基于人工智能的體育“沉浸式”教學(xué)研究

摘要：目前，隨著人工智能技術(shù)的普及，越來越多的企業(yè)開始將其與教育相融合，并將其應(yīng)用于體育領(lǐng)域。教育智能化環(huán)境中，應(yīng)用人工智能技術(shù)推動教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量，切實推動教師素質(zhì)提升與課堂教學(xué)開展，人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，給學(xué)校的體育教學(xué)課程帶來了發(fā)展機遇，同時也帶來的新的挑戰(zhàn)，同時也對體育教師提出了更高的要求。該文將人工智能技術(shù)應(yīng)用于體育教學(xué)，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)使學(xué)生能夠借助虛擬現(xiàn)實環(huán)境來學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)多角度的觀察和體驗，以及其實際應(yīng)用的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：人工智能；沉浸式；體育教學(xué)；新型教學(xué)方式

Research on \"Immersive\" Teaching of Physical Education Based on Artificial Intelligence

（1.Fuzhou Pingdong Middle School of Fujian Province，F(xiàn)uzhou， Fujian Province， 350003 China2.Physical Education Department of Minjiang University，F(xiàn)uzhou， Fujian Province， 350108 China ）

Abstract： At present， with the popularity of artificial intelligence technology， more and more companies begin to integrate it with education and apply it to the field of sports. In the intelligent environment of education， artificial intelligence technology is applied to promote teaching reform， improve teaching quality and effectively promote the quality of teachers and classroom teaching. This paper applies artificial intelligence technology to physical education， with the help of virtual reality technology to enable students to learn virtual reality with the help of virtual reality environment， to achieve multi-angle observation and experience， as well as the effectiveness and feasibility of its practical application.

Keywords： Artificial intelligence， Immersion， Physical education， New teaching method

隨著體育大國的來臨，人工智能技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的重視，在我國體育強國的建設(shè)過程中，人工智能技術(shù)作為一種革命性的技術(shù)走在了網(wǎng)絡(luò)時代的前沿，人工智能已經(jīng)逐步成為我國體育事業(yè)飛速發(fā)展的重要動力。此外，2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》還把人工智能列為戰(zhàn)略技術(shù)，將會在今后的發(fā)展中起到主導(dǎo)作用。二十大報告中明確指出，要推進(jìn)數(shù)字化教育，推進(jìn)全民終身學(xué)習(xí)，通過現(xiàn)代教育技術(shù)手段和工具去不斷提高教學(xué)質(zhì)量。在這樣的大環(huán)境下，大學(xué)的體育教學(xué)應(yīng)該如何發(fā)展？阿拉丁神燈與潘多拉魔盒之間的爭論，也將伴隨著大學(xué)體育教學(xué)改革。AI技術(shù)與體育相結(jié)合的價值在于此，它能夠積極地幫助體育、學(xué)校體育、體育教學(xué)、體育教育等領(lǐng)域的發(fā)展，使體育信息化體系真正為人們所用，能夠去推動和去實現(xiàn)建設(shè)“體育強國”的目的。

1 人工智能的體育“沉浸式”教學(xué)可行性

沉浸式的虛擬現(xiàn)實教室，就是把沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到體育教學(xué)中，讓學(xué)生在教學(xué)中充分感受到虛擬現(xiàn)實中的各種東西，從而獲得更好的體驗。我們也可以把它叫做虛擬教室。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，增強教學(xué)效果，提高教學(xué)效率的一種方式。當(dāng)然隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展也會出現(xiàn)一定范圍內(nèi)以“沉浸式”為主的教學(xué)，讓學(xué)員在體驗式的過程中，以安全、方便的方式，快速地理解和掌握各種知識[1]。

（1）技術(shù)上的適用性；以人工智能，人機交互和傳感技術(shù)等現(xiàn)代科技為基礎(chǔ)，并與這些技術(shù)相結(jié)合，就可以建立沉浸式教育的方法。實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的最主要應(yīng)用的技術(shù)可以分為3Ds Max，Unity 3D，Quest3D以及人工智能的VRP。其中，3ds Max可以用來完成基本的場景模型，材質(zhì)，照明，攝影機等工作;Unity3D，主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實課堂互動內(nèi)容的實現(xiàn);Quest3D是一款即時3D建構(gòu)器，使用簡便，視覺效果優(yōu)秀;而新一代人工智能VRP，是一個具有完整的獨立版權(quán)，直接面向三維美工設(shè)計的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件。

（2）要求是否可行。虛擬現(xiàn)實的體育課堂能夠?qū)崿F(xiàn)對過去的歷史場景的還原、對現(xiàn)實場景的模擬、對現(xiàn)實場景的模擬，從而達(dá)到對體育課堂環(huán)境的創(chuàng)造要求。比如，在虛擬實境中，可以解決各種運動器材缺乏的問題，并能有效地降低成本。在虛擬現(xiàn)實體育教室中，教師和教師通過與虛擬環(huán)境中的對象互動，將相關(guān)的知識內(nèi)容展現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生對運動的認(rèn)識，使他們始終沉浸在運動的課堂中，并逐步達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。人工智能虛擬現(xiàn)實教室打造了極具虛擬化、智能化運動場景，為學(xué)生能夠沉浸式學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，解決現(xiàn)實中無法創(chuàng)造的體育教學(xué)環(huán)境，學(xué)生能夠自主通過發(fā)現(xiàn)和探索方式去實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實體育教學(xué)的目標(biāo)。在虛擬現(xiàn)實的運動教室中，學(xué)員們會更加積極地投入到學(xué)習(xí)中，從而獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

（3）經(jīng)濟上的可持續(xù)發(fā)展。通過利用三維 Max、 Unity3D等技術(shù)，可以實現(xiàn)虛擬教室的教學(xué)環(huán)境，這兩種軟件相對來說功能較為齊全，且操作起來相對簡單，對于學(xué)生來說也無需耗費過多的時間和精力去研究軟件的操作使用，未來隨著軟件的更新迭代，越來越多的體育場景將會被植入到軟件中去，屆時更多的體育場景將會被搭建，可以讓更多的老師和老師通過網(wǎng)絡(luò)資源的分享，讓更多的學(xué)生和老師參與到虛擬現(xiàn)實的運動教學(xué)中去，從而達(dá)到了低投入、高產(chǎn)出的效果。傳統(tǒng)的體育課是指在運動場上由教師進(jìn)行口頭講解，讓學(xué)生站立仔細(xì)聆聽，并以建構(gòu)的形式獲得知識。而我們所說的“沉浸式”虛擬運動教學(xué)，就是要有一個有學(xué)習(xí)目標(biāo)的真實教室，讓學(xué)習(xí)者能夠借助所需的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，真正地融入到運動的世界之中。虛擬實境教學(xué)能帶給學(xué)生和老師們最真實、最真實、最有感染力的感覺。虛擬實境教學(xué)與傳統(tǒng)的體育課相比，有其獨特的教學(xué)特色[2]。

第一，虛擬現(xiàn)實的運動教室打破了時間和空間的局限，只要帶上虛擬現(xiàn)實設(shè)備，就能在任何時間、任何地點進(jìn)行體育教學(xué)。虛擬現(xiàn)實教室的面積，比真正的訓(xùn)練館要大上十倍，學(xué)生們可以自由的進(jìn)行運動，不受空間的限制，將自己的學(xué)習(xí)空間發(fā)揮到極致。沉浸式虛擬體育教室沒有時間限制，學(xué)生只要愿意，就可以隨時投入到運動中。

第二，虛擬現(xiàn)實的教學(xué)內(nèi)容可以通過真實、動態(tài)的三維虛擬圖像來重現(xiàn)教材的內(nèi)容，使學(xué)生身臨其境，在強烈的感覺中獲得最好的學(xué)習(xí)效果。

第三，虛擬體育教育可以模擬真實世界中所不具備的教學(xué)情景，讓學(xué)生置身于虛擬的教學(xué)環(huán)境中，親身經(jīng)歷一些平時難以體會到的體育活動，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，積極探索體育知識。

第四，在沉浸式的虛擬體育教學(xué)中，學(xué)生能夠隨時與“身邊”的體育老師、伙伴進(jìn)行溝通、交流和討論，將“沉浸式”特征明顯的呈現(xiàn)出來，并且學(xué)生也能夠通過手、眼睛、頭等身體運動來完成虛擬現(xiàn)實體育教學(xué)活動。

第五，學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境下高效地學(xué)習(xí)，沉浸式的虛擬運動課程占據(jù)了學(xué)生的視覺、聽覺、觸覺等多種感官，并與周圍的環(huán)境隔絕，讓學(xué)生沉浸在互動的運動中，與外界隔絕，讓學(xué)生不容易分心，多感官的參與也能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

第六，使遠(yuǎn)程體育教學(xué)更加貼近課堂氛圍，減少外部干擾，增強學(xué)生和學(xué)生的注意力。如果沉浸式虛擬運動課堂是在一個有老師、有學(xué)生的真實教室中，學(xué)生即使離開了虛擬世界，也能得到老師的詳細(xì)講解，與同學(xué)們進(jìn)行心靈溝通，共同分享自己的感受，從而實現(xiàn)自己的情緒和價值觀。

2 當(dāng)前學(xué)校體育教學(xué)存在的問題

2.1 體育運動強度和效果無法有效監(jiān)控

目前，在學(xué)校體育課程的教學(xué)中，老師們主要是根據(jù)初中生的反應(yīng)來進(jìn)行運動強度的監(jiān)測，而在對學(xué)生的問卷調(diào)查中，學(xué)生們對運動強度的判斷主要是根據(jù)出汗的多少來進(jìn)行，而體育課程的強度則是以心率等科學(xué)方法來監(jiān)控的。就體育效果而言，當(dāng)前，學(xué)校體育教學(xué)活動的考核，多數(shù)是以成績來進(jìn)行評定，考核和評價方法相對較為單一，對于學(xué)生體育考核是否合格也只是通過成績來判斷，當(dāng)成績合格就認(rèn)為掌握了某項運動技能，從而得出學(xué)生通過體育項目考核結(jié)果需要提高自身體脂率、心肺功能等[3]。

2.2不能圍繞以學(xué)生為教學(xué)中心

在體育教學(xué)前，教育者應(yīng)根據(jù)教育者的身體狀況來合理的去安排和設(shè)計體育教學(xué)內(nèi)容，這不僅要面向全體受教育者，又要設(shè)置拔尖的內(nèi)容，這樣既可以挖掘出每個學(xué)生的特點，又可以根據(jù)每個人的特點來進(jìn)行個性化的訓(xùn)練，這樣才能充分體現(xiàn)出學(xué)生的主體性。當(dāng)前的體育課程教學(xué)仍是以老師和學(xué)生的形式進(jìn)行，老師傳授一門技術(shù)后，學(xué)生就可以通過實踐來掌握這項技術(shù)，但是由于缺乏師生之間的交流，導(dǎo)致了在教學(xué)內(nèi)容的編排上忽略了學(xué)生的實際需要，使得學(xué)生對體育課程的興趣不斷的降低。

2.3無法去有效培養(yǎng)學(xué)生體育素養(yǎng)

大多數(shù)體育老師在體育課程教學(xué)中未很好的根據(jù)學(xué)生的實際的需求出發(fā)，沒有對于不同體質(zhì)的學(xué)生群體去改變體育課程教學(xué)的方式和方法，從而保證大多數(shù)學(xué)生的身心得到良好的發(fā)展，現(xiàn)今體育教學(xué)課程主要的核心內(nèi)容包括熱身、隊列、跑、跳、跳、翻滾等六個部分，從各個年級的教學(xué)內(nèi)容來看，都是循序漸進(jìn)的，而且大多數(shù)都是中等強度的，為了保證學(xué)生的安全，所以這門課的活動很少。大多數(shù)同學(xué)都能順利地完成整個課程，其中強度較高、較難的項目主要是400米計時跑、籃球比賽、健美操成套動作等。同時，在教學(xué)內(nèi)容方面，存在著總體強度偏低、不同年級教學(xué)內(nèi)容重復(fù)性較高、教學(xué)內(nèi)容缺乏針對性等問題，從而對學(xué)生的個性發(fā)展造成一定的負(fù)面影響[4]。

2.4 無法將人工智能技術(shù)融入體育課程教學(xué)中

在傳統(tǒng)的體育教學(xué)課中，老師所使用的教學(xué)手段比較單一，主要是各種體育設(shè)備和輔助設(shè)備，大多數(shù)的體育課程都是由老師根據(jù)學(xué)生的年齡和年級來決定，然后再進(jìn)行教學(xué)。在此期間，大多數(shù)老師都是根據(jù)自己的經(jīng)歷，或者是對大多數(shù)學(xué)生在過去的訓(xùn)練中的成績，或者是對耐力、柔韌、爆發(fā)力等簡單的身體素質(zhì)進(jìn)行評估，從而得出相應(yīng)的體育數(shù)據(jù)和結(jié)論。當(dāng)前，我國的體育教學(xué)中還沒有融入新科技產(chǎn)品和人工智能產(chǎn)品，使體育教師無法對各種體質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的了解。主要原因：一是資金短缺導(dǎo)致了學(xué)校和老師無力購置這類商品；第二，這種產(chǎn)品要求比較高的技術(shù)操作，并且要花一定的時間才能學(xué)會，但由于體育課程在學(xué)校中的位置很少，而且由于課時有限，因此，體育教師不愿意主動探究、主動學(xué)習(xí)；第三，由于學(xué)校、教育界對體育課程設(shè)置的要求較低，導(dǎo)致了教師的積極性下降，當(dāng)前學(xué)校體育課程的教學(xué)重點是“安全”，這與學(xué)校及有關(guān)方面的要求有關(guān)，也表明了家長對孩子們的體育課程不是很需要，所以學(xué)校和相關(guān)的教育機構(gòu)對學(xué)生的要求僅僅是希望，或者說，這是一種不愿意承擔(dān)責(zé)任的行為[5]。

3 人工智能的體育“沉浸式”教學(xué)應(yīng)用場景

3.1 體育教學(xué)課件的制作

在講授某門課程之前，應(yīng)根據(jù)教學(xué)目的搜集材料，然后制作出一套完整的教學(xué)課件，體育教學(xué)也不例外，然后利用所收集到的體育課程的數(shù)據(jù)，建立一個全面的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行教學(xué)實踐。第一，體育課件的制作要收集材料，材料要突出體育教學(xué)中的重點和難點，還要突出學(xué)生的運動技巧。利用虛擬技術(shù)對所需要的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使所學(xué)到的運動技巧和技巧更直觀地表現(xiàn)出來。如：為培養(yǎng)體育健美操后備人才，收集優(yōu)秀選手比賽錄像中的動作解剖學(xué)和技術(shù)動作，對學(xué)員進(jìn)行細(xì)致的解說，讓他們在腦海中形成動作模式，懂得怎么做。第二步，利用虛擬技術(shù)，建立一個清晰的立體人像，利用各種感覺系統(tǒng)，體育老師根據(jù)收集到的優(yōu)秀運動員的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證學(xué)員的實際能力和預(yù)期能力達(dá)到一個均衡的程度。第三個方面，把制作好的課件應(yīng)用于課堂教學(xué)。由于虛擬技術(shù)是一種互動的技術(shù)，它可以向外界傳遞信息，也可以向外界傳遞信息，因此，在課堂上進(jìn)行體育教學(xué)時，既可以使教師更好地控制動作的進(jìn)行，又可以使學(xué)生掌握動作技能，并能及時地改正錯誤。科學(xué)、合理地將虛擬技術(shù)與運動教學(xué)相結(jié)合，可以促進(jìn)體育教學(xué)的有效實施。通過與虛擬技術(shù)的特性相結(jié)合，可以營造逼真的教學(xué)情境，并能充分掌握每一個動作的具體細(xì)節(jié)。利用虛擬技術(shù)進(jìn)行體育教學(xué)課件的制作，可以為體育教學(xué)各方面的教學(xué)內(nèi)容提供一個完整的數(shù)據(jù)庫，對學(xué)生進(jìn)行實時觀察和培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)觀念具有重要意義[6]。

3.2 體育教學(xué)情境模擬

通過虛擬技術(shù)，可以在虛擬的環(huán)境下，為學(xué)生提供運動和運動鍛煉場景，保證學(xué)生的人身安全。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師講授、學(xué)生接受，難以調(diào)動學(xué)生的積極性，造成課堂枯燥乏味。當(dāng)前，將虛擬技術(shù)引入到體育課程中，它的教學(xué)方法與環(huán)境都呈現(xiàn)了多元化、多樣性的特征，老師既可以選定某種教學(xué)方法，也可根據(jù)學(xué)生的練習(xí)接受程度、對動作領(lǐng)悟的程度開展具體的練習(xí)與活動，并因材施教。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到運動練習(xí)中，學(xué)生一方面能夠看到運動的細(xì)節(jié)與變化，讓練習(xí)內(nèi)容變得更加細(xì)致生動，同時又能夠拓展運動知識的廣度與深度;如在運動課程中導(dǎo)入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，即可以使原來枯燥的基礎(chǔ)運動知識更加具體化、直觀，在教師的引導(dǎo)下，大大提高了學(xué)生的運動學(xué)習(xí)效果;而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到排球中，在由教師介紹基本運動技能并給學(xué)生提供了基礎(chǔ)的運動構(gòu)架后，即可使用人工智能或VR設(shè)備完成了相應(yīng)的基本運動訓(xùn)練，即能夠鞏固和提高學(xué)生已掌握的運動基礎(chǔ)知識，又可以讓學(xué)生掌握正確的擊球動作，并根據(jù)自己的實際情況，進(jìn)行反復(fù)的鍛煉，從而形成肌肉記憶。比如在學(xué)校里，體育老師會給女生講解防身術(shù)、五步拳，但在教室里，很難讓學(xué)生有危險的感覺，而現(xiàn)在，他們可以利用人工智能VR裝置，在深夜的小巷里，乘坐的車輛，模擬出不同的角色，加深和強化所學(xué)的技巧[7]。

3.3 遠(yuǎn)程完成體育教學(xué)

虛擬技術(shù)是計算機與互聯(lián)網(wǎng)的有機結(jié)合，可以說是一種全新的體育教學(xué)方法。隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對虛擬技術(shù)的理解日益加深，各高校紛紛將其應(yīng)用到教育和體育訓(xùn)練中。運用虛擬技術(shù)開展體育教學(xué)，不僅節(jié)省了體育教學(xué)時間，而且滿足了學(xué)生的好奇心，激發(fā)了他們的興趣，提高了他們的體育教學(xué)效果。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使體育教師脫離時間和空間的限制，在任何時間、任何時間、任何地點，都能發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的微妙變化，將自己的全部精力都投入到教育之中；同時，遠(yuǎn)程教育也可以促進(jìn)體育教師、同學(xué)之間的交流與交流。互聯(lián)網(wǎng)是一個包含大量已知、未知的信息的巨大系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對運動的遠(yuǎn)距離教學(xué)，從而達(dá)到對體育微課堂的構(gòu)想，并對其進(jìn)行進(jìn)一步的改造。比如，某學(xué)校利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行體育教學(xué)，既能優(yōu)化學(xué)校體育課的組織結(jié)構(gòu)，又能促進(jìn)學(xué)校以后的體育教學(xué)，又能間接地提升學(xué)校的聲望，增加學(xué)生的數(shù)量。根據(jù)虛擬技術(shù)的特性進(jìn)行遠(yuǎn)程教育，實現(xiàn)互動學(xué)習(xí)，能有效地幫助學(xué)生吸收和鞏固知識[8]。

3.4 體育學(xué)術(shù)交流的開展

以前的體育學(xué)術(shù)討論大多是通過會議、查閱期刊等方式進(jìn)行，也就是體育老師和相關(guān)學(xué)者在指定的時間和地點進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，這種方式既耗費了大量的時間，也耗費了大量的資源。比如：某省舉辦了一次關(guān)于體育教育的學(xué)術(shù)交流會，但因為地理位置的原因，省里的專家都會被安排在不同的地方，或者因為需要提前預(yù)定地點，或者需要安排會議的時間。人工智能VR技術(shù)的應(yīng)用，既節(jié)約了時間，也可以實現(xiàn)體育信息的共享，利用人工智能VR技術(shù)可以提供圖片、文字等信息，利用高科技展示體育教育工作者的思維，利用3D的虛擬空間和立體圖像，可以直觀地分析運動員在運動中所學(xué)到的動作，人工智能VR技術(shù)沒有時間和空間的限制，也沒有任何限制，不管是專業(yè)的體育老師，業(yè)余愛好者，還是學(xué)生，突破了傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)交流方式，集思廣益，分享體育教學(xué)成果，為以后的體育教育發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。利用人工智能技術(shù)，模擬體育教學(xué)情境，構(gòu)建一種無需面對面教學(xué)、溝通的理論模式，并為搭建教學(xué)互動平臺提供了一種新的思路。便于廣大體育老師和相關(guān)愛好者進(jìn)行研究，并利用先進(jìn)的技術(shù)來推動體育學(xué)術(shù)交流，為今后的體育事業(yè)的發(fā)展指明了方向。

結(jié)語

21世紀(jì)，隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛運用，各方面的發(fā)展紅利越來越明顯，顯示出我國由高科技國家向高科技國家邁進(jìn)的決心與信心，尤其是教育領(lǐng)域更是最大的受益者之一。作為知識的傳遞者和教育者，教師應(yīng)該具有教育性，同時具備學(xué)習(xí)者心態(tài)，去不斷的學(xué)習(xí)和應(yīng)用新的技術(shù)，發(fā)掘自身的學(xué)習(xí)自驅(qū)力，還應(yīng)該把提高教學(xué)質(zhì)量當(dāng)作一種常態(tài)化和可持續(xù)化的工作。在新世紀(jì)的體育教育中，引入人工智能是新的要求和挑戰(zhàn)。作為一位人民教師，必須適應(yīng)時代的發(fā)展，這是中國特色社會主義教育體制對廣大人民教師提高教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)質(zhì)量的必然要求。

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基金項目：人工智能設(shè)備在體育課中的融合應(yīng)用研究。立項編號：FZDJ2021A22作者簡介：陳劍洪（1980.05），男，漢，福建省莆田市，高級，本科，研究方向：體育教育。

陳劍萍（1985.10），女，漢，福建省莆田市，講師，碩士，研究方向：體育教學(xué)，