虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用前景分析

李志剛 馬梅玉

【摘要】虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)是教育現(xiàn)代化的重要方向。傳統(tǒng)的運(yùn)動解剖學(xué)實驗存在實驗項目單一、教學(xué)資源匱乏等問題，已經(jīng)無法滿足創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要。虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗教學(xué)有較高的互補(bǔ)性。因此，本文通過對虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行論證，旨在改進(jìn)實驗教學(xué)模式，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，切實提升教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真? 實驗教學(xué)? 教學(xué)模式改革

【課題項目】廣西高等教育本科教學(xué)改革工程一般項目A類：《虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于體育專業(yè)實驗課程教學(xué)的改革和實踐》，課題編號：2019JGA299;百色學(xué)院校級教學(xué)改革工程項目：休閑時代背景下社會體育指導(dǎo)與管理專業(yè)實踐教學(xué)模式的改革與實踐，課題編號：2019JG36。

【中圖分類號】R-4;G642 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）15-0178-02

一、引言

信息技術(shù)的快速發(fā)展，為教育現(xiàn)代化奠定了堅實的基礎(chǔ)，帶來了教育的模式和方法的變革。實驗教學(xué)是理論教學(xué)的一種延續(xù)，學(xué)生通過親歷實驗過程，能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識消化吸收并轉(zhuǎn)化為實踐技能[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)順應(yīng)了信息時代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，彌補(bǔ)了現(xiàn)有實驗教學(xué)的固有短板，能夠切實提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，是教育現(xiàn)代化的重要發(fā)展方向[2]。

一、虛擬仿真技術(shù)的概述

仿真技術(shù)是通過建立研究系統(tǒng)的模型，結(jié)合環(huán)境（實際的或模擬的）條件進(jìn)行研究、分析和實驗的方法[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technique， VR）是多個信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，其中包括數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)，傳感器技術(shù)等[4]。仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)結(jié)合演化出了功能更為強(qiáng)大的虛擬仿真技術(shù)，其是依托互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機(jī)交互等技術(shù)不斷發(fā)展的結(jié)果。目前，已有包括屏幕仿真技術(shù)、加入可穿戴傳感器計算機(jī)屏幕畫面虛擬仿真技術(shù)、加入專用傳感器并阻斷操作者視力虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)等教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5]。另外，根據(jù)參與者的體感，虛擬仿真技術(shù)又分為非沉浸式和沉浸式兩大類。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)的“概念”也不斷變化，功能也愈加強(qiáng)大。

二、虛擬仿真技術(shù)適用于運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)

體育運(yùn)動的本質(zhì)是能量供應(yīng)下的身體活動，因此，探究體育運(yùn)動的規(guī)律，必須建立在了解身體的形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上。運(yùn)動解剖學(xué)是在研究人體正常形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重點分析運(yùn)動對人體形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長發(fā)育的影響作用，并結(jié)合技術(shù)動作要求和解剖學(xué)知識對體育教學(xué)進(jìn)行指導(dǎo)。運(yùn)動解剖學(xué)一直是體育專業(yè)的主干課程，也是一門應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，該課題分為理論和實驗教學(xué)兩部分。實驗教學(xué)是對理論學(xué)習(xí)的補(bǔ)充和驗證，是提高學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的關(guān)鍵[8]。但目前我國運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)中存在實驗項目類型單一、教學(xué)模式陳舊和教學(xué)資源有限等諸多問題，不利于人才培養(yǎng)的質(zhì)量。而虛擬仿真技術(shù)的使用則可以起到以下作用：

（一）豐富實驗教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真系統(tǒng)借助現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)，能夠動態(tài)地模擬實驗步驟、操作技巧和實驗結(jié)果，使學(xué)生在非實物的狀態(tài)下完成實驗過程，強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)效果。運(yùn)動解剖學(xué)課程實驗主要是驗證性實驗，多通過模型、標(biāo)本進(jìn)行演示，學(xué)生模擬觀察。然而模型器官不能完全還原真實器官的形態(tài)，在人體中的位置及毗鄰，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中無法建立起完整的人體器官立體形態(tài)印象。虛擬仿真平臺在運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，可以通過“屏幕仿真技術(shù)”建立數(shù)字生物模型，可以直觀明了地了解各個部位的名稱，不同部分之間的毗鄰，還可以將各個系統(tǒng)、器官以及組織進(jìn)行拆裝并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的觀察，解決了多數(shù)非醫(yī)學(xué)院校缺乏人體解剖室和標(biāo)本館的難題，如“3D Body”軟件和“國希望-云解剖”學(xué)習(xí)網(wǎng)站等資源的利用，使得傳統(tǒng)的教學(xué)元素實現(xiàn)了數(shù)字化、自動化、模擬化和立體化，生動、可操控的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（二）節(jié)約實驗成本

人體是由功能不同的九大系統(tǒng)構(gòu)成，每個系統(tǒng)又有若干不同的器官組成，每個器官又包含一些特殊的結(jié)構(gòu)以及種類繁多的細(xì)胞。另外，由于學(xué)生人數(shù)增多，學(xué)生對實驗教具的需求也增多，因此，想要通過模型和掛件等全面地展示人體的不同結(jié)構(gòu)，就得采購數(shù)量龐大、價格不菲的實驗教具。在運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)平臺建設(shè)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以對整個人體進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，首先分器官、分系統(tǒng)逐個進(jìn)行研究建模，然后將各個部分聯(lián)系起來構(gòu)成完整的人體，可使本來操作相當(dāng)復(fù)雜的實驗變得簡單。除此之外，一些實驗項目還需要采購人體和動物的標(biāo)本，不僅標(biāo)本本身價格高昂，配套的實驗設(shè)備也需要大量的經(jīng)費(fèi)投入，且需要長期的維護(hù)更新。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用相對降低了實驗室建設(shè)投入，購買虛擬仿真軟件或虛擬教學(xué)資源的使用權(quán)所花費(fèi)用低于標(biāo)本、模型等的支出，且可以循環(huán)使用，利用率高，大大提高了獲利受眾面和人數(shù)，同時降低了維護(hù)更新的成本[6]。

（三）改變教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)方法

通過數(shù)字仿真教學(xué)資源的建立，使得如“翻轉(zhuǎn)課堂”“以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)（Problem Based Learning，PBL）”等學(xué)習(xí)模式或方法更好地推進(jìn)，學(xué)生課前先通過個人操作、學(xué)習(xí)，總結(jié)實驗過程中遇到的問題，并試著查閱資料解答，正式上課時，學(xué)生分組演示，教師指導(dǎo)，將實驗過程中的問題進(jìn)行集中的討論解答。另外，實驗的考核可以通過虛擬仿真教學(xué)平臺來實施，在這個過程中可以對學(xué)生的操作步驟、實驗完成度進(jìn)行定性和定量的分析，避免了傳統(tǒng)實驗考核的單一片面的問題。從而彌補(bǔ)了教學(xué)改革過程中教學(xué)資源不足的問題，同時降低了教師的工作量，一定程度上緩解了師資不足的困境。這些新的教學(xué)模式、方法的應(yīng)用能夠提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意愿，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科研精神，極大地促進(jìn)了地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

（四）提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力

運(yùn)動解剖學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容主要是對構(gòu)成人體不同系統(tǒng)的器官進(jìn)行觀察，教學(xué)內(nèi)容繁冗，而大部分高校開設(shè)的實驗教學(xué)課程在16個課時左右，偏向于現(xiàn)象演示和理論驗證，如將人體的骨骼肌的觀察分為上肢骨骼肌的觀察、下肢骨骼肌觀察和軀干骨骼肌觀察，這種教學(xué)安排割裂了各個實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的相互聯(lián)系，增加了體育專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，不利于學(xué)生綜合解決問題的能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之相反，虛擬仿真技術(shù)則提高了學(xué)生實驗的容錯率，降低了實驗的難度，學(xué)生對實驗原理和步驟形成了直觀、系統(tǒng)的認(rèn)知，提高了學(xué)生的參與感和自信，實驗效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。并且輕松、充實的實驗更有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲，豐富了學(xué)生的創(chuàng)新思維，有效形成學(xué)以致用的理念，更加提高了直接解決實際問題的能力[7]。

三、結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在實驗教育中的應(yīng)用是我國實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要布局。虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動解剖學(xué)教學(xué)中應(yīng)用，創(chuàng)新了教學(xué)模式，豐富了教學(xué)資源，打破了實驗教學(xué)的時空限制，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實踐能力。但在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時，應(yīng)遵從能實不虛、虛實結(jié)合，靈活地選擇多媒體設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合性實驗一個較為理想的選擇，但涉及到的交互設(shè)備制造難度普遍偏大，同時采購成本極高[8]。因此，應(yīng)從頂層政策設(shè)計出發(fā)，倡導(dǎo)合理的資源共享模式是促進(jìn)教育公平，建設(shè)學(xué)習(xí)型社會的必由路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]任明秀.電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)實驗課改革思考[J].中國電力教育，2013，2（261）：141-142.

[2]郭婷.虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)與應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理， 2019，36（10）：215-217+220

[3]顧銀芳，苑士華，李瑋等.仿真技術(shù)的發(fā)展與展望[J].河北工業(yè)科技，2000（5）：36-39.

[4]陳雁飛.虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜述[J].機(jī)械制造與自動化，2004（5）：5-7+10.

[5]魏民.在職業(yè)教育應(yīng)用視角下的VR/AR技術(shù)[J].中國電化教育， 2017（3）：10-15

[6]孟卉，李淵.一種基于Web3D技術(shù)的虛擬仿真實驗實現(xiàn)方法[J].電腦與信息技術(shù)，2019，27（2）：1-4+10.

[7]方振華.虛擬仿真技術(shù)在人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（34）：150-151

[8]張飛云，張彤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在競技體育仿真中的應(yīng)用分析[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2019，38（9）：162-164.

作者簡介：

李志剛（1986年-），男，漢族，山東青州人，講師，碩士研究生，研究方向為體育專業(yè)理論課實驗教學(xué)改革。

馬梅玉（1985年-），女，回族，湖北鶴峰人，講師，碩士研究生，研究方向為體育專業(yè)理論課實驗教學(xué)改革。