基于虛擬仿真系統(tǒng)在體育教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：VR的仿真技術(shù)主要通過觸覺、視覺、聽覺等多種感知能力模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，而體育教學(xué)中恰恰需要學(xué)生的多種感覺的共同參與。本文主要通過對(duì)VR技術(shù)的特點(diǎn)和體育教學(xué)過程本身的特點(diǎn)進(jìn)行融合，強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和負(fù)荷在VR體育教學(xué)仿真系統(tǒng)中的運(yùn)用。改變以往教師基于肉眼觀察在學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，到基于準(zhǔn)確的人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù);改變以往以經(jīng)驗(yàn)來主觀判斷學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，到基于程序化人體運(yùn)動(dòng)模擬與仿真人體運(yùn)動(dòng)分析，以客觀的數(shù)據(jù)來說明學(xué)習(xí)者存在的問題;減少學(xué)生在教學(xué)中運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)獲得時(shí)間，強(qiáng)化肌肉的動(dòng)作記憶，縮短教學(xué)周期，提高教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);體育教學(xué);運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度

一、緒論

體育教學(xué)目標(biāo)是在特定的時(shí)間和空間內(nèi)讓學(xué)習(xí)者達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，在特定的時(shí)間和空間內(nèi)主要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與的意識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的體育教學(xué)過程是教師講解示范，學(xué)生模仿，錯(cuò)誤糾正，反復(fù)練習(xí)等過程，在信息化的今天，傳統(tǒng)的教學(xué)很難充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，然而，基于VR體育教學(xué)讓學(xué)生真正體驗(yàn)到身臨其境的感覺，通過肢體的活動(dòng)充分感受到技能學(xué)習(xí)的效果，學(xué)習(xí)者通過與虛擬環(huán)境之間相互交互，在虛擬的環(huán)境中感受到真實(shí)的場(chǎng)景，在虛擬的環(huán)境中體驗(yàn)動(dòng)作的學(xué)習(xí)及動(dòng)作的運(yùn)用，改變了由以往的“以教促學(xué)”轉(zhuǎn)為“交互式”學(xué)習(xí)方式。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

如何使廣大學(xué)生能在短時(shí)間內(nèi)更好學(xué)會(huì)技術(shù)動(dòng)作，在教學(xué)過程中采取什么樣的教學(xué)方法和策略，以及在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)易犯錯(cuò)誤如何有效采取干預(yù)措施等成為廣大教師在今后的教學(xué)中研究重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是基于人肉眼觀察到人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析及基于情感經(jīng)驗(yàn)方法去判斷教學(xué)中存在的問題;每位教師判斷的標(biāo)準(zhǔn)不一，帶有較強(qiáng)主觀性，不利于客觀分析每位學(xué)生技術(shù)特征，然而，VR虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)微動(dòng)作的精確捕捉和數(shù)據(jù)分析，有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)去比較技術(shù)的力學(xué)特征、動(dòng)作的合理性等，幫助教師和教練員科學(xué)量化地分析和糾正學(xué)生的動(dòng)作，找出正確的訓(xùn)練方法，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)[2]。有學(xué)者認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以從不同的角度、不同鏡面示范、不同的速度進(jìn)行直觀的三維動(dòng)畫演示，讓學(xué)生建立清晰的動(dòng)作表象，進(jìn)行模仿練習(xí)，學(xué)生能夠通過清楚看到自己的動(dòng)作，同時(shí)可以把學(xué)生的動(dòng)作與老師的動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比分析，找出存在的問題及時(shí)進(jìn)行糾正[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)將改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛物實(shí)化，讓使用者正真感受到身臨其境的感覺[4]。

然而在研究中，學(xué)者多從虛擬現(xiàn)實(shí)本身的特點(diǎn)（沉侵感、交互性及想象性），構(gòu)建體育教學(xué)模式。這種新的教學(xué)模式給學(xué)生在技能學(xué)習(xí)中提供有利的幫助，同時(shí)帶來新鮮感，帶來興趣，給體育教學(xué)帶來新的技術(shù)，然而這些研究從虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)來分析如何運(yùn)用于體育教學(xué)當(dāng)中，從技術(shù)本身的角度去分析體育教學(xué)。體育教學(xué)過程特點(diǎn)即身體參與、體力與腦力活動(dòng)相結(jié)合及運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和強(qiáng)度。在這個(gè)過程中運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度至關(guān)重要，也是體育課堂教學(xué)重點(diǎn)。本研究將虛擬現(xiàn)實(shí)與體育教學(xué)過程兩者的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，在虛擬環(huán)境中加以運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和量的控制，使學(xué)生產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，提出構(gòu)建虛實(shí)融合的體育教學(xué)模式。

三、體育教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

（一）三維建模

建模分為三部分：人體建模、場(chǎng)景建模、演示建模。人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)包括：頭部模型、嘴鼻部細(xì)節(jié)模型、臂膀模型、小臂模型、肩關(guān)節(jié)模型、肘關(guān)節(jié)模型、腕關(guān)節(jié)模型、手部模型、上體模型、腹部模型、腰部模型、髖關(guān)節(jié)模型、大腿模型、膝關(guān)節(jié)模型、小腿模型、腳踝關(guān)節(jié)模型、腳部模型等。演示建模數(shù)據(jù)庫(kù)包括：專業(yè)運(yùn)動(dòng)員演示人體建模和相關(guān)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)等。場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)庫(kù)包括：運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場(chǎng)景建模等。系統(tǒng)統(tǒng)一采用3DS MAX、OpenGL和Unity 3D共同完成系統(tǒng)三維視鏡的建模以及相關(guān)動(dòng)畫的制作。

（二）模型、場(chǎng)景的渲染

虛擬場(chǎng)景的燈光設(shè)定，通過3DS MAX自帶的環(huán)境光提高整個(gè)場(chǎng)景的亮度，在合適的3D坐標(biāo)處設(shè)置光源，并在適當(dāng)?shù)奈恢蒙线M(jìn)行光線的補(bǔ)充，以及進(jìn)行對(duì)相關(guān)陰影的柔化工作。要明確燈光的控制對(duì)象，對(duì)燈光布置的目的性，以及燈光強(qiáng)度的控制性，這將幫助虛擬場(chǎng)景更快更好的完成渲染。每個(gè)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，分塊都進(jìn)行渲染，保證對(duì)關(guān)鍵細(xì)節(jié)的真實(shí)展現(xiàn)。采用Unity3D自帶的天空盒和燈光功能，給場(chǎng)景一個(gè)較為真實(shí)的虛擬化作業(yè)場(chǎng)景。

（三）模型動(dòng)畫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于3DS MAX的腳本語言對(duì)相關(guān)模型對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)。最為當(dāng)前最廣的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件，3DS MAX內(nèi)嵌了強(qiáng)大的動(dòng)畫開發(fā)功能。本系統(tǒng)將使用3DS MAX內(nèi)置的Maxscript腳本語言對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)畫的設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)的對(duì)象是演示模型的指導(dǎo)姿勢(shì)演示，采用關(guān)鍵細(xì)節(jié)強(qiáng)化感知的方式設(shè)計(jì)在環(huán)境人不同方式技術(shù)的規(guī)范動(dòng)畫，目標(biāo)在規(guī)范的動(dòng)作上教導(dǎo)用戶。最后是環(huán)境的模型的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，旨在能在模型進(jìn)行動(dòng)作的同時(shí)，環(huán)境模型能較為真實(shí)的產(chǎn)生的印象反應(yīng)出來。

（四）虛擬場(chǎng)景的建立

本系統(tǒng)將采用Unity3D建立所需的虛擬場(chǎng)景，并將它運(yùn)用到VR中。首先將模型在3DS MAX建立完畢，然后分次序?qū)С龀蒛nity3d能導(dǎo)入的模式。將所有模型元素導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d引擎的場(chǎng)景試圖，調(diào)整對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，并劃定場(chǎng)景邊界。在Unith3d引擎中導(dǎo)入適當(dāng)?shù)馁Y源包，保證程序能正常有效的運(yùn)行在VR環(huán)境中，并能將沉浸式體驗(yàn)表示出來。

（五）動(dòng)作捕捉

實(shí)時(shí)捕捉、記錄、獲取人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確的動(dòng)作姿勢(shì)，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)等原理分析，研究動(dòng)作改進(jìn)方法;計(jì)算分析受試者特定關(guān)節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻的速度、加速度、角度，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中專業(yè)運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)性，提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)，切實(shí)解決學(xué)習(xí)中定量研究和實(shí)時(shí)交互的關(guān)鍵問題，推動(dòng)體育領(lǐng)域發(fā)展。

通過大量高仿真3D動(dòng)畫還原人體生理機(jī)制過程。將抽象的內(nèi)容三維形象化，學(xué)生可以直觀的了解每個(gè)所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，深刻的理解和掌握所學(xué)知識(shí)，擁有極高的技術(shù)含量和獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

基于VR的體育教學(xué)仿真系統(tǒng)是典型的人機(jī)交互系統(tǒng)，它的教學(xué)效果將受到硬件系統(tǒng)、仿真軟件和操作人員三大因素相互影響。能否正確地向用戶展示規(guī)范的動(dòng)作示范，用戶的動(dòng)作能否成功地被識(shí)別并分析，將成為本系統(tǒng)真實(shí)效果和培訓(xùn)效率的關(guān)鍵。因此將優(yōu)化算法，提高代碼效率。良好的圖形界面有助于用戶更良好的體驗(yàn)，本系統(tǒng)使用Unity3D作為2D界面的設(shè)計(jì)工具，采用貼圖、UI導(dǎo)入的方式來完成界面的設(shè)計(jì)，包括初始界面、場(chǎng)景選擇界面、動(dòng)作教學(xué)選擇界面、計(jì)時(shí)欄、指示欄等。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)中的應(yīng)用

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化教學(xué)過程。傳統(tǒng)的教學(xué)過程是教師講解示范，學(xué)生模仿練習(xí)，建立動(dòng)作概念;通過錯(cuò)誤糾正反復(fù)的練習(xí)使動(dòng)作連貫準(zhǔn)確建立動(dòng)力定型，再通過增加新的刺激條件使動(dòng)作趨于鞏固和運(yùn)用自如達(dá)到動(dòng)力定型。虛擬仿真技術(shù)是學(xué)習(xí)者通過視覺（三維動(dòng)畫多角度觀察）、聽覺（技術(shù)動(dòng)作的講解）、觸覺（動(dòng)作體驗(yàn)）及互動(dòng)（動(dòng)作對(duì)比）對(duì)動(dòng)作進(jìn)行感知，創(chuàng)設(shè)虛擬情境進(jìn)行再次互動(dòng)（交流、對(duì)比、技術(shù)分析等）加深對(duì)動(dòng)作的理解，通過增設(shè)新的情境加深技術(shù)的理解及肌肉的記憶使動(dòng)作趨于穩(wěn)固。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將使體育教學(xué)從單一教師教學(xué)生學(xué)到交互式綜合性模式。傳統(tǒng)的教學(xué)一般是在教師引導(dǎo)下進(jìn)行練習(xí)，虛擬仿真技術(shù)下的教學(xué)是基于虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相疊加的知識(shí)建構(gòu)。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)改變以往教師基于肉眼觀察在學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，到基于準(zhǔn)確的人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù);改變以往以經(jīng)驗(yàn)來主觀判斷學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，到基于程序化人體運(yùn)動(dòng)模擬與仿真人體運(yùn)動(dòng)分析，以客觀的數(shù)據(jù)來說明學(xué)習(xí)者存在的問題，教學(xué)過程更加科學(xué)化、合理化。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助克服恐懼。虛擬的恐懼和真實(shí)的恐懼并沒有兩樣，問題是什么導(dǎo)致真實(shí)的恐懼和虛擬的恐懼，怕什么并不重要，VR的有點(diǎn)在于可以詳細(xì)的重現(xiàn)真實(shí)的情景，讓自己面對(duì)感覺有壓力的東西，通過身處其境，不適感會(huì)開始降低，幫助大家體驗(yàn)之前沒有體驗(yàn)過的，并做出改變感覺自己就在其中，這樣擺脫恐懼的慢慢有所改觀。

五、結(jié)語

綜上所述，基于VR仿真技術(shù)運(yùn)用于體育教學(xué)中，將真實(shí)的環(huán)境與虛擬的場(chǎng)景進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有助于改善教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教學(xué)場(chǎng)景真實(shí)化;改變傳統(tǒng)的教學(xué)過程即教師是知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)和組織者;提高教學(xué)效果，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的虛擬教學(xué)場(chǎng)景及人物形象，供學(xué)生學(xué)習(xí)。由此可見，基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在體育教學(xué)得到廣泛的運(yùn)用。

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基金項(xiàng)目：江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“江蘇省普通高校學(xué)生身心健康現(xiàn)狀及晨練干預(yù)策略研究”（2019SJA1660）

作者簡(jiǎn)介：王冬（1985-），男，漢族，安徽舒城人，碩士研究生，講師，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。