虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討*

吳菊花 黃江濤

虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討*

吳菊花 黃江濤

（廣西科技大學(xué)體育學(xué)院，廣西 柳州 545006）

運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)是體育專業(yè)學(xué)生必修課之一，在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)中，除了課堂基本理論知識教授外，還包括大量實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)多、成本高。而開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，可有效節(jié)約了成本，同時提高學(xué)生興趣及參與度，大大提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。隨著高校新型課程改革推進(jìn)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)將變得更加迫切和重要，有利于推動運(yùn)動生理學(xué)課程建設(shè)和教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真；運(yùn)動生理學(xué)；應(yīng)用

運(yùn)動生理學(xué)是體育專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)課程，無論本科階段或研究生階段，均有所開設(shè)，該課程具有一定特點(diǎn)：理論性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)、側(cè)重于運(yùn)動過程中人體機(jī)理機(jī)能的應(yīng)用，為此對于體育專業(yè)學(xué)生而言，具有十分重要的應(yīng)用價值，然而多數(shù)體育專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱，對于運(yùn)動生理學(xué)的學(xué)習(xí)存在一定困難，因此，許多教師已從多種教學(xué)方法、教學(xué)途徑等方面對運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)進(jìn)行探索，努力改善該課程教學(xué)效果。隨著科學(xué)技術(shù)與教學(xué)技術(shù)密切融合，越來越多新穎實(shí)用的科學(xué)信息技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，并給課程教學(xué)帶來了新視角和新切入點(diǎn)，如虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，是以計算機(jī)軟件及硬件為基礎(chǔ)、以必要的技術(shù)手段為輔助，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實(shí)感受的一種計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)[1,2]，虛擬仿真技術(shù)融合于教學(xué)中，可高度改善教學(xué)中存在的平面化、文字化、缺乏形象化等問題，可創(chuàng)建3D空間，給予學(xué)生更強(qiáng)的知識立體化感受，由此可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。運(yùn)動生理學(xué)作為體育專業(yè)學(xué)生專業(yè)知識學(xué)習(xí)中的一門重要基礎(chǔ)理論課程，相較于技術(shù)課程而言，存在枯燥、乏味、難理解、難接受等問題，由此在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)中融合虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用，這可能會較大地改善運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)效果，提高學(xué)生對運(yùn)動生理學(xué)的知識接受度。因此，本文擬從運(yùn)動生理學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在體育專業(yè)課程中的應(yīng)用以及在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，進(jìn)而探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)的必要性及前景。

1 運(yùn)動生理學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀

運(yùn)動生理學(xué)是研究人體對運(yùn)動的反應(yīng)適應(yīng)機(jī)理機(jī)制的體育科學(xué)基礎(chǔ)理論課程，對于體育相關(guān)專業(yè)發(fā)展而言，具有重要的學(xué)科指導(dǎo)作用，因此許多院校十分重視運(yùn)動生理學(xué)的教學(xué)，由此運(yùn)動生理學(xué)教師運(yùn)用各種教學(xué)方法、教學(xué)技能、輔助教具等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動生理學(xué)的興趣，進(jìn)而提升運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)效果。李旭輝等[3]對參與式教學(xué)方法與傳統(tǒng)式教學(xué)方法進(jìn)行比較，其中參與式教學(xué)方法包括課前準(zhǔn)備、課堂參與、反思評價等，而傳統(tǒng)式教學(xué)則是教師講，學(xué)生聽的方式，通過對比發(fā)現(xiàn)參與式教學(xué)法可積極地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)樂趣，增強(qiáng)自學(xué)能力、理解分析重要知識點(diǎn)的能力，由此可知：參與式教學(xué)方法對于運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)具有良好的應(yīng)用前景。而莫偉彬等[4]則從教學(xué)科研一體化的角度對運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系構(gòu)建進(jìn)行了探究，重在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)與科研融合角度，基于創(chuàng)新教育、科學(xué)研究作為運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)主線，這對于運(yùn)動生理學(xué)課程形式、內(nèi)容的創(chuàng)新提升具有重要指導(dǎo)作用，體育專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)動生理學(xué)課程時，不僅需要課本知識的指導(dǎo)，也需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行知識創(chuàng)新。隨著課程網(wǎng)絡(luò)在線化、微視頻技術(shù)等的發(fā)展，慕課教學(xué)模式也隨之增多，該教學(xué)模式可以為學(xué)生提供隨時隨地學(xué)習(xí)的機(jī)會，由此，李蕊等[5]則通過探討慕課在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，拓展原有傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方式，可通過慕課的技能導(dǎo)向模式增強(qiáng)學(xué)生對運(yùn)動生理學(xué)應(yīng)用性學(xué)習(xí)的理解，這無疑也是改善運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)構(gòu)架的重要參考模式之一，例如，此次新冠疫情中，慕課教學(xué)在運(yùn)動生理學(xué)在線教學(xué)中就起著重要的橋梁作用。

通過對文獻(xiàn)的查閱發(fā)現(xiàn)，除了以上的教學(xué)方法或教學(xué)模式外，還有其他學(xué)者也采用PBL結(jié)合案例教學(xué)法、雨課堂等增強(qiáng)學(xué)生主動性學(xué)習(xí)等教學(xué)方式進(jìn)行改革[6,7]，以求增強(qiáng)該課程的課堂教學(xué)活力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，使之較好地掌握該課程知識要點(diǎn)，并靈活運(yùn)用于實(shí)踐。然而，在針對運(yùn)動生理學(xué)課程教學(xué)中，不同教學(xué)模式或教學(xué)方法均具有其優(yōu)點(diǎn)與缺陷，例如在線教學(xué)可能存在對學(xué)生的現(xiàn)場監(jiān)督不足、PBL教學(xué)模式可能存在課時不足及評價體系不足等，因此，為了更好改善運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)，我們?nèi)匀恍枰^續(xù)尋求更多的教學(xué)模式或方法，對其進(jìn)行增補(bǔ)，盡量達(dá)到多面融合，相得益彰。

2 虛擬仿真技術(shù)在體育專業(yè)課程中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，是以計算機(jī)軟件及硬件為基礎(chǔ)、以必要的技術(shù)手段為輔助，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實(shí)感受的一種計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。自從該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之后，在許多學(xué)科中均起著重要指導(dǎo)作用，例如危險性較高的學(xué)科、教學(xué)成本較高的學(xué)科等。與此相應(yīng)，許多學(xué)科也嘗試引用該技術(shù)進(jìn)入教學(xué)中，以求進(jìn)一步提升教學(xué)效果，體育專業(yè)課程也是如此。例如，邵瑞芳對體育專業(yè)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用（涵蓋田徑、高爾夫等項(xiàng)目），以學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、體能及運(yùn)動技能作為評估，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在體育專業(yè)術(shù)科教學(xué)中具有較高的使用價值，可更加實(shí)時、直觀地改善學(xué)生的技術(shù)動作，提升技術(shù)動作準(zhǔn)確性[8]。宋麗則探討了虛擬仿真技術(shù)對競技體育運(yùn)動員技術(shù)動作的分析、評價等的應(yīng)用，并探討了虛擬仿真技術(shù)提升運(yùn)動訓(xùn)練科技含量的相關(guān)研究和發(fā)展趨勢[9]。除了體育專業(yè)術(shù)科外，虛擬仿真技術(shù)也應(yīng)用在體育基礎(chǔ)理論課程中，其作用效果得到較好驗(yàn)證。賀昆等使用桌面式虛擬技術(shù)將運(yùn)動解剖學(xué)教學(xué)中所需的人體模型、其他教具等模擬至電腦，供學(xué)生進(jìn)行專業(yè)課程學(xué)習(xí)，這拓寬了學(xué)生對運(yùn)動解剖學(xué)學(xué)習(xí)的時間性，此外，學(xué)生可在教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下反復(fù)學(xué)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)，并多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，有效增強(qiáng)學(xué)生對運(yùn)動解剖學(xué)的理解度及應(yīng)用性[10]。此外還有研究者基于體育運(yùn)動理念，將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于人體運(yùn)動的創(chuàng)新，馬文超通過在虛擬環(huán)境中模擬逼真的人體模型，通過數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建仿真模型，探討對人體運(yùn)動學(xué)起關(guān)鍵作用的肌肉和關(guān)節(jié)點(diǎn)，這更有利于人體進(jìn)行科學(xué)合理的體育運(yùn)動，進(jìn)而減少運(yùn)動損傷發(fā)生[11]。

體育專業(yè)是一個較特殊的專業(yè)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)操結(jié)合，理論與技術(shù)相融合，重在應(yīng)用。通過虛擬技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)情境，仿真實(shí)時情境，可以增加學(xué)生對專業(yè)課程的親身體驗(yàn)，豐富擴(kuò)展學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生多方位、多角度、多體驗(yàn)，將理論知識、技術(shù)動作、課下學(xué)習(xí)訓(xùn)練等融合一體，建構(gòu)交互式學(xué)習(xí)模式，豐富多樣化教學(xué)，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)習(xí)樂趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提升體育專業(yè)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)。

3 虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討

在運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)中，除了課堂基本理論知識教授外，還包括大量實(shí)驗(yàn)課程。運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要通過教師演示、學(xué)生跟學(xué)或者模擬操作而完成。與運(yùn)動解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往多需要活性樣本，且難度、復(fù)雜度等略高，例如使用兔子、青蛙等進(jìn)行活體實(shí)驗(yàn)，對肺活量或神經(jīng)剝離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此期間，可能由于學(xué)生操作不熟練，或?qū)χR點(diǎn)把握不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)動物死亡，影響實(shí)驗(yàn)效果，此外，無形中也會增加實(shí)驗(yàn)成本。而采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺后，則可依據(jù)運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，高度仿真地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，仿擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)樣本和實(shí)驗(yàn)操作程序，進(jìn)而減少真實(shí)實(shí)驗(yàn)可能導(dǎo)致的失誤；虛擬仿真平臺也可供學(xué)生反復(fù)、多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，有效控制實(shí)驗(yàn)成本。此外，部分運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)可能會涉及到人體實(shí)驗(yàn)，例如，連續(xù)采血，監(jiān)測運(yùn)動強(qiáng)度等，這可能會導(dǎo)致受試者身體連續(xù)承受疼痛感，導(dǎo)致其不適，而采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺則可以避免該情況產(chǎn)生，并可不間斷地反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建于網(wǎng)絡(luò)平臺，其運(yùn)行使用不拘泥于實(shí)驗(yàn)室空間場地，學(xué)生在宿舍、圖書館、教室等場所均可憑借賬號登錄相應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這極大地增加了學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)、練習(xí)實(shí)驗(yàn)的時間和機(jī)會，擴(kuò)展了學(xué)生對其實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的空間，這無形中也給予學(xué)生更多時間去思考實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)再設(shè)計等，也在變相地擴(kuò)充開放實(shí)驗(yàn)室功能；此外，運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生參與科研孵育、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程之一，通過虛擬仿真實(shí)平臺的空間、時間支持，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動生理學(xué)的樂趣和熱情，增加其創(chuàng)新及科研能力培養(yǎng)。例如，在安靜與運(yùn)動過程中心率和血壓連續(xù)變化章節(jié)學(xué)習(xí)時，由于場地或者器材受限，學(xué)生可能無法連續(xù)追蹤屬實(shí)分鐘內(nèi)心率與血壓的變化，而通過虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計，則可以構(gòu)建數(shù)十分鐘內(nèi)心率與血壓可能存在的不同變化趨勢等，學(xué)生可根據(jù)相關(guān)概念，熟悉理解運(yùn)動與心率、血壓間的關(guān)系，并嘗試自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)，由此一方面有效鞏固了課堂所學(xué)，另一方面也增強(qiáng)其創(chuàng)新能力。

文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)中的應(yīng)用尚少，且多集中于虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可行性分析方面，而虛擬仿真技術(shù)在生理學(xué)教學(xué)中應(yīng)用較多，謝敏等[12]將PBL教學(xué)法與虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，并與傳統(tǒng)教師授課-學(xué)生聽講模式對比，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些困難，如成本問題、實(shí)驗(yàn)面窄、學(xué)生指導(dǎo)受限等問題。白雪等[13]則將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)引入生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并構(gòu)建“前-中-后-考核”教學(xué)流程，并針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置過程性考核，結(jié)果顯示教學(xué)效果較佳。而王君等[14]在驗(yàn)證虛擬仿真系統(tǒng)對生理學(xué)教學(xué)的作用影響時發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對學(xué)生的理論學(xué)習(xí)成績有顯著性影響，而對實(shí)驗(yàn)技能提升則無顯著性影響，但學(xué)生對該系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)功能十分認(rèn)同。運(yùn)動生理學(xué)作為生理學(xué)一門分支，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于生理學(xué)的作用意義，對運(yùn)動生理學(xué)而言，具有較重要參考價值，運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可參考生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可取之處，依據(jù)體育專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)的合理應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地降低運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，拓寬運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間性和空間性，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能熟練程度，還可以提升學(xué)生科研創(chuàng)新理念，提高其實(shí)踐創(chuàng)新能力，進(jìn)而改善運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升運(yùn)動生理學(xué)學(xué)科教學(xué)質(zhì)量。國家為推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用，開設(shè)實(shí)驗(yàn)空間（http://www.ilab-x.com/）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，目前在該虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺已上線的體育學(xué)項(xiàng)目有27種，上線時間多集中于2017、2018及2019年三年，其中僅有2-3項(xiàng)與運(yùn)動生理學(xué)科目密切相關(guān)，剩下項(xiàng)目多為運(yùn)動訓(xùn)練或運(yùn)動康復(fù)相關(guān)科目，由此提示：運(yùn)動生理學(xué)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目數(shù)量較少，仍需繼續(xù)開發(fā)設(shè)計，然而這也牽涉至研發(fā)資金問題。虛擬仿真技術(shù)雖然在其他學(xué)科中應(yīng)用已較成熟，但在體育學(xué)科仍處于起步階段，在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)推廣虛擬仿真技術(shù)仍需解決許多問題，例如相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺搭建、虛擬仿真軟件開發(fā)、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性、教學(xué)資金問題等。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個長期過程，需要不斷努力建設(shè)，而在醫(yī)學(xué)院校中，虛擬仿真技術(shù)已有一定應(yīng)用，并取得良好效果，因此，我們可繼續(xù)努力嘗試將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動生理學(xué)，并進(jìn)行拓展性研發(fā)，進(jìn)而推動運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量。

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The Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Teaching of Exercise Physiology

WU Juhua, etal.

(Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目一般項(xiàng)目A類（2018JGA210）；廣西科技大學(xué)博士基金（校科博17083）。

吳菊花（1985—），博士，副教授，研究方向：運(yùn)動人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。