籃球虛擬仿真實訓室建設(shè)研究

中圖分類號：G80 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8902-（2025）-16-074-3-SZG

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，其在體育訓練領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日益凸顯。傳統(tǒng)籃球訓練受限于場地、師資等因素，難以實現(xiàn)高效個性化教學。近年來，虛擬仿真技術(shù)在實踐應(yīng)用中已取得一定成果，但針對籃球教學與訓練的虛擬仿真實訓室研究仍處于起步階段。本研究旨在構(gòu)建一套沉浸式的籃球虛擬仿真實訓系統(tǒng)，以提升訓練的科學性和趣味性，為虛擬仿真技術(shù)在體育領(lǐng)域的深度應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐參考。

1、虛擬仿真實訓室的技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬仿真也稱“虛擬現(xiàn)實”，是20世紀40年代伴隨計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究新技術(shù)。它通過視覺、聽覺、觸覺等方式作用于使用者，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真。這一新興技術(shù)融合了計算機科學、工程和社會科學等領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)主要包括虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)、增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術(shù)、動作捕捉技術(shù)和人工智能技術(shù)。主要具備以下三個特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）。VR設(shè)備能夠?qū)崟r捕捉虛擬訓練系統(tǒng)中運動員的運動狀態(tài)、動作水平等數(shù)據(jù)。通過特殊的硬件設(shè)備，用戶可以感受到全方位的視覺、聽覺甚至觸覺刺激，與虛擬環(huán)境中的角色進行對話和交互。相關(guān)設(shè)備（如傳感器、VR頭盔等）能打破場景、設(shè)施等物理限制，為體育活動的實時開展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為用戶提供了沉浸式的虛擬體驗。Klopfer將AR定義為將真實的世界和虛擬場景相結(jié)合的技術(shù)。增強現(xiàn)實是情境感知的一種應(yīng)用，它將虛擬信息與真實的世界相聯(lián)系，可以糾正情境感知結(jié)構(gòu)中虛擬信息與真實學習目標的分離問題。在體育課程中加入AR虛擬現(xiàn)實，有效地集中了事實性和程序性知識，增強了沉浸式學習體驗，提高了學習效果和學習動機。仿真實訓基地融合了一系列技術(shù)手段，構(gòu)建了一個能輔助學習運動技能的系統(tǒng)。

2、基于AR技術(shù)的籃球?qū)嵱柣叵到y(tǒng)設(shè)計

2.1、框架設(shè)計

如圖1，虛擬仿真實訓場景設(shè)計的流程涵蓋從教學資源準備到學生課后訓練的各個環(huán)節(jié)。圖文教材能為教學提供理論知識和視覺輔助材料。再通過動作捕捉技術(shù)采集真人動作數(shù)據(jù)，制作真人動畫，用于教學演示和虛擬仿真。學生在課前可通過多媒體教學平臺進行自主學習，預(yù)習課程內(nèi)容。多媒體教學資源庫能夠存儲和管理各種教學資源，包括圖文教材、動畫、視頻等。通過網(wǎng)絡(luò)教學平臺進行師生互動，教師發(fā)布課程內(nèi)容，學生提交作業(yè)并提問。教師根據(jù)學生的反饋和問題，通過課件和在線互動解決學生疑問。課后，學生通過反復練習和訓練，熟練掌握課程內(nèi)容，鞏固學習成果。通過上述環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從課前準備到課后訓練的全方位教學支持。

圖1虛擬仿真實訓場景設(shè)計的流程

如圖2，實訓基地系統(tǒng)框架由四個部分組成，包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和表示層。每個層次在系統(tǒng)中承擔不同的功能，共同構(gòu)建一個高效、穩(wěn)定和可擴展的實訓基地系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要用于存儲目標人物動作捕捉的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)上層業(yè)務(wù)處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。服務(wù)層負責處理復雜的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)交互，由數(shù)據(jù)訪問組件、數(shù)據(jù)傳輸組件、動畫渲染組件、動作捕捉組件、中央控制組件等組成。業(yè)務(wù)應(yīng)用層作為系統(tǒng)的核心層，可根據(jù)用戶的操作和系統(tǒng)的狀態(tài)，控制業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行與處理，如構(gòu)建虛擬場景、構(gòu)建3D人體模型、制作虛擬教學動畫等，從而將復雜的業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)化為直觀的用戶操作。表演層主要為教師或培訓師與學生或參與者之間的交互而設(shè)計，負責3D展示、學生動作跟蹤、模擬學習。

圖2實訓基地系統(tǒng)框架

2.2、硬件和軟件設(shè)計

（1）硬件設(shè)計。

系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括動作捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、中央控制處理設(shè)備和AR顯示設(shè)備。每種設(shè)備在系統(tǒng)中承擔著不同的功能和作用，共同實現(xiàn)虛擬仿真訓練的目標。

動作捕捉設(shè)備能實時捕捉運動員的動作數(shù)據(jù)，包括身體姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度、運動軌跡等，并以此生成高精度的動作模型，為戰(zhàn)術(shù)分析和訓練計劃制定提供數(shù)據(jù)支持。其中體積小、精度高、靈活性好、靈敏度高、能耗低、實時性好的慣性動作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其不僅可以為技術(shù)訓練提供實時反饋，還能幫助運動員糾正動作。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要有高速交換機、無線傳輸模塊、光纖傳輸設(shè)備。通過增加設(shè)備傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低延遲，實現(xiàn)動作數(shù)據(jù)的高效傳輸，為實時反饋和分析提供支持。中央控制處理設(shè)備負責接收并處理動作捕捉設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，運行虛擬仿真軟件，生成虛擬訓練場景、存儲和管理訓練數(shù)據(jù)。為虛擬仿真訓練提供計算支持，確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。不斷通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，提升訓練效果。常用的服務(wù)器主要包括：高性能服務(wù)器（如戴爾PowerEdge系列），用于數(shù)據(jù)處理和存儲；圖形工作站（如NVIDIADGX系列），用于運行虛擬仿真軟件；云計算平臺（如AWS、Azure），用于分布式計算和數(shù)據(jù)存儲。AR顯示設(shè)備能將虛擬訓練場景與現(xiàn)實環(huán)境相結(jié)合，為運動員提供沉浸式的訓練體驗。常見設(shè)備有AR智能眼鏡、投影設(shè)備、頭戴式顯示器（HMD）等。

通過合理選擇和配置這些設(shè)備，可以構(gòu)建一個高效、穩(wěn)定和沉浸式的虛擬仿真實訓室。

（2）軟件設(shè)計。

基于AR技術(shù)的籃球在線遠程教學解決方案中，將攝像機捕捉到的真實世界圖像通過計算機的輸入，與計算機圖形系統(tǒng)生成的虛擬場景相結(jié)合，輸出并顯示在屏幕上。該系統(tǒng)的軟件程序包含四個關(guān)鍵要素，分別是動作采集與識別模塊、虛擬場景構(gòu)建模塊、人體3D模型構(gòu)建模塊和籃球動作演示模塊。動作采集從獲取運動員的圖像開始，隨后對圖像進行預(yù)處理，以優(yōu)化圖像質(zhì)量。虛擬場景構(gòu)建模塊的任務(wù)是將兩到三幅真實場景圖像拼接在一起，合成全景虛擬場景。采用專業(yè)的第三方建模軟件3DMAX進行虛擬建模。角色建模軟件Maya是一款專業(yè)的3D動畫、建模、仿真和渲染軟件，可用于動畫、環(huán)境、運動圖形、虛擬現(xiàn)實和角色創(chuàng)作。籃球動作演示模塊負責利用設(shè)計好的人物和場景，在3D動畫制作軟件中制作教學視頻，將渲染和合成的鏡頭放在一起，實現(xiàn)籃球動作演示。通過三種不同的交互風格，可以幫助整個培訓系統(tǒng)實現(xiàn)用戶與計算機的交互。在互動方式上有兩個不同的方面：一是通過3D和2D鼠標及鍵盤切換功能界面；二是借助數(shù)據(jù)服和手套控制虛擬環(huán)境，這兩種互動方式都極其重要，被視為技術(shù)的核心部分。用戶在“新用戶指南”界面結(jié)束后，將被引導至“教學交互”模塊。該模塊包括基礎(chǔ)理論學習、戰(zhàn)術(shù)運用、專項體能與一般體能、演示與競賽、規(guī)則與裁判、欣賞與評價。為了識別和解決系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題與缺陷，需進一步進行系統(tǒng)實現(xiàn)和負載測試。測試內(nèi)容包括功能模塊測試和負載性能測試。功能模塊測試主要涵蓋人體運動采集的實現(xiàn)、虛擬場景構(gòu)建的實現(xiàn)、虛擬人物和虛擬籃球模型的建模實現(xiàn)及籃球教學的實現(xiàn)。此外，為了支持學生同時進行線上學習和訓練，系統(tǒng)還需具備良好的負載性能。

3、虛擬仿真實訓室應(yīng)用場景分析

3.1、各類教學與訓練場景

現(xiàn)代體育正迅速向高難度、高標準、高精度方向發(fā)展，因此，在高校教學中運用現(xiàn)代技術(shù)輔助體育教學和訓練，有一定的應(yīng)用空間。有研究表明：只有 33.52% 的學生有使用虛擬仿真實驗的經(jīng)驗， 20.59% 的學生反映教師在課堂上使用虛擬仿真實驗，54.41% 的學生將其用于課前預(yù)習， 52.94% 的學生將其用于課后自學。韓麗等人認為將動作捕捉技術(shù)引入排球教學，不僅有助于擺脫傳統(tǒng)依靠理論學習的狀態(tài)，還有助于教學質(zhì)量的提升。該技術(shù)在網(wǎng)球、乒乓球、棒球、足球等項目中也取得一定的應(yīng)用成果。Meng研究了如何利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬體育教學環(huán)境。Yao等人的研究為籃球訓練智能系統(tǒng)選擇了最適合的運動識別算法，可為籃球輔助機器人的研究提供參考。Ferrara等人的研究表明，在難度更大的學習內(nèi)容上，使用AR組的表現(xiàn)可能更好，學習效果也更為明顯。郭文等人設(shè)計了一套基于020混合教學模式的高校體育籃球動作互動教學系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)后，學生籃球動作測試成績均有顯著提升。Chang等人的研究表明，AR輔助學習可以提供交互操作的機會，以便學生可以從各個角度觀察演示動作，并參與動覺沉浸式體驗環(huán)境。楊光等人的研究表明，虛擬仿真可以有效提高學生的學習興趣，增強學生在實際情境中的應(yīng)用能力。

3.2、籃球項目中的應(yīng)用

籃球運動不僅對身體素質(zhì)和技術(shù)能力要求較高，還注重戰(zhàn)術(shù)意識、心理素質(zhì)及團隊協(xié)作。而傳統(tǒng)的籃球教學與訓練方法存在諸多局限。例如，訓練場地和時間有限制、訓練內(nèi)容較為單一、訓練效果不可量化等問題，制約了學生的全面發(fā)展。在國外，NBA球隊應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)以提高球員的技戰(zhàn)術(shù)水平和心理素質(zhì)。國內(nèi)學者也開始相關(guān)技術(shù)的探索應(yīng)用。尹杰等人的研究驗證了虛擬仿真技術(shù)能顯著提升籃球運動員的奔跑速度、身體柔韌性和彈跳力。中國籃球運動學院宋志剛教授的研究結(jié)果顯示，經(jīng)過一個月訓練，VR組比傳統(tǒng)訓練效率高出 67% ，這可能是由于運動員佩戴AR眼鏡后，系統(tǒng)會在其視野中顯示最佳投籃軌跡和姿勢調(diào)整建議，便于運動員迅速糾正投籃動作，提高投籃命中率和訓練效果。同時，運動員在虛擬環(huán)境中容易達到高度專注的狀態(tài)。虛擬仿真訓練可以從投籃動作實時監(jiān)控、訓練問題虛擬化、虛擬融合、回放式學習等方面優(yōu)化訓練效果。

以上各位學者的研究，對虛擬仿真實驗運用于體育健康教學中運動技能學習的可行性奠定了良好的基礎(chǔ)。

4、虛擬仿真實訓室實際應(yīng)用效果分析

通過虛擬仿真系統(tǒng)，學生可反復模擬，以此鞏固所學知識點。

本研究選取均為初學者或業(yè)余愛好者的20名受試者（男女各10名），進行20分鐘的虛擬仿真訓練，以評估該訓練對受訓者籃球運動技術(shù)和學習興趣的影響。運動技術(shù)方面，選取投籃命中率、運球穩(wěn)定性、傳球準確性等指標進行討論分析。學習興趣采用問卷調(diào)查表進行分析。

研究結(jié)果表明（見表1），虛擬仿真訓練在短時間內(nèi)顯著提升了受試者的籃球運動技術(shù)。具體而言，投籃命中率平均值從訓練前的 45% 提升至訓練后的 60%[t（19）=4.32 ， plt;0.01] ，運球速度從2.5米/秒提升至3.0米／秒 plt;0.01] ，傳球準確性從 70% 提升至 85%[t（19）=3.95 ， plt;0.01] 。這些數(shù)據(jù)表明，虛擬仿真訓練通過沉浸式體驗和實時反饋，有效提升了受試者的技術(shù)動作表現(xiàn)。分析原因，可能是受試者因新奇的訓練方式而更加集中注意力，加深了學習程度，有效提升了動作訓練效果。此外，問卷調(diào)查結(jié)果顯示，受試者對虛擬仿真訓練的興趣評分從訓練前的3.2分提升至訓練后的4.5分（滿分5分），且85% 的受試者表示對虛擬仿真訓練非常感興趣。同時， 90% 的受試者認為虛擬仿真訓練對技術(shù)提升有幫助，訓練效果的滿意度評分為4.3分。這些結(jié)果表明，虛擬仿真訓練的趣味性和互動性顯著提高了受試者的學習興趣和參與度。

表1實驗前后技術(shù)指標分析

注：差異有統(tǒng)計學意義 （plt;0.05） ；差異無統(tǒng)計學意義 （pgt;0.05） ：

綜上所述，虛擬仿真訓練不僅在短時間內(nèi)顯著提升了受試者的籃球運動技術(shù)，還增強了他們的學習興趣，與前人的研究結(jié)果一致。

5、結(jié)語

虛擬仿真實驗教學項目，是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平的重要舉措。本研究初步驗證了籃球虛擬仿真實訓室的可行性，但尚未全面評估長期訓練的效果。數(shù)字技術(shù)在籃球訓練中具有廣闊前景，但仍需要進一步解決技術(shù)適配性與教學融合問題。這為后續(xù)研究提供了方向，同時也啟示體育教育應(yīng)積極探索智能化訓練模式，以科技賦能運動技能提升。

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