基于虛擬仿真技術(shù)探討運動人體科學實驗教學改革的初步構(gòu)想

李　蕾，胡振東，薛　鵬，章笑來，黃　山①（淮北師范大學 體育學院，安徽 淮北 235000）

基于虛擬仿真技術(shù)探討運動人體科學實驗教學改革的初步構(gòu)想

李蕾，胡振東，薛鵬，章笑來，黃山
①
（淮北師范大學 體育學院，安徽 淮北 235000）

全民健身的蓬勃發(fā)展要求體育學科培養(yǎng)出一專多能的應用型人才，運動人體科學實驗教學是培養(yǎng)應用型人才的重要環(huán)節(jié).本文基于虛擬仿真技術(shù)對運動人體科學實驗教學改革的探討提出初步構(gòu)想，旨在更好地把握學科發(fā)展動態(tài)和走向，為社會輸送一專多能的體育類綜合人才，順應時代的發(fā)展.

虛擬仿真；運動人體科學；實驗教學

隨著國家體育事業(yè)的發(fā)展，全民健身得到蓬勃發(fā)展.運動人體科學是適應社會對健康的需求和全民健身計劃綱要的實施而形成的運動與醫(yī)學交叉的新型學科.學科的發(fā)展立足于運動與健康的緊密結(jié)合，既有自身理論體系，又十分重視實踐教學.然而受限于實驗傳統(tǒng)教學模式對實驗器材、場地、經(jīng)費等的依賴，學生通過實驗學習后，其實踐和創(chuàng)新能力并不能收到較好效果.因此，本文基于虛擬仿真技術(shù)對運動人體科學實驗教學改革提出初步構(gòu)想，旨在為運動人體科學實驗教學的改革和創(chuàng)新提供探討思路.

1　目前運動人體科學實驗教學存在的主要問題

實驗教學是理論教學的一種延續(xù).就我校“運動人體科學實驗中心”來說，經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)已是省級教學實驗示范中心，但在教學實踐中仍然存在著諸多問題.1）受實驗成本和資源的限制.某些實驗設(shè)備昂貴、實驗試劑盒耗材價格高、實驗學生多、經(jīng)費不能滿足該類實驗開展.2）受時空限制，如運動的橫向和縱向研究，分別受到運動空間和時間的限制.3）受教師資源短缺的限制，目前，缺乏實驗專職人員，任課教師一人身兼數(shù)門課程的實驗教學.因此，運動人體科學實驗教學基本是以簡單的驗證性實驗為主，且“運動”的特點突出不夠.圍繞體育運動的綜合性、設(shè)計性的實驗開展太少，課時不足以支撐此類實驗的開展；開放性實驗開展流于形式，不能滿足廣大學生對運動健康領(lǐng)域?qū)嶒灥男枨?以上導致實驗課僅僅是理論課的重復，其實驗教學內(nèi)容陳舊，不能緊跟時代發(fā)展，不能充分滿足運動人體科學實踐性及應用性強的要求.

2　虛擬仿真及其應用的提出

2012年9月5日，劉延東在全國教育信息化工作電視電話會議上專門針對教育信息化展開說明.她強調(diào)教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促進教育公平、提高質(zhì)量的有效手段，是建設(shè)學習型社會的必由之路［1］.可見，積極探索高校實踐教學工作改革的重點——虛擬仿真實驗教學改革意義重大.虛擬仿真或稱虛擬現(xiàn)實，它是一種利用現(xiàn)代高科技電腦技術(shù)為核心，虛擬現(xiàn)實環(huán)境而產(chǎn)生的融視覺、聽覺、觸覺于一體的一個特定情景范圍，用戶在其中通過特定的儀器設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對象互動，互相影響，從而體驗到與真實情境相似的感情和體驗［2］.虛擬仿真技術(shù)在建筑、機械、娛樂、訓練、教學、遙控操作及模擬預測等領(lǐng)域已取得較好的效果.虛擬仿真技術(shù)的應用，不僅可以節(jié)省傳統(tǒng)實驗教學中產(chǎn)生的耗材等費用，使教學內(nèi)容豐富多彩，而且可以保證實驗教學環(huán)境安全、穩(wěn)定，打破時間和空間的限制，這為在醫(yī)學及運動人體科學領(lǐng)域的推廣起到良好的啟發(fā)示范作用.

3　虛擬仿真技術(shù)應用于醫(yī)學領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在醫(yī)學教學各個環(huán)節(jié)中可能會涉及到一些不方便使用傳統(tǒng)掛圖或者模型進行授課的情況，如醫(yī)療技術(shù)操作實踐等.利用計算機虛擬仿真技術(shù)，進行上述情境的教學模擬，是目前醫(yī)學教育領(lǐng)域中應用虛擬仿真技術(shù)的現(xiàn)狀，它是教學仿真的典范［3］.如，虛擬手術(shù)、虛擬診斷、虛擬護理、虛擬醫(yī)療設(shè)備、虛擬病人、虛擬病房等；多維全景人腦圖的虛擬教學軟件；虛擬災害環(huán)境的護理措施的研究；用于考試和教學的臨床病例庫，即虛擬臨床瀏覽；虛擬急診患者情景，很好地鍛煉醫(yī)護人員的應變能力.為了從技術(shù)上支持虛擬實驗室的建設(shè)，相關(guān)軟件的研發(fā)是重要內(nèi)容之一.目前，Mathworks公司推出的MALLAB語言，美國NI公司研發(fā)的LabVIEW圖形化編程語言及美國ELANIX公司研發(fā)SystemView軟件比較具有代表性.國內(nèi)醫(yī)學院校中，借助虛擬仿真平臺，南京中醫(yī)藥大學取得豐富的教學實踐成果.1997年以來，南京中醫(yī)藥大學第一個采用計算機仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究虛擬仿真教學系統(tǒng)并應用于教學實踐.他們先后研發(fā)出3個實驗教學體系，即人體機能學自主學習平臺、形態(tài)數(shù)字化模擬實驗室和人體解剖學網(wǎng)絡(luò)自主考試系統(tǒng).這3個平臺基本覆蓋基礎(chǔ)醫(yī)學實驗教學涉及到的所有內(nèi)容，不僅滿足提高實驗教學的深度和廣度的要求，而且?guī)椭鷮W生盡快形成虛擬與真實實踐相結(jié)合的學習能力［4］.可見，容易取得實質(zhì)性效果的是醫(yī)學教育學科.運動人體科學作為醫(yī)學與體育交叉的邊緣學科，很大程度上涵蓋預防醫(yī)學、臨床醫(yī)學、康復醫(yī)學等醫(yī)學領(lǐng)域的學科，其培養(yǎng)目標和方式與醫(yī)學十分相似.虛擬仿真實驗教學改革在醫(yī)學院校的發(fā)展，可以說為運動人體科學虛擬仿真實驗教學的改革提供了大量可借鑒和可操作的案例.

4　體育系統(tǒng)仿真概念、特點及目前進行的研究工作

體育教師豐富的教學經(jīng)驗，教練員的訓練理念，組織管理者的管理機制以及運動員的訓練進程，這些共同構(gòu)成了一個小系統(tǒng).假設(shè)利用計算機仿真模擬技術(shù)整合和重現(xiàn)上述小系統(tǒng)中的4個組成部分，則可以對該系統(tǒng)進行整體層面的分析、評價和預測等，把這種模擬稱為體育系統(tǒng)仿真［5］.體育系統(tǒng)仿真實際上是一種實驗技術(shù)科學，它具有邊緣性、應用性、學科高度交叉融合、研究對象復雜的特點.橫向角度看，體育系統(tǒng)仿真的研究范圍包括以下幾個方面：運動訓練（虛擬環(huán)境，虛擬編排等），健身娛樂（電子游戲等），體育教育（電子教案等），器械設(shè)計，測量與可視化，組織管理（虛擬演練，大型團體操），康復治療及其他.縱向角度看，其研究范圍包括：運動選材-訓練目標規(guī)劃-運動診斷-組織訓練-運動監(jiān)測-訓練控制等一系列流程.

為測定人體平衡能力，國家體育總局體育系統(tǒng)仿真實驗室的李祥晨團隊研制出了人體平衡測試分析系統(tǒng)（Quick Balance v1.5，BestPoise V1.0，VR-Poise v1.0 3個版本），該系統(tǒng)可以廣泛應用于運動員選材，以及神經(jīng)、耳鼻喉、骨、老年病、麻醉等方面的研究上.該團隊還進行了藝術(shù)體操集體項目虛擬編排系統(tǒng)的研究，以及人體全身力測試和可視化系統(tǒng).蹦床運動訓練實時監(jiān)控和可視化系統(tǒng)、舉重無線實時測量和可視化系統(tǒng)、滑冰無線實時測量和可視化系統(tǒng)、新型防護頭盔和用具的CFD分析和設(shè)計、新型特種材料在體育器材裝備應用的虛擬設(shè)計和分析.未來體育系統(tǒng)仿真作為實用性強的邊緣學科，其發(fā)展需要計算機等相關(guān)基礎(chǔ)學科的支持，更加關(guān)注各種2D、3D交互設(shè)備和儀器的開發(fā)和應用.

5　基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學優(yōu)勢

建立虛擬仿真實驗室后，學生可以在實驗課上進行反復多次的虛擬操作.這樣，既幫助學生熟悉實驗操作程序，又使實驗室減少不必要的耗材，也不需要大量相關(guān)的實驗教輔人員，當然，儀器的保養(yǎng)、維修以及產(chǎn)生的費用等問題也相應地得到解決.隨著知識的更新，只需升級和補充計算機服務器中的虛擬實驗內(nèi)容，極大地節(jié)省教學成本.對于學科專業(yè)中涉及到的高精端儀器設(shè)備，學生可以在虛擬仿真實驗室中見識到，并反復虛擬操作、練習，可以彌補教學儀器的不足.通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以完成課下的復習、預習，操作練習，打破傳統(tǒng)實驗教學模式中時間和空間對學生的限制，這無疑對提高學生的學習效率，取得較好的學習效果提供有力的保障.更為重要的是，表征虛擬仿真實驗室特殊功能的即是其智能化，智能化的功能使得人們在虛擬仿真實驗室可以實現(xiàn)人機互動，甚至對話.可以說，智能化對于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)大有好處，同時，學生對于問題的分析思考以及應用跨學科知識解決問題的能力都將得到大幅提高.

6　基于虛擬仿真技術(shù)的運動人體科學實驗教學改革構(gòu)想

依據(jù)學科專業(yè)模塊、整合運動解剖學、運動生理學、體育保健學和體質(zhì)測量與評價4大實驗項目，以人體器官、組織結(jié)構(gòu)、病理過程及康復診療為主線，力求形成以實驗或案例為核心的較為系統(tǒng)的虛擬化的運動人體科學實驗教學體系.自建題庫系統(tǒng)，提供在線測試，便于預復習和自測.構(gòu)想包括功能模塊建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)教學平臺建設(shè)、開放管理模式建設(shè)3部分.

6.1功能模塊建設(shè)

功能模塊建設(shè)包括以下5個方面：

1）運動機能學虛擬仿真實驗模塊.包括人體生理學、運動生理學的虛擬實驗教學系統(tǒng)、高仿真模擬人技術(shù)等.運動機能學類的教學側(cè)重于實驗機能的開展，普通驗證性實驗可以通過配備實驗器材來實現(xiàn)，但許多連續(xù)性、整體性的實驗就不可能大規(guī)模的實現(xiàn)，因此，虛擬仿真教學就凸顯其優(yōu)勢.

2）運動解剖學虛擬仿真實驗模塊.包括人體解剖學、局部解剖學、運動解剖學等數(shù)字人解剖系統(tǒng)，3D解剖模型，通過人機交互實現(xiàn)瀏覽人體結(jié)構(gòu)模型等.

3）運動醫(yī)學虛擬仿真實驗模塊.包括心肺復蘇（高級電腦心肺復蘇模型），經(jīng)絡(luò)腧穴定位的3D訓練模塊，運動損傷的處理（運動損傷的診斷，急救，治療，康復）等思維仿真訓練系統(tǒng)，鍛煉和加強學生能夠運用課堂講授知識分析、診斷具體的運動損傷案例，提高他們的實踐能力，理論聯(lián)系實際的能力，進一步與教學大綱的要求相吻合.

4）運動處方虛擬仿真實驗模塊.包括連續(xù)性、系統(tǒng)性的體質(zhì)測量與評價，體適能橫向和縱向評價，體質(zhì)評價數(shù)據(jù)庫，運動處方制定和跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)等.

5）仿真考試模塊.滿足教學結(jié)束后對學生的技能測試要求，不僅可以客觀公正地評價學生學習效果，便于學生自測、預習和復習，同時大大減輕教師的工作量，便于教師直觀、省時、高效率地觀察到學生的實訓效果，這遠好于目前實驗課費時費力、客觀性欠缺的評分體系.

6.2網(wǎng)絡(luò)教學平臺建設(shè)

鑒于醫(yī)學教育領(lǐng)域虛擬仿真的做法，可以借鑒醫(yī)學教育的模式，利用學校局域網(wǎng)的優(yōu)勢，對我校的運動人體科學實踐教學進行虛擬改造，例如各種運動損傷防護等技能操作，典型案例圖片及視頻等均可以進行虛擬仿真建設(shè).利用校園網(wǎng)，還可以設(shè)立專門網(wǎng)頁，使所有教學資源網(wǎng)絡(luò)信息化，例如教學大綱、教案、教學視頻、開放實驗室預約等，便于學生自主學習和獲取信息［6］.同時實驗報告提交、師生互動、實驗成績查詢、網(wǎng)上評教等都在教學網(wǎng)站上實現(xiàn).網(wǎng)絡(luò)教學平臺的建設(shè)不僅可以提高實驗教學的效果，也可以大大減輕教師實驗教學的工作量，節(jié)省寶貴的時間.網(wǎng)絡(luò)教學平臺不僅在校內(nèi)進行布局和共享，也可以在省內(nèi)甚至全國同類學科間進行部署和共享.

6.3開放管理模式建設(shè)

為配合網(wǎng)絡(luò)教學的順利開展，保證虛擬仿真實驗室的正常運行，相應的開放管理模式必須得到重視和研究.教師，學生和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)員是參與管理的3個重要方面，因此，形成從技術(shù)員到教師再到學生的三位一體的綜合管理模式，具有一定的借鑒價值.由三方人員共同管理虛擬仿真實驗室，技術(shù)員和教師統(tǒng)一安排，結(jié)合學生自主管理，做到集中和放開相結(jié)合，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學平臺的優(yōu)勢，使學生能充分利用課余時間進行技能學習和操作練習［7］.

7　展望

綜上，運動人體科學虛擬仿真實驗教學改革具有一定的可行性和必要性.全民健身熱潮的到來和體育產(chǎn)業(yè)的朝陽勢頭，無時不在提醒我們，運動人體科學應注重實踐應用型人才的培養(yǎng).基于虛擬仿真實驗技術(shù)平臺的運動人體科學實驗教學改革將幫助我們更好地把握住學科發(fā)展動態(tài)和走向，為社會輸送一專多能的體育類綜合人才，順應時代的發(fā)展.

［1］林鴻程，梁馨云，吳柱國，等.某校臨床技能虛擬仿真培訓中心建設(shè)的探索［J］.現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生，2015，31（12）：1903-1905.

［2］吳廣霞，張佩，姜秀文，等.虛擬仿真技術(shù)在護理專業(yè)實踐教學中的應用研究進展［J］.齊魯護理雜志，2015，21（2）：43-45.

［3］張敬南，張繆鐘.實驗教學中虛擬仿真技術(shù)應用的研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（12）：101-104.

［4］郭靜，劉曉燕，朱學江，等.虛擬仿真教學平臺在基礎(chǔ)醫(yī)學教學中的應用［J］.南京醫(yī)科大學學報（社會科學版），2014 （6）：498-500.

［5］解毅飛，李祥晨.足球裁判員培訓仿真系統(tǒng)的研制［J］.體育科學，2001，21（3）：53.

［6］杜鵑，尹艷艷，沈兵.虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在機能學實驗中的運用［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學教育，2015，17（2）：155-156.

［7］王燕，車敏，楚慧媛.中醫(yī)院校建設(shè)基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐［J］.甘肅中醫(yī)學院學報，2015，32 （2）：94-96.

Preliminary Teaching Reform of Experiment of Sports Human Science Based on Virtual Simulation Technology

LI Lei，HU Zhendong，XUE Peng，ZHANG Xiaolai，HUANG Shan
（School of Physical Education，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

The development of national fitness requires cultivation of multi-skilled applied talents，in which experiment of sports human science plays a key role.This paper proposes a preliminary reform idea for the ap?plication of virtual simulation technology in the reform of experiment of sports human science.It is hoped that such a reform will help to keep up with the trend of science and cultivate multi-skilled talents for the soci?ety.

virtual simulation；sports human science；experiment teaching

G 804.2

C

2095-0691（2016）02-0083-04

2015-10-26

安徽省教學研究項目（2014jyxm165）；淮北師范大學校級重點教研項目（jy14016）

李蕾（1978-），女，安徽淮北人，博士，副教授，研究方向：運動與健康促進.