虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

王朋

[摘要]虛擬仿真技術(shù)作為一種綜合集成技術(shù)，涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形、人機(jī)交互、傳感技術(shù)、人工智能等眾多核心技術(shù)，可以逼真的模擬出我們需要的環(huán)境和實(shí)物，給人身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。近年來隨著教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的逐步深入和科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)開始大量應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生通過豐富多彩的教學(xué)手段，多層次、多角度、立體化、真實(shí)化的得到專業(yè)便捷的技能訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和鞏固，提高學(xué)習(xí)的效率和應(yīng)用的直觀性，更加深刻地理解所研究的內(nèi)容和意義，從而提高運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的應(yīng)用效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真技術(shù) 運(yùn)動(dòng)生理學(xué) 實(shí)驗(yàn) 立體化

[中圖分類號(hào)]G712 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5349（2016）06-0236-02

運(yùn)動(dòng)生理學(xué)主要是研究人體在體育活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練影響下機(jī)體在結(jié)構(gòu)和機(jī)能方面的各種變化，探索人體在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)能變化的規(guī)律，以及形成和發(fā)展運(yùn)動(dòng)技能的生理學(xué)規(guī)律，探討人體運(yùn)動(dòng)能力發(fā)展和完善的生理學(xué)機(jī)理，論證并確立各種科學(xué)的訓(xùn)練制度和訓(xùn)練方法。人體在體育活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練影響下機(jī)體機(jī)能變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因其變化的動(dòng)態(tài)性和不易感知性，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來特別抽象，難以理解。單純的依據(jù)課本的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，就更加沒有說服力，極大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握的難度。在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂上開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是增加降低理論學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的有效措施，但在目前的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于受實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的采集與存放、試劑的調(diào)配與更新、實(shí)驗(yàn)器材的種類限制、教師預(yù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、場所與時(shí)間限制和一些復(fù)雜設(shè)備的影響等，很多實(shí)驗(yàn)課開展的效果并不理想，學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少并且缺乏說服力，后期重復(fù)實(shí)驗(yàn)更是無法獨(dú)立操作完成。很多大型實(shí)驗(yàn)由于沒有時(shí)間準(zhǔn)備預(yù)實(shí)驗(yàn)，教師操作的效果也不理想，開設(shè)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)大型實(shí)驗(yàn)的成本較高，耗費(fèi)人力、物力較大卻收效甚微，使學(xué)生深刻理解運(yùn)動(dòng)生理學(xué)知識(shí)受到很大限制。

為了節(jié)約成本，很多學(xué)校就只開展幾個(gè)傳統(tǒng)型的簡單實(shí)驗(yàn)，但是最新的理論知識(shí)和科學(xué)研究，學(xué)生就難以接觸，且這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)由于脫離高端技術(shù)使學(xué)生難以對(duì)實(shí)驗(yàn)印象深刻。實(shí)驗(yàn)知識(shí)的匱乏也影響了學(xué)生獨(dú)立感知，自主研究的積極性，理論應(yīng)用起來更加捉襟見肘。因此，我們迫切需要一項(xiàng)技術(shù)既可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)成功率，又能使學(xué)生自主感知，自主鉆研，使學(xué)生得到專業(yè)便捷的技能訓(xùn)練，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。他不但簡化了實(shí)驗(yàn)課程準(zhǔn)備工作，而且高速的數(shù)據(jù)處理庫提高了實(shí)驗(yàn)的精確度和動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)機(jī)體對(duì)刺激反應(yīng)的敏感度，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，大量數(shù)據(jù)的多角度呈現(xiàn)，更加激起學(xué)生探索的欲望，可以說完美解決了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)所必須的多項(xiàng)技術(shù)。

一、虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)在另一個(gè)占用空間比較小的、制作相對(duì)容易的虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行模仿實(shí)現(xiàn)真實(shí)人機(jī)對(duì)話體驗(yàn)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越精良并逐步自成體系，成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法。人投入到這種環(huán)境中，立即有“身臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，虛擬環(huán)境還能夠?qū)崟r(shí)地做出相應(yīng)的反應(yīng)。

虛擬仿真技術(shù)，是仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實(shí)體。實(shí)體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，也可用一些簡單的數(shù)學(xué)模型表示。實(shí)體在虛擬環(huán)境中相互作用，或與虛擬環(huán)境作用，以表現(xiàn)客觀世界的真實(shí)特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展需求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)：首先虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真引擎代替了實(shí)物，實(shí)驗(yàn)過程不再需要反復(fù)消耗標(biāo)本和試劑，且實(shí)驗(yàn)結(jié)束不需要廢料收集和處理，完美解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中所缺乏的節(jié)能和環(huán)保處理；第二，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不再受到實(shí)驗(yàn)器材的限制，學(xué)生沒有理解的實(shí)驗(yàn)允許反復(fù)操作，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的實(shí)踐能力，大型實(shí)驗(yàn)也省去了繁瑣的準(zhǔn)備過程，節(jié)約了教師的準(zhǔn)備工作；第三，虛擬仿真技術(shù)因其技術(shù)的成熟性，允許學(xué)生自我提升與拓展，課本之外的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可以自主鉆研，不受材料限制，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)與思考的積極性。此外，虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)還為學(xué)生提供在線測評(píng)功能，網(wǎng)絡(luò)化的學(xué)習(xí)模式，為學(xué)生自我鞏固與提升提供了一個(gè)良好空間，抓住了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣點(diǎn)。

二、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合

以前學(xué)校進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是通過課本理論的教授進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，然后再通過小白鼠、青蛙等動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種探究方法單一而且讓學(xué)生很難完全信服。幾乎所有運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論，都來自觀察動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)能活動(dòng)并對(duì)其因果關(guān)系的分析來實(shí)現(xiàn)。放到人體之后的結(jié)論顯得單薄而且缺乏說服力。另外，由于人力及物力資源的種種限制，實(shí)驗(yàn)課本身課時(shí)較短，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身缺乏科學(xué)性和完整系統(tǒng)性，所以很多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與最終需要印證的結(jié)論相關(guān)性不符，做得有名無實(shí)。

近年來虛擬仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大提高了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用廣度和深度，很多難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)經(jīng)過模式過程之后學(xué)生可以真切地感受到學(xué)習(xí)起來更加容易，記憶也更加深刻。將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是傳統(tǒng)教育手段與現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的創(chuàng)造性結(jié)合。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：多媒體展示的集成性、人機(jī)交互的操作性、大容量存儲(chǔ)的豐富性、高速傳輸?shù)谋憬菪?、超時(shí)空交流的共享性等。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)可以分為三個(gè)階段：一是初級(jí)階段，即學(xué)生剛開始接觸系統(tǒng)階段，這個(gè)時(shí)期學(xué)生對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)還比較陌生，很多的功能還不熟悉，教師需要對(duì)學(xué)生加以引導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生的反饋對(duì)系統(tǒng)加以修改和調(diào)整，盡量達(dá)到彼此合作融洽；二是模塊建立階段，當(dāng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)有了初步的了解之后，就需要根據(jù)教學(xué)的進(jìn)度和學(xué)生學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)里面的實(shí)驗(yàn)加以增減和調(diào)整，做到既能滿足學(xué)生知識(shí)掌握，又可以達(dá)到能力提升效果，并將最前沿的知識(shí)嵌入實(shí)驗(yàn)?zāi)K，讓學(xué)生一起走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室觀摩也是很好的教學(xué)方式，觀摩過程中學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用會(huì)更加深刻，讓學(xué)生明白科學(xué)探索的過程其實(shí)就是知識(shí)應(yīng)用的過程，這個(gè)過程真正存在并不是遙不可及，培養(yǎng)起多思考多動(dòng)腦的習(xí)慣；三是模塊應(yīng)用階段，即通過所學(xué)的知識(shí)，所做的實(shí)驗(yàn)，探究人體運(yùn)動(dòng)生理學(xué)知識(shí)的運(yùn)用與開發(fā)，這個(gè)過程是一個(gè)開放的過程，根據(jù)每個(gè)人理解的不同，所能探索的結(jié)果也各有千秋，沒有標(biāo)準(zhǔn)的答案，探索永無止境。

例如在學(xué)習(xí)“人體安靜與運(yùn)動(dòng)過程中心率和動(dòng)脈血壓變化”課程時(shí)，單純的文字說明和表格對(duì)比雖然可以使學(xué)生直觀的看到數(shù)值的變化，但是體現(xiàn)在人體中的動(dòng)態(tài)變化卻很難發(fā)現(xiàn)和感受。通過查閱大量文獻(xiàn)，進(jìn)行總結(jié)歸納，并通過計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)把實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容搬到理論課上，經(jīng)過文本、圖片、動(dòng)畫、視頻、仿真空間體驗(yàn)等幾步的動(dòng)態(tài)體感之后，讓學(xué)生直觀地觀察到人體從靜態(tài)到運(yùn)動(dòng)再到運(yùn)動(dòng)逐步加快的過程中心率和動(dòng)脈血壓的直觀的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的變化過程，把實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與學(xué)生的多種感官相互關(guān)聯(lián)，把知識(shí)的傳授過程由被動(dòng)的灌輸、被迫接受轉(zhuǎn)化為學(xué)生自己總結(jié)、歸納、探索，使學(xué)習(xí)過程變得快樂且學(xué)生更加容易接受。運(yùn)動(dòng)的方法有好多種，速跑和慢跑是兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式，他所牽動(dòng)的器官不同，達(dá)到的效果不同，學(xué)生為此進(jìn)行了一次愉快的辯論，最終大家都為自己的觀點(diǎn)鼓掌叫好。每種運(yùn)動(dòng)背后都包含著大量的科學(xué)知識(shí)，合理的運(yùn)動(dòng)就是最好的科學(xué)。

三、現(xiàn)狀與前景展望

實(shí)驗(yàn)課一定要“重視學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性”，一門課程的學(xué)習(xí)，結(jié)果只是一方面，重視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與度和知識(shí)獲得過程，才是我們教學(xué)的目的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的掌握我們完全可以直接告訴學(xué)生結(jié)果：做擴(kuò)胸訓(xùn)練有助于增加肺活量，做引體向上可以鍛煉背闊肌，仰臥起坐可以鍛煉腹肌，等等，我們單純的教授完畢對(duì)學(xué)生有什么效果呢？他的擴(kuò)胸運(yùn)動(dòng)很到位，肺活量大有增加；他的引體向上很到位，卻導(dǎo)致了肌肉拉傷；他的仰臥起坐連貫而有力，卻導(dǎo)致脊柱受損……這種風(fēng)險(xiǎn)不僅對(duì)普通人是存在的，而且對(duì)那些經(jīng)常鍛煉的人亦然?，F(xiàn)代人的養(yǎng)生觀念很強(qiáng)，每個(gè)人都需要運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)也需要講究技巧與方法，我們學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的目的就是知其然，更要知其所以然。大量逼真完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，解放了學(xué)生的思想，相應(yīng)的研究過程中碰到的問題也就越多，為了滿足學(xué)生探索的需求與我們?nèi)粘Ｃ媾R的挑戰(zhàn)，我們的路任重而道遠(yuǎn)。

隨著人們對(duì)虛擬仿真技術(shù)的逐步完善，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，下一步我們將搜集更多的文字、圖片、音頻、動(dòng)畫等素材，組建更多的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，讓虛擬仿真技術(shù)更好地服務(wù)于運(yùn)動(dòng)生理學(xué)及各個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，尤其是以后更可以豐富中小學(xué)課堂的教學(xué)課堂。通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用讓學(xué)生處于一種多層次、多角度、立體化的學(xué)習(xí)空間中，直觀真切地感受到外部因素變化對(duì)身體的影響，改善了學(xué)生對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的理解形式，提高了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)課程的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性，也提高了學(xué)習(xí)效率。虛擬仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必將使運(yùn)動(dòng)生理學(xué)迎來新的生機(jī)和活力，根據(jù)教師的指導(dǎo)得到更加專業(yè)的技能訓(xùn)練，使人們更加科學(xué)的通過體育訓(xùn)練，改善人體技能，提高身體素質(zhì)。

四、小結(jié)

體育學(xué)科是一門理論與實(shí)踐完美結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科，越來越受到學(xué)生及普通民眾的歡迎。運(yùn)動(dòng)生理學(xué)作為體育科學(xué)的輔助學(xué)科也是一門非常重要的理論課程，他主要研究人體在體育活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練影響下機(jī)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)能的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)而探討出完善人體運(yùn)動(dòng)能力發(fā)展的科學(xué)機(jī)理，指導(dǎo)人們科學(xué)準(zhǔn)確的完成各種訓(xùn)練。虛擬仿真技術(shù)作為一門理論與科學(xué)結(jié)合的科學(xué)手段，極大地提高了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的可操作性和趣味性，滿足了當(dāng)前運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作需求，可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生通過豐富多彩的教學(xué)手段，多層次、多角度、立體化、真實(shí)化的得到專業(yè)便捷的技能訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和鞏固，提高學(xué)習(xí)的效率和應(yīng)用的直觀性，更加深刻地理解所研究的內(nèi)容和意義，從而提高運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的應(yīng)用效果。

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責(zé)任編輯：彭海多