虛擬仿真技術在普通高校棒球教學中的應用

楊光，張蕾，黃濤，趙影

摘要：目的：構建棒球虛擬仿真教學平臺并檢驗其在普通高校棒球教學中的應用效果。方法：以3D Studio Max和MAYA作為建模工具制作系統(tǒng)模型和環(huán)境場景。采用整群抽樣，選取同一學期、同一老師教授的2個棒球班，分為實驗組和對照組。實驗組開展傳統(tǒng)棒球教學和棒球虛擬仿真課件學習，對照組開展傳統(tǒng)棒球教學。學期末對實驗組進行虛擬棒球教學平臺的交互性、易用性和有用性的認知情況的問卷調查，并對實驗組和對照組進行教學效果對比。結果：構建了包括棒球場場景模塊、理論學習模塊和比賽模塊的棒球虛擬仿真桌面交互平臺。提高了學生對棒球理論知識的掌握、實踐能力和學習熱情。實驗組同學在理論、跑壘和滑壘專項技術上的得分顯著高于對照組。結論：虛擬仿真技術在棒球教學中的應用能夠有效彌補傳統(tǒng)棒球教學中的場地缺乏、教學課時少等問題，提高學生自主學習棒球知識的興趣和實踐應用能力。

關鍵詞：棒球;虛擬仿真;教學改革

中圖分類號：G807文獻標識碼：A文章編號：1008-2808（2021）06-0064-05

Abstract：Objective： The aim is to construct a virtual simulation platform of baseball teaching and test its application effect in regular institution of higher education. Methods： 3D Studio Max and MAYA were used to create system models and environmental scenes. Two baseball classes were divide them into an experimental group and a control group by cluster sampling， and the students taught by the same teacher and come from the same semester. The experimental group carried out traditional baseball teaching and baseball virtual simulation courses， and the control group only carried out traditional baseball teaching. At the end of the semester， the experimental group was asked to conduct a questionnaire survey on the cognition of the interaction， ease of use and usefulness of baseball virtual simulation platform， and the teaching effect of the experimental group and the control group was compared. Results： This study constructed a baseball virtual simulation desktop interactive platform which including baseball field scene modules， theoretical learning modules and competition modules. It has improved students mastery of baseball theoretical knowledge， practical ability and enthusiasm for learning. The scores of the students in the experimental group were significantly higher than those in the control group in theory， running and sliding techniques. Conclusion： The application of virtual simulation technology in baseball teaching can effectively make up for the lack of venues and short teaching hours in traditional baseball course， and improve students interest in self-learning baseball knowledge and practical application ability.

Key words：Baseball; Virtual simulation; Teaching reform

虛擬仿真技術融合了虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術和系統(tǒng)仿真技術的優(yōu)點，通過人機交互營造近乎真實的視覺、觸覺、聽覺和動覺等體驗效果，具有沉浸性、交互性、真實性、安全性等特點[1，2]，能夠為體驗者提供一種“身臨其境”的感覺。這就使得現(xiàn)實生活中無法呈現(xiàn)或重現(xiàn)的場景成為可能。2012年3月13日，教育部發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)化（2011—2020 年）》[3]，提出以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。2019年6月，在《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》中再次強調國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[4]。從近年來教育部不斷發(fā)布的建設虛擬仿真實驗教學項目的工作目標，不難發(fā)現(xiàn)，加快推進現(xiàn)代信息技術與教育教學深度融合，已成為新時代高校教學改革的重要方向。

與此同時，高校傳統(tǒng)體育課堂面臨著學生實踐能力差、教學課時少、學生流轉性大、課程緊、差異化教學不足等困境[5，6]。尤其是棒球這種對場地要求較高、技術動作復雜、比賽規(guī)則繁多的運動項目，急需在傳統(tǒng)教學的基礎上，結合新的輔助教學手段幫助棒球教學走出困境。因此，將傳統(tǒng)棒球教學與虛擬仿真技術相結合的教學改革亟待解決。本研究即是在響應時代發(fā)展要求的前提下，以高校棒球課為改革試點，構建棒球虛擬仿真教學平臺。將現(xiàn)代信息技術與高校體育課堂教學結合，既提高了學生學習興趣，活化了課堂教學內容，又豐富了教學手段。在理論上回答了在新的改革趨勢下，如何將體育課堂要素分模塊、分層次轉化為虛擬仿真課堂;實踐上進一步推進了傳統(tǒng)體育課堂的教學信息化。

1研究對象與方法

1.1研究對象

以棒球虛擬仿真教學平臺的構建及其在普通高校棒球教學中的應用效果為研究對象。

1.2研究方法

1.2.1文獻資料法檢索中國知網(wǎng)，Web of Science和 EBScohost等全文數(shù)據(jù)庫，以棒球教學、體育教育、虛擬仿真等為關鍵詞，查找相關文獻資料并進行整理。

1.2.2專家訪談法依據(jù)本課題研究的內容和目的，制定《專家訪談提綱》，收集虛擬仿真工程技術和棒球教學專家對棒球虛擬仿真教學平臺建設的指導意見，主要采用面談和電話訪談兩種方式。專家包括虛擬仿真工程技術專家2名、棒球教學專項教師4名和棒球教練員2名。

1.2.3問卷調查法本研究嚴格按照問卷設計的基本原則和要求，在閱讀大量參考文獻以及咨詢專家意見后，制作了《虛擬仿真棒球教學的應用調查問卷》。發(fā)放對象為某普通高校公共體育棒球課班上的學生，也是本研究中的實驗組，共計31人（全部完成棒球虛擬仿真課程的學習）。結合研究需要，《虛擬仿真棒球教學的應用調查問卷》共設置8個問題，反映3個維度，分別是對虛擬仿真棒球課程的交互性、易用性和有用性的認知。

為保證調查結果的真實性和有效性，本文采取專家評判法，特請8位專家對問卷的內容和結構效度作了檢驗。專家認為問卷調查的內容與所研究的內容范圍比較符合，具有較好的代表性，說明測試具有較高的內容和結構效度，同時，根據(jù)部分專家學者的意見重新整理、修改形成最終問卷。各位專家對問卷的認同情況見表1。

1.2.4測試法整群抽樣，除上述實驗組外，另選取同一學期、同一老師教授的棒球課班上的學生為對照組（只開展傳統(tǒng)棒球教學）。采用教考分離的形式進行棒球理論（100分制閉卷考試）、技術測驗（擊球、跑壘、滑壘、傳球和接球共5個技術項目，每項滿分20分，共計100分）。棒球技戰(zhàn)術測試則分別組織2個班的學生進行比賽，由2名棒球專業(yè)教師觀賽后對學生技戰(zhàn)術水平進行打分。

1.2.5數(shù)理統(tǒng)計法本研究所收集數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS22.0進行統(tǒng)計分析，以便更好地歸納、分析虛擬仿真棒球課程的教學效果和學生的學習效果。

2研究結果與分析

2.1虛擬仿真教學平臺構建

棒球是集靈活性性、集體性、協(xié)調性、智慧性于一身的一項體育運動，也因此被譽為“競技與智慧的相結合的一項貴族運動”[7]。棒球技術難，規(guī)則多，對于普通高校大學生來說，一學期很難完全掌握全部理論知識和技術動作。這對于老師和學生都是一個難題。本研究首先選擇3D Studio Max和MAYA作為建模工具，制作虛擬仿真標準棒球場場景;其次，選用Unity 3D作為虛擬仿真的開發(fā)平臺;最后，在運行腳本的開發(fā)環(huán)節(jié)，選用了C#語言作為運行腳本的開發(fā)語言，構建棒球虛擬仿真教學平臺。應用層采用模塊化設計思路，分為基本理論和比賽規(guī)則模塊、防守和進攻基本技術模塊，比賽實戰(zhàn)模塊、漫游巡視模塊等4個功能模塊。支撐層實現(xiàn)了3D建模、場景布置、桌面式顯示等輔助功能。

2.1.1虛擬仿真標準棒球場景在點擊“開始”按鈕后，系統(tǒng)會首先出現(xiàn)標準棒球場的全貌（圖1），讓初學棒球課的同學對棒球場有一個了解。

平時上課學生們都是直接進入場地，無法俯瞰棒球場全貌，而且大部分高校棒球場地缺乏觀眾席、教練席等要素。因此，對于棒球新手來說，這一步可以讓學習者在最短的時間內了解一個標準棒球場地的構成。隨后進入系統(tǒng)交互模塊。

2.1.2理論學習模塊理論學習模塊旨在介紹棒球的基礎知識點，包括球場規(guī)格和比賽設施（內野壘包、本壘板及打擊區(qū)、投手丘、外野、壘線、內外野線、界外線、教練席等），如圖2a所示;各球員位置和功能介紹等內容，如圖2b、2c所示。本模塊通過3D Studio Max和MAYA對球員、壘包、球員位置等進行真實比例的仿真建模，再由功Unity 3D引擎實現(xiàn)虛擬仿真模型資源的整合并搭建了棒球比賽場景。最后漫游視角展示運動員功能等的文字說明，可以使學習者能夠明晰棒球場組成、球員介紹和相關注意事項，強化其對棒球基礎知識的認知。

2.1.3比賽場景模塊本模塊中學習者需要掌握的是棒球比賽中的規(guī)則知識，包括投球、好球、壞球、得分、出局、安全、擊球跑壘和防守截殺等內容，如圖3所示。學習者點擊“下一步”按鈕后開始學習比賽規(guī)則。棒球從投球手把球投出去開始，目標點為擊球手的位置，采用Vector3中的Move To Word方法，方法內參數(shù)為：起始位置（也就是投手的位置）、終點位置（擊球手的位置）和速度（球移動的速度），然后執(zhí)行投球動畫，動畫執(zhí)行結束出后，讓棒球從投球手的位置發(fā)射到擊球手的位置。以此為基礎，完成上述棒球比賽中的規(guī)則演示。

2.2虛擬仿真教學的應用功能和學生的學習效果

本研究結合虛擬仿真的特征和棒球教學的實際需要，以及文獻資料中有關對虛擬仿真系統(tǒng)的應用功能評價維度[8，9]，并根據(jù)專家建議確定了對該平臺進行了交互性、易用性和有用性的評價。其中，系統(tǒng)的交互性是虛擬仿真實驗的基本特性，良好的交互性能夠有效激發(fā)學習者的動機并提升學習效果。易用性是評價虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在功能設計方面邏輯性和科學性的重要維度，能夠為系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供重要指示[10]。系統(tǒng)的有用性是評價棒球虛擬仿真課學習效果的指標之一，棒球虛擬仿真課的目標就是滿足教學的實際需要并提高學生的學習效果。

此次調查問卷中，有關虛擬仿真教學的應用功能和學生的學習效果的調查結果如表2所示。在本次問卷調查中，分別有70.97%和19.35%的同學認為在選擇此次虛擬仿真棒球教學內容進行學習是非常和比較自由流暢的;分別有80.65%和16.13%的同學認為虛擬仿真棒球教學中能夠感受到的教學過程是非常和比較真實的，表明此次虛擬仿真教學平臺的構建具有很強的交互性。有90.32%的同學認為本次虛擬仿真棒球教學中的場景和器材形象直觀，有77.41%的同學認為本次虛擬仿真棒球教學平臺的操作簡單易于上手，說明此次棒球虛擬仿真教學平臺的構建具有較強的交互性和易用性。學生普遍反映，經(jīng)過虛擬仿真課的學習，理論知識和實踐能力得到了提升。

學習效果方面（見表2），分別有77.42%和19.35%的同學表示非常認同和比較認同本次虛擬仿真棒球教學提高了自己對棒球理論知識的掌握，分別有64.52%何22.58%的同學表示非常認同和比較認同本次虛擬仿真棒球教學提高了自己的實踐能力，分別有67.74%和25.8%的同學表示非常認同和比較認同本次虛擬仿真棒球教學提高了自己對學習的熱情，分別有64.52%和22.58%的同學表示非常認同和比較認同經(jīng)過本次虛擬仿真棒球課的體驗后還想要繼續(xù)使用并認可它的學習效果。說明棒球虛擬仿真教學在促進學習效果的提高上切實發(fā)揮了作用，有利于學生學習興趣的培養(yǎng)。

2.3棒球虛擬仿真課的教學效果

考試分為理論考試和專項技術測試，理論考試采用閉卷形式，滿分100分。技術測試分為5個部分，包括擊球、跑壘、滑壘、傳球和接球，各占20分。結果發(fā)現(xiàn)（見表3），實驗組的同學在理論、跑壘和滑壘專項技術上的得分顯著高于對照組的同學，說明虛擬仿真棒球課與傳統(tǒng)棒球課堂教學的混合模式有益于教學效果，尤其是理論成績的提高。這可能跟傳統(tǒng)課堂上老師講解理論更易受課堂環(huán)境和內容的影響，相比而言，虛擬仿真課上的理論知識點會更詳盡、更系統(tǒng)。此外，值得注意的是，擊球、傳球和接球技術動作得分上，對照組和實驗組得分沒有顯著性差異，這可能跟技術動作的復雜程度有關。擊球、傳球和接球相對直觀、簡單，學生容易上手，而跑壘和滑壘跟協(xié)調性、反應能力、速度等有關，對學生的整體身體素質要求較高，而虛擬仿真課中可以反復觀察技術動作及要點，所以有助于課堂實踐能力的提高。因此本研究是虛擬仿真技術與高校傳統(tǒng)體育課堂結合的嘗試，是體育教育信息化的一次實現(xiàn)，并取得了良好的效果。

3結語

虛擬仿真技術運用于高校棒球教學改革中，既可以擴大虛擬技術的運用范圍，又能充實、活化棒球授課內容，為教學增添了一個新的實踐平臺，也為學生提供一個不受實際條件限制的學習平臺。基于虛擬仿真技術構建交互性能良好的真實棒球教學情境，能夠有效彌補高校傳統(tǒng)棒球教學中的場地缺乏、教學課時少、規(guī)則講解不到位、技術動作難以全面展示等問題，提高學生自主地學習棒球知識的興趣和實踐應用能力。但由于時間及實驗條件所限，本次的虛擬仿真課程只做到了桌面交互，沒有實現(xiàn)人機交互，不能真實感受棒球運動的觸覺及動覺;場景設計沒有完全采用真實球員（身高、體重、維度、肌肉等解剖學參數(shù)）和技術動作（角度、肌肉、速度等生物力學參數(shù)）的1：1還原。但隨著信息技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術也將會得到不斷的提高，本次研究中尚未完全解決的問題也將會越來越完善，這也是我們未來要努力的方向。

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收稿日期：2021-01-28;修回日期：2021-04-18

作者簡介：楊光（1984-），男，講師，碩士，研究方向為體育教育學。

作者單位：上海交通大學 體育系，上海 200240哈爾濱體育學院學報2021第6期楊光，等：虛擬仿真技術在普通高校棒球教學中的應用