VR 技術(shù)在高校自然水域游泳救生課程教學(xué)中的應(yīng)用

◆韓海波

（廣東海洋大學(xué) 體育與休閑學(xué)院 廣東 524088）

1 前言

推進(jìn)教育現(xiàn)代化是新時(shí)期構(gòu)建教育強(qiáng)國的重要內(nèi)容，而教育信息化則是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要抓手。2019 年2 月27 日，教育部發(fā)文要求深入落實(shí)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《教育信息化2.0 行動計(jì)劃》，明確將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入教育工作要點(diǎn)。目前主要應(yīng)用于游戲、航空、旅游等多個(gè)領(lǐng)域[1]。隨著高校教育教學(xué)改革和現(xiàn)代教育信息化發(fā)展步伐的加快，VR 技術(shù)也逐漸應(yīng)用到高校教育教學(xué)中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用下的沉浸式虛擬課堂將打破大學(xué)體育專項(xiàng)課程現(xiàn)有的教學(xué)形式、教材體系以及堂授課方式。虛擬現(xiàn)實(shí)＋傳統(tǒng)教育的模式已經(jīng)一步步改變著教育體系[1]。在國家體育強(qiáng)國戰(zhàn)略、海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的陸續(xù)實(shí)施中，作為高校社會體育專業(yè)方向的濱海體育休閑管理專業(yè)也迎來了新的機(jī)遇，課程改革也相應(yīng)隨之發(fā)生變化。作為該專業(yè)的核心課程之一的自然水域游泳救生課程，具有課程理論性強(qiáng)、教學(xué)手段形式特殊的特點(diǎn)。在教學(xué)過程中存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境多樣性、成本投入大、組織復(fù)雜等實(shí)際問題，如何安全教學(xué)和安全實(shí)踐訓(xùn)練是擺在相關(guān)高校面前非常重要的課題。

2 自然水域游泳救生課程教學(xué)與實(shí)踐存在的問題

“自然水域游泳救生”課程是濱海體育休閑管理專業(yè)開設(shè)的主要核心課程，內(nèi)容包含了實(shí)用游泳技術(shù)，水中自救、水中赴救、救援、陸上救援及心肺復(fù)蘇、如何識別危險(xiǎn)及解決方法等理論及技能。課程具有高危性、多樣性和復(fù)雜性特點(diǎn)，在教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練中需要考慮自然環(huán)境客觀因素和學(xué)生個(gè)體身體狀況等特點(diǎn)，教學(xué)傳授難度較大。

傳統(tǒng)教學(xué)主要以教師傳授教學(xué)為主、結(jié)合圖片、借助多媒體視頻講解，盡可能地將枯燥、復(fù)雜的專業(yè)知識灌輸給學(xué)生，但教學(xué)效果一般；除了校內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生可進(jìn)行直觀學(xué)習(xí)，但仍然與將來面對的工作環(huán)境及社會真實(shí)環(huán)境不太相同；因此也設(shè)置了校外實(shí)踐基地，但由于受限于學(xué)生人數(shù)、訓(xùn)練時(shí)間、環(huán)境不可控等因素影響，學(xué)習(xí)效果同樣也不太理想。另在校企合作的實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，是讓學(xué)生全面系統(tǒng)地參與實(shí)踐操作，但該環(huán)節(jié)危險(xiǎn)性大，提供崗位數(shù)量也十分有限。所以自然水域游泳救生課程要達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)，教師必須要針對性解決問題，要結(jié)合專業(yè)的性質(zhì)，運(yùn)用科學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)模式的改革。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）[2]是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這里的“虛擬世界”又被稱為虛擬環(huán)境，是指具有真實(shí)感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。操作者可以通過視覺、聽覺和觸覺等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場景，所以VR 技術(shù)為人機(jī)交互提供了新的交互媒體。通常VR 系統(tǒng)具有多種輸出形式（如圖形、聲音、文字等）和處理多種輸入設(shè)備的能力，并且能夠進(jìn)行碰撞檢測、實(shí)時(shí)交互、視點(diǎn)控制及復(fù)雜行為建模等[3]。體育系統(tǒng)仿真是一門實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)，它是通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)教練員的訓(xùn)練意圖、體育教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、管理者的組織方案和學(xué)生的實(shí)踐過程，從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的分析、解釋、組織、預(yù)測、評價(jià)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)。基于VR 的仿真強(qiáng)調(diào)多感知性、構(gòu)想性、沉浸感和交互性等特征，也恰恰正是需要學(xué)生多種感覺（如視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等）的共同參與。因此，隨著VR 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，基于VR 的仿真必將在體育教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

4 VR 技術(shù)在自然水域游泳救生課程中的應(yīng)用

基于VR 技術(shù)的多方面優(yōu)勢，其在高校體育教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練的使用也逐漸普及和推廣，應(yīng)用前景廣闊。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)是結(jié)合教學(xué)內(nèi)容需要制定的一種VR 應(yīng)用，是針對特定教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的3D數(shù)字內(nèi)容的模擬開發(fā)。學(xué)科的訓(xùn)練條件、環(huán)境和流程借助了3D 立體顯示設(shè)備模擬或3D 虛擬環(huán)境，使學(xué)生能夠獲得和真實(shí)環(huán)境相近或者相似的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)，起到部分替代或者替代實(shí)踐教學(xué)效果的作用。就目前來看，在自然水域游泳救生教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練中應(yīng)用VR 技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：

4.1 構(gòu)建仿真溺水安全事故情景

利用VR 技術(shù)安全系統(tǒng)分析方法，借用相關(guān)軟件模擬出接近真實(shí)的事故場景，包括自然水域開放場所涉及的波浪、潮汐、漩渦、風(fēng)力、雷電、暗流、時(shí)間、危險(xiǎn)物等具體過程及影響情形。比如在暗流仿真中，可以進(jìn)行不同形式的設(shè)定，只需要在相關(guān)系統(tǒng)程序中將水的交匯、潮汐、大浪及水下地形落差等相關(guān)參數(shù)輸入進(jìn)去，就能得到水面翻滾、水流迂回或逆流等不規(guī)則的最終危害性暗流結(jié)果。通過仿真這種方式對事故模式及影響，這樣不僅僅使學(xué)生直觀了解事故環(huán)境的危險(xiǎn)性，同時(shí)也減小親臨現(xiàn)場參加學(xué)習(xí)的危險(xiǎn)。

4.2 建模仿真救援器材布局及其環(huán)境

對自然水域的真實(shí)環(huán)境及相關(guān)救援流程等進(jìn)行可視化建模仿真，通過頭盔式顯示器（VR 眼鏡）、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和其他設(shè)備來實(shí)現(xiàn)虛擬自然水域的三維空間漫游。學(xué)生可以利用數(shù)據(jù)手套對實(shí)用游泳技術(shù)與器材使用、赴救技術(shù)、現(xiàn)場急救等進(jìn)行操作，并對各類參數(shù)下的救援設(shè)備設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬操作，使得學(xué)生在虛擬情境學(xué)習(xí)中能更快更準(zhǔn)確地掌握，并完成相關(guān)救援流程及操作，達(dá)到訓(xùn)練效果。

4.3 仿真相關(guān)環(huán)境直接管理環(huán)節(jié)

對自然水域場地設(shè)置與管理環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真，可以使得學(xué)生身臨其境，擺脫了書本對自然水域場地抽象的文字描述。同時(shí)解決了教學(xué)中無法提供實(shí)地觀摩不同類型自然水域的困擾，各種相關(guān)救援器材的擺放、使用方法及保管的環(huán)節(jié)都可以通過虛擬的設(shè)備來進(jìn)行培訓(xùn)，使授課內(nèi)容不再平淡乏味，通過大量翔實(shí)、直觀、生動的虛擬情節(jié)，使教學(xué)的主要方式更加生動有趣。

4.4 教學(xué)仿真查找安全隱患

作為將來自然水域救援的相關(guān)從業(yè)人員，對實(shí)際工作現(xiàn)場安全檢查是必不可少的部分。但由于自然水域現(xiàn)場安全隱患的存在方式千差萬別，不同自然環(huán)境又存在不同的安全隱患，如果僅憑教師在課堂舉例，學(xué)生想象中理解，是很難真正掌握現(xiàn)場的實(shí)際檢查，實(shí)質(zhì)是紙上談兵。針對安全檢查利用VR 技術(shù)逼真還原或者模擬構(gòu)建自然水域環(huán)境中不同活動場地的安全隱患場景、安全事故發(fā)生的真實(shí)場面，通過手的觸摸、視角的轉(zhuǎn)換，可進(jìn)行各個(gè)角度地觀察環(huán)境，更加有立體感地查找安全隱患。同時(shí)系統(tǒng)還可具有提示性操作，模擬極少出現(xiàn)或不易查找的事故隱患；同時(shí)如果學(xué)生未采取合理措施，相應(yīng)后果的嚴(yán)重性也會及時(shí)展現(xiàn)在面前，讓學(xué)生更加深刻了解自然水域在管理中的安全隱患。

4.5 仿真救援流程演練實(shí)訓(xùn)

利用VR 技術(shù)構(gòu)建自然水域突發(fā)事件的救援場景模擬系統(tǒng)，讓學(xué)生在逼真的環(huán)境（如溺水、水上脊柱損傷、開放性損傷和海洋生物致傷等）中應(yīng)對處置。對于事故的成因、事故的發(fā)展、事故救援處置等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以進(jìn)行完全模擬仿真，同時(shí)也及時(shí)將學(xué)生救援演練動作進(jìn)行場景反饋，擺脫以往學(xué)習(xí)人數(shù)眾多、演練場景單一、教師反饋不及時(shí)的傳統(tǒng)方式。由學(xué)生獨(dú)立控制擔(dān)任的角色，完成自然水域救援緊急處理或救援流程。在學(xué)習(xí)過程中，根據(jù)學(xué)生選擇錯(cuò)誤的地方，系統(tǒng)即時(shí)在界面顯示，學(xué)生根據(jù)提示及時(shí)糾正。在某個(gè)學(xué)習(xí)片段培訓(xùn)后，學(xué)生還要進(jìn)行課后小結(jié)，包括錄像回放、小組互評自評、教師評價(jià)及評分、規(guī)范救援流程、展示規(guī)范救援、即時(shí)系統(tǒng)補(bǔ)充完善 6 個(gè)組織環(huán)節(jié)。通過多個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)、查漏補(bǔ)缺不足，不僅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與積極性，同時(shí)也促進(jìn)救援水平的提高。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在自然水域游泳救生培養(yǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為自然水域游泳救生課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供了非常大的支持，不僅豐富了原有的傳統(tǒng)的教學(xué)方法和實(shí)踐活動，改善了學(xué)生人數(shù)眾多，真實(shí)環(huán)境實(shí)踐能力培養(yǎng)落實(shí)不到位的現(xiàn)狀，也拓展了教學(xué)實(shí)踐能力培養(yǎng)的渠道。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)出多種形式的自然水域場所、現(xiàn)場氛圍、救援技能的訓(xùn)練環(huán)境，能夠調(diào)動課程學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

5.1 提升教學(xué)與實(shí)踐的效果

與傳統(tǒng)案例式教學(xué)相比，借助于VR 技術(shù)虛擬相似的自然水域游泳救生場景、相應(yīng)救援設(shè)施與設(shè)備模擬進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，可以為學(xué)生提供更生動的現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)解決問題的過程中對不同的救援環(huán)境、親身操作虛擬救援設(shè)備、檢測存在類似安全隱患、模擬救援流程等實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為直觀，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)與實(shí)踐過程中獲得真實(shí)的體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮主體能動性，讓教學(xué)過程變得易于理解和操作，提高將來的實(shí)際工作技能。

5.2 緩解教學(xué)時(shí)間的限制

在自然水域游泳救生課程培養(yǎng)中，受到學(xué)生眾多、救援設(shè)備少、相似實(shí)踐場所不多、天氣變化影響等因素的影響，傳統(tǒng)的教學(xué)活動的時(shí)間往往會受到很大的限制，縮短了學(xué)生實(shí)踐時(shí)間，難以滿足學(xué)習(xí)需求，最終造成實(shí)踐能力下降，學(xué)習(xí)周期加長，時(shí)間跨度大的結(jié)局。VR 技術(shù)使實(shí)踐環(huán)境、實(shí)踐設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用軟硬件結(jié)合，適用可以反復(fù)、不受人數(shù)限制、有利于增加實(shí)踐的時(shí)間，打破傳統(tǒng)實(shí)踐能力培養(yǎng)時(shí)間上的限制，極大地提升了教學(xué)設(shè)備功能的多樣化和設(shè)備利用率。例如，自然水域游泳救生的實(shí)地實(shí)踐進(jìn)程中，受限于環(huán)境的危險(xiǎn)性，往往安排學(xué)生人數(shù)有限，減少某個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，短時(shí)間內(nèi)無法完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，甚至部分學(xué)生只完成某個(gè)救援角色的學(xué)習(xí)，而不能很好完成教學(xué)任務(wù)。

5.3 提高教學(xué)安全的可靠性

自然水域游泳救生課程的教學(xué)項(xiàng)目由于學(xué)生的動作失誤、器材不熟練、環(huán)境變化不可測等等都會產(chǎn)生一些不良的教學(xué)安全隱患，比如在自然水域游泳救生課程的實(shí)踐能力培養(yǎng)中，急流中學(xué)生疲憊抽筋、海灘救生板遇到大浪等等。這些突發(fā)情況對學(xué)生自身產(chǎn)生危害。因此學(xué)校出于安全考慮，一般不鼓勵(lì)、不允許學(xué)生做存在危險(xiǎn)隱患的動作和不可預(yù)測的突發(fā)事件，因此，許多接近真實(shí)工作性質(zhì)，又具有一定風(fēng)險(xiǎn)的教學(xué)實(shí)踐活動，學(xué)生都無法參與，不能夠獲得直觀認(rèn)識和體驗(yàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠有效避免真實(shí)環(huán)境學(xué)習(xí)中存在的危險(xiǎn)，對于一些危險(xiǎn)系數(shù)相對較高和不可控的教學(xué)實(shí)踐，通過仿真虛擬實(shí)踐訓(xùn)練，讓學(xué)生熟悉相關(guān)基本動作與操作流程的要領(lǐng)和要求之后，再根據(jù)教學(xué)要求在與虛擬環(huán)境相似的真實(shí)環(huán)境中去實(shí)踐，從而保證實(shí)踐的安全，消除危險(xiǎn)，解決部分教學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)中難以操作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓各個(gè)學(xué)生達(dá)到教學(xué)實(shí)踐操作的機(jī)會。

5.4 豐富課堂教學(xué)的多樣性

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師講學(xué)生聽課的模式，不僅缺乏交互性，形式單一枯燥，學(xué)生積極性差，對在教學(xué)環(huán)節(jié)過程中難以替代技能與實(shí)踐環(huán)境的部分，口述或一些非直觀的演示都難以完成，因此現(xiàn)行的教學(xué)模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足自然水域游泳救生課程的教學(xué)與實(shí)踐。隨著電子信息化、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，當(dāng)代大學(xué)生幾乎是在電子游戲陪伴下長大的，任務(wù)、級別、獎(jiǎng)勵(lì)、排名、互動、及時(shí)反饋機(jī)制的游戲規(guī)則都構(gòu)成了生活的部分思維模式。因此，無論在真實(shí)場景還是網(wǎng)絡(luò)虛擬教室，游戲化教學(xué)一定是吸引學(xué)生注意力的最有效方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作正好與游戲化教學(xué)相融合，除了擺脫教學(xué)對客觀事物的依賴，同時(shí)虛擬空間的游戲元素，學(xué)生自主選擇角色，模擬角色身份的參與，學(xué)習(xí)片段的闖關(guān)任務(wù)等等，豐富了教學(xué)方式的形象化與生動化，讓學(xué)生真正發(fā)揮主體能動性，同時(shí)通過沉浸式和體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生如“身臨其境”，提高學(xué)習(xí)效果，完成“情境化教學(xué)”。

6 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)通過逼真模擬自然水域游泳救生課程教學(xué)與訓(xùn)練的自然環(huán)境、教學(xué)條件和教學(xué)流程，改變了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，使學(xué)生能夠獲得與現(xiàn)實(shí)相近的教學(xué)實(shí)踐體驗(yàn)，達(dá)到部分替代實(shí)踐效果的作用。同時(shí)解決了資金、安全教學(xué)成本、教學(xué)效果、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源緊缺等現(xiàn)狀，這為社會體育專業(yè)的濱海體育與休閑管理專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的發(fā)展思路。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開展結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式改革，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和創(chuàng)新，虛實(shí)結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)，為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對高校教學(xué)改革具有較強(qiáng)的實(shí)踐參考意義。