虛擬仿真技術(shù)在運動康復(fù)生物力學(xué) 實驗教學(xué)中的應(yīng)用

楊辰 宋雅偉 馮茹

(南京體育學(xué)院 江蘇南京 210014)

虛擬仿真實驗教學(xué)是我國信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容。2019年教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》（以下簡稱《意見》），指出課程質(zhì)量直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量，因此必須深化教育教學(xué)改革，將改革成果落實到課程建設(shè)上[1]。根據(jù)《意見》內(nèi)容，2019年至2021年間將認定1500門左右的國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。虛擬仿真實驗教學(xué)的開展是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容、提升實驗教學(xué)質(zhì)量的重要措施，也是未來教育改革的發(fā)展方向。

體醫(yī)融合背景下的虛擬仿真實驗教學(xué)是培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才的重要途徑?！敖】抵袊睉?zhàn)略的實施以及《國務(wù)院關(guān)于實施健康中國行動的意見》等文件的發(fā)布，標(biāo)志著我國已從國家層面著手應(yīng)對當(dāng)前突出的健康問題[2]。體醫(yī)融合作為實現(xiàn)“健康中國”的重要舉措，由戰(zhàn)略規(guī)劃進入到實質(zhì)發(fā)展階段。這也對體育院校人才培養(yǎng)和課程建設(shè)提出了新要求，尤其對運動康復(fù)類專業(yè)的學(xué)生而言，實踐操作能力是其立足之本，在教學(xué)過程中融入更多情景式、啟發(fā)式和互動式的教學(xué)方法和技術(shù)將更有利于學(xué)生對專業(yè)知識的理解與應(yīng)用[3]。

運動康復(fù)生物力學(xué)將力學(xué)、運動科學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合，是一門實踐性極強的應(yīng)用學(xué)科[4]。人體結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特征是運動康復(fù)生物力學(xué)課程理論和實踐研究的關(guān)鍵，但由于人體結(jié)構(gòu)和力學(xué)機制較為復(fù)雜且評估和康復(fù)手段較為多樣，其在實驗教學(xué)中不易被直觀展現(xiàn)與理解。將虛擬仿真技術(shù)融入運動康復(fù)生物力學(xué)的實驗教學(xué)中，可以通過仿真模型展現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)，通過情景模擬強化功能認知，以問題為導(dǎo)向推動實驗開展，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中做真實驗[5]。

該文以“脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)項目為例，從該項目的教學(xué)目的、主要內(nèi)容與考核方式等方面入手，探討虛擬仿真技術(shù)在運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)中的實踐與優(yōu)勢，為虛擬仿真技術(shù)在相關(guān)學(xué)科實驗教學(xué)中的推廣與應(yīng)用提供更多參考。

1 傳統(tǒng)運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)的劣勢

運動康復(fù)生物力學(xué)課程最早由南京體育學(xué)院于1999年率先為學(xué)?？祻?fù)類相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)。該課程把運動生物力學(xué)和醫(yī)用生物力學(xué)的原理與方法及其在臨床康復(fù)中的應(yīng)用成果綜合成為一個新的課程體系[6]。課程不僅要求學(xué)生掌握人體運動的基本力學(xué)原理和人體運動系統(tǒng)的生物力學(xué)特性，還要求學(xué)生能夠?qū)⑦@些理論應(yīng)用于運動訓(xùn)練和臨床康復(fù)的實踐中。目前，運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)主要包括三維攝像測量和解析、紅外運動捕捉測試、三維力測量和骨材料力學(xué)實驗等內(nèi)容。但在現(xiàn)階段的實驗教學(xué)過程中，仍存在一些問題。

1.1 理論知識抽象

運動康復(fù)生物力學(xué)課程的學(xué)習(xí)需要具備一定數(shù)理基礎(chǔ)，并要求學(xué)生具有抽象思維和邏輯推理能力[7]。這對教學(xué)提出了更高的要求，單一的課堂教學(xué)模式和講授式的教學(xué)方法都無法滿足學(xué)生對于抽象概念的理解。部分學(xué)生也反映對理論知識的掌握較為吃力，這也可能降低學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣與效果。

1.2 實踐能力不足

運動康復(fù)生物力學(xué)是一門以實驗手段和方法為主的應(yīng)用型課程[7]。婁彥濤[8]總結(jié)了沈陽體育學(xué)院近年來實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與效果，認為在充分保證課程總學(xué)時的前提下，應(yīng)安排不少于1/3的實驗教學(xué)。但在課程實際開展中，仍存在實驗學(xué)時安排較少的情況，無法有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

1.3 實驗設(shè)備和場地短缺

運動康復(fù)生物力學(xué)的測試手段涉及很多價格高昂的實驗設(shè)備，并對實驗場地也有一定要求[9]。但是國內(nèi)一些高校由于經(jīng)費投入等問題，缺乏相關(guān)實驗所需的設(shè)備和場地，造成部分實驗無法開展，影響教學(xué)效果。

1.4 教學(xué)方法有局限

多數(shù)運動康復(fù)生物力學(xué)的實驗課程以驗證或演示為主，缺乏綜合性、設(shè)計性的實驗教學(xué)[10]。這導(dǎo)致教學(xué)中教師占主導(dǎo)，而學(xué)生只能被動接受，很難培養(yǎng)其獨立思考和創(chuàng)新的能力。并且多數(shù)運動康復(fù)生物力學(xué)實驗準備和后期數(shù)據(jù)處理過程漫長，遠遠超過一次實驗課程的時長。因此，某些實驗操作只能由教師代替完成，學(xué)生參與感下降，進一步影響了學(xué)生的動手操作能力。

2 虛擬仿真技術(shù)在運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 教學(xué)方法創(chuàng)新

在運動康復(fù)生物力學(xué)的教學(xué)過程中，學(xué)生多數(shù)情況下只能在教師示范中進行想象與思考，無法自行操作。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)，可通過模擬不同場景，讓學(xué)生身臨其境地感受運動損傷的產(chǎn)生過程及機制，這將大大提高學(xué)生應(yīng)對具體問題的分析能力，提高了教學(xué)過程中師生之間的互動性和探究性。

2.2 評價體系創(chuàng)新

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運動康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)，可以實時觀察學(xué)生對人體形態(tài)、功能、評估與康復(fù)的掌握情況，同時也有效地避免了傳統(tǒng)實驗只能考查學(xué)生理論知識和簡單操作能力的局限性，實現(xiàn)了對于學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ脑u價。

2.3 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

虛擬仿真實驗教學(xué)可結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法，實現(xiàn)全天候的開放共享服務(wù)，同時，可使實驗教學(xué)具有重復(fù)使用性強、安全系數(shù)高和低成本等優(yōu)點。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運動康復(fù)生物力學(xué)課程，延伸了實驗教學(xué)的時間與空間，拓展了實驗教學(xué)的廣度與深度。

3 運動康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用實例

基于運動康復(fù)生物力學(xué)實驗課程的特點，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目可以更有利于將抽象的理論知識直觀展現(xiàn)給學(xué)生，改善實驗教學(xué)課時不足、設(shè)備與場地受限等狀況，并可以在教學(xué)中加入更多綜合性和設(shè)計性的實驗，從而加強學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。針對以上原因，南京體育學(xué)院運動康復(fù)生物力學(xué)教學(xué)團隊率先建立完成了“脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

3.1 教學(xué)目的

該項目的目的在于在前期理論知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，采用虛擬仿真技術(shù)進行情景模擬的教學(xué)方法，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中綜合性的開展脊柱形態(tài)認知、力學(xué)分析、評估與康復(fù)等實驗操作，并通過人機對話的方式，加深學(xué)生對脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)的認識，提高實驗教學(xué)效果，在探究學(xué)習(xí)的過程中形成對基礎(chǔ)知識的自主構(gòu)建。

通過“脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)，可使學(xué)生：（1）掌握脊柱相關(guān)的解剖學(xué)和生物力學(xué)原理，了解脊柱各節(jié)段的組成及力學(xué)機制；（2）掌握脊柱形態(tài)和功能的評估過程，通過三維仿真場景展示評估脊柱的主要設(shè)備，熟悉其構(gòu)造和原理，掌握其操作要領(lǐng)；（3）掌握脊柱相關(guān)疾病的損傷原理和康復(fù)方法，通過模擬脊柱評估的異常結(jié)果，選擇適宜的運動康復(fù)手段。

3.2 主要內(nèi)容

整個實驗過程由脊柱認知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運動康復(fù)四個環(huán)節(jié)組成，包括了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識，以及儀器操作、損傷評定和康復(fù)等虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。

3.2.1 脊柱認知

該環(huán)節(jié)主要以三維模型展示出脊柱的形態(tài)結(jié)構(gòu)，學(xué)生可通過旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等方式全方位觀察脊柱的組成與運動。在更為直觀地了解脊柱結(jié)構(gòu)后，該環(huán)節(jié)還要求學(xué)生完成脊柱及其基本功能單位的重新“組裝”，即將相應(yīng)椎體和韌帶等安置在適宜的位置上，以達到學(xué)習(xí)強化的作用。

3.2.2 脊柱篩查

該環(huán)節(jié)主要以情境模擬為主展示脊柱的動、靜態(tài)評估過程，學(xué)生可以通過操作身體姿態(tài)測評系統(tǒng)和電子脊柱測量儀來完成脊柱形態(tài)和功能的篩查，并判斷篩查對象所存在的脊柱問題，給出評定意見。

3.2.3 力學(xué)分析

該環(huán)節(jié)涉及基本知識的應(yīng)用和實驗操作兩部分的內(nèi)容?；A(chǔ)知識應(yīng)用主要包括：（1）測算不同頸部前傾角度下頸椎所受頭部重力矩的大小；（2）在胸椎節(jié)段的X光片上選取準確的Cobb角測算點來評估脊柱側(cè)彎程度。

實驗操作可使學(xué)生掌握肌力測試和材料力學(xué)測試的基本原理及流程，主要包括：（1）通過等速肌力測試系統(tǒng)測量軀干完成屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運動時的肌肉力量；（2）通過材料試驗機模擬椎骨受壓縮載荷時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.2.4 運動康復(fù)

該環(huán)節(jié)中主要以選擇題的形式由學(xué)生完成作答，題目主要針對不同脊柱疾病所對應(yīng)的康復(fù)治療方法，該部分得分將計入學(xué)生最終的考核成績。

3.3 考核方式

學(xué)生以個人身份登陸教學(xué)平臺，完成實驗學(xué)習(xí)后進入考核模式。實驗考核內(nèi)容主要包括學(xué)生對脊柱結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)分析、診斷及康復(fù)等理論知識和實踐操作的掌握。任課教師的評價從學(xué)生出勤、課堂討論、實驗考核等方面開展，貫穿于在線學(xué)習(xí)的全過程。

4 結(jié)語

運動康復(fù)生物力學(xué)是一門以實驗手段和方法為主的應(yīng)用型課程，但在實驗教學(xué)過程中仍存在理論知識抽象、實驗課時與場地設(shè)備短缺、缺乏綜合性實驗設(shè)計等限制因素。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以更直觀地呈現(xiàn)人體各部位結(jié)構(gòu)，通過虛擬場景的設(shè)定讓學(xué)生在進行實驗操作時擺脫空間和時間上的諸多限制，豐富了實驗教學(xué)的深度與廣度，也增加了學(xué)習(xí)的趣味性和考核方式的多樣性。以“脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)”的虛擬仿真實驗教學(xué)為例，項目包括脊柱認知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運動康復(fù)4個環(huán)節(jié)，涵蓋了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識，以及儀器操作、損傷評定與康復(fù)等實踐方法。這對于學(xué)生更直觀、全面地了解脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)的理論知識和實驗操作，培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才，有著重要意義。