視頻提交到后端服務(wù)器，提交成功后由老師評審，學(xué)生再依據(jù)評審結(jié)果對自己的動作進(jìn)行改進(jìn)練習(xí)。通過以上流程，在教學(xué)過程中就達(dá)成一次有效的教學(xué)反饋。（4）小游戲任務(wù)：在運動技能的熟練過程中練習(xí)必須的過程，但是高校武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的“講解——示范——練習(xí)”模式重復(fù)而枯燥，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。系統(tǒng)中利用小游戲的功能使用任務(wù)驅(qū)動法進(jìn)行輔助教學(xué)?！叭蝿?wù)驅(qū)動教學(xué)法”是教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)生實際把教學(xué)任務(wù)分解成一個個小目標(biāo)，學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下，通過問題解決式的自主學(xué)習(xí)方式來完成任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的一種創(chuàng)新教學(xué)方法。小游戲中每天會生成一定量的任務(wù)，任務(wù)需要取學(xué)生練習(xí)已經(jīng)完成學(xué)習(xí)某個動作，通過手機(jī)陀螺儀檢測來判斷學(xué)生是否有執(zhí)行練習(xí)，完成練習(xí)后學(xué)生的虛擬角色會獲得一定經(jīng)驗。學(xué)生之間可以通過小游戲發(fā)起“切磋”，小游戲會根據(jù)學(xué)生的作業(yè)平均成績和經(jīng)驗值隨機(jī)生成一段虛擬角色的戰(zhàn)斗畫面，以此鼓勵學(xué)生相互交流提升學(xué)習(xí)興趣。

5 教師端功能設(shè)計

教師端為電腦應(yīng)用形式，考慮到各高校都已經(jīng)使用了某款在線教學(xué)工具，所以，本系統(tǒng)并沒有添加在線教學(xué)功能。教師端主要包含以下5個功能。（1）動作學(xué)習(xí)：和學(xué)生端的動作學(xué)習(xí)功能一致，教師也可以隨時查看動作文件對學(xué)生進(jìn)行動作講解。如果要進(jìn)行線上教學(xué)只需要開啟軟件使用學(xué)校注冊的在線教學(xué)工具分享屏幕即可。（2）班級管理：教師根據(jù)自己所教授的課程情況開設(shè)班級，每個班級都會由后臺生成一個唯一的班級號。教師想發(fā)布信息或作業(yè)都需要選擇班級來進(jìn)行。（3）任務(wù)發(fā)布：任務(wù)發(fā)布功能用于提供給教師發(fā)布作業(yè)任務(wù)或自主練習(xí)任務(wù)。對應(yīng)班級的學(xué)生都會收到發(fā)布的任務(wù)信息。（4）作業(yè)評審：教師收到學(xué)生上傳的作業(yè)錄像后應(yīng)通過此功能對學(xué)生進(jìn)行語音點評，語音點評會和作業(yè)視頻一起反饋給上傳的學(xué)生。（5）賽場模擬：該功能需要配備VR眼睛和耳機(jī)來使用，軟件會模擬賽場的視覺環(huán)境和聲音環(huán)境，還原高度現(xiàn)實的賽場試聽效果，讓學(xué)生實際體驗進(jìn)入賽場的心理變化，再通過教師的指導(dǎo)逐步學(xué)會控制這種心理變化。由于穿戴VR設(shè)備的時候使用者自身無法觀察周邊情況有一定危險性，必須有教師在場看護(hù)，所以并沒有在學(xué)生端開放這一功能。

6 結(jié)語

本教學(xué)系統(tǒng)包含了虛擬仿真動作演示、任務(wù)發(fā)布、視頻作業(yè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，相比傳統(tǒng)的教學(xué)視頻可以更直觀、細(xì)致的將武術(shù)動作展示給觀看者，更系統(tǒng)更全面地將學(xué)生的問題反饋給教師。該系統(tǒng)既可以作為線下課程的課后輔導(dǎo)工具，讓學(xué)生能更直觀更準(zhǔn)確地復(fù)習(xí)武術(shù)動作，同時又可以作為線上課程的教學(xué)工具，保障線上課程的教學(xué)效果。系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)可以針對專業(yè)運動員個性化訓(xùn)練進(jìn)行設(shè)計，專業(yè)運動員訓(xùn)練時利用動作捕捉設(shè)備將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，在虛擬仿真場景中和規(guī)范動作進(jìn)行對比分析，精確指出運動員的動作有哪些地方?jīng)]有達(dá)標(biāo)，從而制定個性化訓(xùn)練方案，采集的數(shù)據(jù)也能為其他研究提供基礎(chǔ)。