虛擬仿真技術(shù)在大課間活動中的應(yīng)用研究

林少悅，王艷冰

（廣州市荔灣區(qū)真光中學，廣東 廣州 510375）

近年來由于學生體質(zhì)逐年下降，我國發(fā)布了有關(guān)增強學生身體素質(zhì)的一系列文件，如《關(guān)于加強青少年體育增強青少年體質(zhì)的意見》等，要求通過陽光體育活動的開展，讓學生每天能鍛煉一個小時，促進學生身心健康全面發(fā)展。為了響應(yīng)國家的政策號召，大課間活動逐漸在各校開展開來。學校大課間的編排與訓練涉及音樂的選擇、動作的選編、復雜路線設(shè)計和全體師生重復多次的演練，如果考慮不周極易出現(xiàn)混亂和錯誤，導致師生怨聲載道，浪費時間、人力和物力，降低學生訓練的積極性和影響活動的效果。如何提高編訓的效率，減少師生無謂的重復演練是急需解決的難題。

20世紀90年代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域，為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)的可視化提供了新的描述方法。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到大課間編排中，可以隨時與虛擬環(huán)境中的場景和對象進行自由交互，為設(shè)計者、實施者與決策管理者提供可視化的決策工具。虛擬現(xiàn)實中的三維動畫技術(shù)可以建立一個標準的競技健美操運動員動態(tài)模型，用來虛擬創(chuàng)編動作，進行試探、分析、評價、反饋、修改和確定等工作，減少創(chuàng)編環(huán)節(jié)中負面的人為因素的影響，使創(chuàng)編效率和質(zhì)量進一步提高。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于大課間編排階段的介紹

（1）沉浸感（Immersion） 。沉浸感又稱臨場感，指參與活動的師生感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使參與活動的師生全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，所達到的最高境界就是：模擬校園環(huán)境中的一切物品看上去是真的，音樂聽上去是真的，每個動作動起來是真的，如果能配備上相關(guān)的材料，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。

（2）交互性（Interactivity） 。 相對早期的三維動畫，虛擬仿真技術(shù)更講求使用者對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，學生可以用眼睛直接看模擬環(huán)境中虛擬的同伴，這時眼睛看到了同伴的感覺，并可以感覺到自己站立的位置是否合理，通過調(diào)整位置同伴也能立刻隨著需要而移動。

（3）構(gòu)想性（Imagination） 。 大課間的編排注重“一校一品”，每所學校需要展示專屬于自己學校的特色，因此對編排者的創(chuàng)意設(shè)計提出很高的要求。虛擬仿真現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)為創(chuàng)編者提供廣闊的可想象空間。拓寬編導的認知范圍，不僅可以將編導已有的構(gòu)思呈現(xiàn)出來，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的內(nèi)容，借助他人已經(jīng)使用成熟的環(huán)境，甚至可以創(chuàng)設(shè)一些現(xiàn)實不可能發(fā)生的環(huán)境。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于大課間實際教學階段的介紹

2.1 在大課間各個模塊的應(yīng)用

大課間的形式有常規(guī)型大課間和展示型大課間2種。常規(guī)型是基礎(chǔ)，符合國家推廣大課間的原意。常規(guī)型大課間的內(nèi)容分為入場、自編操、跑操、特色內(nèi)容、放松操、退場等6個模塊。

2.1.1 在入場和退場方面的應(yīng)用每所學校的構(gòu)造和布局不同，有的學校位于老城區(qū)，學校規(guī)模比較小，教室主要以多層建筑為主，上下的通道少，再加上運動場所少，給大課間的進退場造成很大的障礙。模擬仿真技術(shù)系統(tǒng)通過建立中央集成模塊，將數(shù)據(jù)庫與虛擬現(xiàn)實模型實時結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫對虛擬模型的實時、交互控制，呈現(xiàn)架設(shè)過程中各建筑物的樓層、尺寸、寬度、長度、拐角、位移等，與完成大課間進場退場的實時情況相結(jié)合，將所需的時間、路線等數(shù)據(jù)附著于圖像展示出來，便于執(zhí)行和操作。

2.1.2 在自編操和放松操方面的應(yīng)用自編操和放松操是展示學校特色的主要內(nèi)容，模擬仿真技術(shù)中VRP顯示系統(tǒng)為主程序提供直觀、友好的動畫場景，通過動畫展示動作的節(jié)數(shù)，清晰顯示動作的位置、運行軌跡、動作控制的角度。師生可以隨機進行交互操作學習，可以進行放大、旋轉(zhuǎn)、回放、重復播放等各種控制和深入觀察；也可根據(jù)教學的重點、難點進行針對性的觀察和練習；也可以分發(fā)給學生回家自行練習，提高動作完成質(zhì)量，減輕體育教師的工作量。

2.1.3 在跑操方面的應(yīng)用跑操要求在跑動過程中步伐、步調(diào)整齊一致，間隔距離保持恒定，排面整齊，節(jié)拍統(tǒng)一。在常規(guī)型的大課間基礎(chǔ)上往往會向展示型大課間轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的首選就是通過跑操來顯示各種圖案。主程序的控制是以目錄樹的形式分級顯示各階段的圖案變化，每一層內(nèi)容變化之間層次清楚、查詢方便，操作者可以通過該控件直觀的調(diào)用查詢各段動作變化的時間、圖形、尺寸、路線、重量長度等參數(shù)。

2.1.4 在特色內(nèi)容方面的應(yīng)用“一校一品一特色”是大課間的核心內(nèi)容，在創(chuàng)編特色內(nèi)容時需要以學校已有的傳統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合音樂再加上藝術(shù)的修飾呈現(xiàn)出來，在這個過程中需要多次的修改和完善。模擬仿真技術(shù)中VB-VRP操作系統(tǒng)的3個模塊在這方面能替代人來進行試驗，通過查看效果進行修改完善，減輕了人的負擔。這3個模塊為虛擬現(xiàn)實模型、數(shù)據(jù)庫和中央集成模塊。虛擬現(xiàn)實的建模是通過自己編寫的應(yīng)用軟件“CIS2CAD”將CIS2轉(zhuǎn)化為AUTOCAD文件。該軟件可直接讀取、設(shè)計、分析、制作大課間模型的STP文件，并可立即產(chǎn)生整個大課間特色活動的三維CAD實體模型。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在大課間實踐教學中的應(yīng)用實例

虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)一方面可以詳細地展現(xiàn)大課間實施階段每一個8拍的截面尺寸、形狀、面積、長度、動作規(guī)格和實時教學完成百分比，以及提供詳細的教學動畫演示等。

2.2.1 小班（年級）教學階段的應(yīng)用在完整大課間展示之前先根據(jù)教學需要進行分小班（年級）教學，通過虛擬仿真技術(shù)坐標系的運用，以學校體育場的東西方向為坐標軸中的X軸方向，西方向為坐標軸的正方向，南北方向為坐標軸的Y軸方向，南方向為坐標軸的正方向，垂直方向為Z軸方向，其中X的零點在體育場地的中心軸線。通過精確的坐標定位，可以將大課間的整體內(nèi)容分拆成不同的模塊進行小班或按年級進行教學，各個班在練習時可以獨立開展，就像工廠里生產(chǎn)零部件一樣互不干擾，為最后的“組裝”做好準備。

2.2.2 集體合練階段的應(yīng)用集體合練是介于分組練習及正式展示之間的一個重要環(huán)節(jié)。音樂的適宜性和動作美觀實用性都要在這個環(huán)節(jié)進行修改和提高，最終達至大課間整體方案的重新選擇和優(yōu)化。以往的大課間編訓方法及教學組織主要是建立在施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，存在一定局限性，同時大課間編訓是一項耗時耗力巨大的學校體育活動，具有不可重復性。使用該平臺的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將可以直觀、科學地展示不同階段的設(shè)計和教學效果，可以定性地完成教學方案的對比，有助于教學方案的選擇和優(yōu)化，實現(xiàn)真正的最優(yōu)教學。

2.2.3 成品展示階段的應(yīng)用將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于大課間的成品展示中，把現(xiàn)代教學管理的工作內(nèi)容做到“圖像化”“具體化”和“簡單化”，將復雜的動作編排、音樂編輯、隊形變化、路線設(shè)計實現(xiàn)了真正意義上的“數(shù)據(jù)附著于圖像，圖像蘊含著數(shù)據(jù)”，在成品展示的初期可以組織學生反復觀看動畫，熟悉流程和細節(jié)，減少現(xiàn)場演練面對復雜多變的人群，室外不確定的天氣場地因素，大大縮短集體訓練時間和訓練難度，增加學生的成功感，教會學生統(tǒng)籌策劃能力，有利于學生多種能力素質(zhì)的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實與可視化仿真技術(shù)在大課間成品展示階段的應(yīng)用，具有操作性強、仿真性強，設(shè)計科學、教學技術(shù)先進等優(yōu)勢，為減輕師生在編訓過程中的勞動強度作出突出貢獻。

3 結(jié) 語

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為大課間的有效實施和校核工作提供了很大方便，實現(xiàn)了對大課間整體編排及訓練的數(shù)據(jù)化管理，可以任意查詢各部分的實施過程，實現(xiàn)了通過節(jié)點對虛擬現(xiàn)實模型的實時控制，方便了師生對整個活動中每個環(huán)節(jié)的監(jiān)控，改變了以往單憑體育教師手繪圖紙、調(diào)用學生反復試驗的落后工序。這項新技術(shù)的引入實現(xiàn)了編訓過程的直觀化，革新了教學技術(shù)，有助于創(chuàng)編者發(fā)揮創(chuàng)造性，同時縮短了室外教學的時間，降低了教學的風險。虛擬現(xiàn)實與可視化仿真計算及顯示方法已經(jīng)成為大課間活動設(shè)計、實施優(yōu)先考慮的手段。隨著大課間活動規(guī)模的不斷擴大，此項技術(shù)轉(zhuǎn)向大型開幕式的設(shè)計創(chuàng)編、施工組織等將有更廣闊的發(fā)揮空間。