基于模擬仿真的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用

張彥龍 畢耕超 張友 張麗娟 郝春麗 崔鵬

(牡丹江師范學(xué)院體育與健康科學(xué)學(xué)院 黑龍江牡丹江 157011)

模擬仿真技術(shù)發(fā)展，對(duì)體育學(xué)科的發(fā)展具有革命性的影響，技術(shù)推動(dòng)著虛擬現(xiàn)實(shí)從實(shí)驗(yàn)室研究走向應(yīng)用和實(shí)踐，尤其是教學(xué)中無法現(xiàn)實(shí)的三維人體運(yùn)動(dòng)教學(xué)。教師如何更好地適應(yīng)時(shí)代要求，如何在教學(xué)過程中對(duì)人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)三維呈現(xiàn)，有哪些運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)參與并提供三維運(yùn)動(dòng)，是目前需要解決的問題。應(yīng)讓學(xué)生利用電腦或移動(dòng)終端，隨時(shí)隨地進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的模擬實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)代人才創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)、知識(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、應(yīng)用能力的提高等提供可視化資源，同時(shí)將判斷、分析、創(chuàng)新等元素引入實(shí)踐，利用多視圖的可視化，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的解釋性和可理解性，使其能夠協(xié)助教師，實(shí)現(xiàn)體育技術(shù)動(dòng)作各階段仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)參數(shù)同步呈現(xiàn)，減輕教師負(fù)擔(dān)，為培養(yǎng)學(xué)生的判斷能力、創(chuàng)新能力和個(gè)性能力創(chuàng)造有利條件。

基于模擬仿真數(shù)字信息時(shí)代的實(shí)踐應(yīng)用給教學(xué)者提供了新的教學(xué)范式，對(duì)三維空間運(yùn)動(dòng)分析以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)整合，更加有效地促進(jìn)學(xué)習(xí)、實(shí)踐。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析和挖掘也為實(shí)驗(yàn)研究提供了一種新的方式。在模擬仿真運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，將為教學(xué)干預(yù)提供更多、更準(zhǔn)確的依據(jù)。因此，模擬仿真實(shí)踐與訓(xùn)練生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，具有不受時(shí)間和空間限制，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)控制等優(yōu)點(diǎn)。該文基于建模理論學(xué)習(xí)的視角，研究如何從多維的視角和層次，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，建立分析模型，全面模擬實(shí)踐教學(xué)與應(yīng)用過程，并最終促進(jìn)教師對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行及時(shí)反饋和有效評(píng)價(jià)。

1 基于模擬仿真在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐構(gòu)建模式

LifeMOD、AnyBody、OpenSim 是人體仿真軟件，其中OpenSim 是應(yīng)用于人體肌肉骨骼模型開發(fā)、模擬仿真和運(yùn)動(dòng)分析的免費(fèi)開源系統(tǒng)，由斯坦福大學(xué)開發(fā)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如人體行走、跑、跳仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析研究及醫(yī)療手術(shù)過程仿真、器械設(shè)計(jì)分析和可視化等。因此，LifeMOD、AnyBody、OpenSim 為生物力學(xué)人體運(yùn)動(dòng)仿真提供了有力保障，特別是OpenSim軟件自帶的人體模型肌肉、關(guān)節(jié)和骨骼，可依據(jù)人體肌肉骨骼系統(tǒng)功能，結(jié)合仿真需要，在原模型中添加相應(yīng)環(huán)節(jié)實(shí)體模型?；贚ifeMOD、AnyBody、OpenSim 模型，開發(fā)面向人體運(yùn)動(dòng)的仿真可視化過程分析工具，同時(shí)利用多視圖的可視化呈現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的解釋性和可理解性，使其能夠?qū)θ梭w運(yùn)動(dòng)過程的分析，促進(jìn)教師對(duì)教學(xué)活動(dòng)的有效評(píng)價(jià)和及時(shí)反饋。

基于LifeMOD、AnyBody等建立完成的仿真模型學(xué)習(xí)系統(tǒng)，包含運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來源庫(kù)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來源庫(kù)、呈現(xiàn)模型庫(kù)和學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。

1.1 基于模擬仿真生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)建模過程

運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集主要使用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，采集人體空間運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，如國(guó)內(nèi)的NOKOV（度量）光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，國(guó)外的Qualisys 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、Vicon 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、Motion Analysis 三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量、記錄人體在真實(shí)三維空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或軌跡，如人體關(guān)節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)、身體某一部位坐標(biāo)以及人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡，將這些參數(shù)整理后，分類建立人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來源庫(kù)，為仿真提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)便于學(xué)生后期學(xué)習(xí)使用其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

三維動(dòng)作動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集，包括地面反作用力及施加到對(duì)象上的力矩，同時(shí)也可以記錄肌肉的電變化，結(jié)合肌電對(duì)肌肉仿真驗(yàn)證。動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集，如美國(guó)的AMTI 三維測(cè)力臺(tái)、瑞典的Kistler 三維測(cè)力臺(tái)等，采集的指標(biāo)有力、力矩及施加到人體的力、力矩的方向和施加點(diǎn)。統(tǒng)一動(dòng)作捕捉運(yùn)動(dòng)學(xué)與測(cè)量力的動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系，導(dǎo)入LifeMOD、AnyBody、OpenSim，建立運(yùn)動(dòng)仿真模型。因此，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真模型來源庫(kù)，為分析工具的可視化呈現(xiàn)提供了關(guān)鍵的功能。

1.2 基于模擬仿真的架構(gòu)建立

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)包含實(shí)踐的所有要素、學(xué)習(xí)內(nèi)容、呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、課程學(xué)習(xí)中的分析模型分析系統(tǒng)以及其他所有與學(xué)習(xí)相關(guān)的參數(shù)信息。構(gòu)建模擬仿真分析的模型，需要依據(jù)體育動(dòng)作項(xiàng)目、運(yùn)動(dòng)模型分析、結(jié)果評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)效果評(píng)估等環(huán)節(jié)。第一，針對(duì)基于模擬仿真分析的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的建模問題，實(shí)施相關(guān)的模型動(dòng)作捕獲獲取模型，以確定要建立的運(yùn)動(dòng)模型分析。第二，基于三維運(yùn)動(dòng)仿真分別建立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的仿真模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)，如果評(píng)價(jià)結(jié)果滿足學(xué)習(xí)的目的與要求，則得出實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)評(píng)估結(jié)果，如果沒有達(dá)到學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)要求，則返回上一層重新獲取模型，直到滿足實(shí)驗(yàn)者的要求。第三，使效果評(píng)估模型中的學(xué)習(xí)興趣評(píng)估模型被賦值，通過關(guān)聯(lián)建立學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，完成實(shí)驗(yàn)效果評(píng)估。

1.3 基于模擬仿真的理論基礎(chǔ)

模擬仿真學(xué)習(xí)模型基于認(rèn)知、數(shù)據(jù)知識(shí)建構(gòu)、聯(lián)系性思維等不同的應(yīng)用與理論視角，構(gòu)建了面向三維立體情境、人機(jī)交互及知識(shí)鏈接動(dòng)作的各種分析框架，處理模塊框架涵蓋動(dòng)作交互、認(rèn)知元素，面向?qū)W習(xí)者反饋模塊系統(tǒng)等要素，關(guān)注了動(dòng)作仿真學(xué)習(xí)的不同層次。動(dòng)作模型強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)技能前移與交互，對(duì)于深入學(xué)習(xí)具有重要意義。人體作為一個(gè)整體，運(yùn)動(dòng)技能要素之間具有影響與制約的關(guān)系，發(fā)展運(yùn)動(dòng)技術(shù)、技能，要正確認(rèn)識(shí)各要素之間的制約因素，并通過先進(jìn)有效的手段和措施，反映這種能力，要求把握學(xué)習(xí)目標(biāo)內(nèi)在規(guī)律，遵循規(guī)律，發(fā)展能力學(xué)習(xí)體現(xiàn)在再認(rèn)知過程，刻畫在動(dòng)作仿真遷移過程，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的可理解性，最終促進(jìn)教師對(duì)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的有效評(píng)價(jià)和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的及時(shí)反饋，如Fahy強(qiáng)調(diào)認(rèn)知在構(gòu)建模型分析中的重要作用。建立的模型強(qiáng)調(diào)認(rèn)知在分析中的重要作用，提供的模型更注重認(rèn)知結(jié)構(gòu)相關(guān)參與的因素，特別需要考慮在反饋評(píng)價(jià)中是否提出了過程思維模式、觀點(diǎn)，是否明確了問題導(dǎo)向、空間模式等。

然而，仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中動(dòng)作結(jié)構(gòu)的建構(gòu)是一個(gè)相互作用多方面因素有機(jī)結(jié)合的過程，從動(dòng)作技能的掌握程度、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度，針對(duì)性地鞏固知識(shí)的模塊系統(tǒng)。從文獻(xiàn)分析來看，雖然已有研究者試圖構(gòu)建盡可能全面的維度，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析，但單一地為了解學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程存在視角狹窄的局限性。因此，要提升不同仿真模型動(dòng)作及動(dòng)作結(jié)構(gòu)機(jī)制的理解，才能把教學(xué)條件作為輸入，在內(nèi)部利用三維模型完整、視覺、真實(shí)地輸出教學(xué)結(jié)果，解決學(xué)生的困惑，提升教學(xué)效果。

2 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)效果應(yīng)用評(píng)估

該研究選擇某大學(xué)三年級(jí)體育教育班64 名學(xué)生，參與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。該課程的開設(shè)時(shí)間為5周，共10學(xué)時(shí)，完全處于自然實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)。首先，通過量化方式獲取包含學(xué)生心理和認(rèn)知方面的課堂學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并提取學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果評(píng)估模型各指標(biāo)所需的屬性值，可以得到關(guān)于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)心理指標(biāo)效果評(píng)估，進(jìn)行一次課學(xué)習(xí)態(tài)度比較。其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)后2 個(gè)教學(xué)班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)進(jìn)行比較，成績(jī)單的綜合成績(jī)由實(shí)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)成績(jī)和考試成績(jī)?nèi)糠纸M成，獲得指標(biāo)權(quán)重，采用統(tǒng)計(jì)法對(duì)學(xué)生課程成績(jī)進(jìn)行計(jì)算，采用卡方和配對(duì)檢驗(yàn)方法，比較實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的學(xué)習(xí)效果，顯著水平為＜0.05。

2.1 實(shí)驗(yàn)后學(xué)生一次課學(xué)習(xí)態(tài)度比較

采用模擬仿真教學(xué)（實(shí)驗(yàn)班）與傳統(tǒng)教學(xué)（對(duì)照班）方法，比較學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，如表1所示。實(shí)驗(yàn)班的模擬仿真教學(xué)在生動(dòng)直觀、容易接受、感興趣和效果方面，人數(shù)比例都高于對(duì)照班，且經(jīng)過檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班成績(jī)差異顯著（＜0.05），說明其采用模擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地表征學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)態(tài)度情況。在學(xué)習(xí)態(tài)度方面，學(xué)生更傾向于模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生滿意度提升，學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高，因此，效果評(píng)估能從課程、學(xué)生、教師維度對(duì)學(xué)習(xí)者的滿意度進(jìn)行刻畫。學(xué)生主體在模擬仿真特定的情境中，從三維可視化的視角去認(rèn)識(shí)人體運(yùn)動(dòng)與肌肉動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)行特定動(dòng)作解讀，生成個(gè)性化的知識(shí)，同時(shí)結(jié)合自身原有運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和對(duì)動(dòng)作的認(rèn)知，對(duì)數(shù)據(jù)、模擬等進(jìn)行提取和組合，生成個(gè)性化的理解，表明采用模擬仿真運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，在大腦中建立完整正確的動(dòng)作結(jié)構(gòu)，對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生積極的效果。

表1 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班學(xué)習(xí)態(tài)度比較表

2.2 實(shí)驗(yàn)后學(xué)生實(shí)驗(yàn)課成績(jī)比較與分析

自主學(xué)習(xí)策略就是倡導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、積極參與、交流合作。開發(fā)面向模擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)三維運(yùn)動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)，利用多視圖的可視化呈現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的可理解性和解釋性，利用多維模型3 個(gè)維度互為補(bǔ)充和相互解釋的關(guān)系，使其能夠協(xié)助教師，從分析的視角減輕教師講解、操作負(fù)擔(dān)。

如表2所示，5次的實(shí)驗(yàn)班實(shí)驗(yàn)課考試平均成績(jī)高于對(duì)照班平均成績(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)前后配對(duì)均數(shù)檢驗(yàn)，步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)、跑的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、羽毛球殺球分析、跳高動(dòng)作分析、投擲力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)等的差異性均非常顯著（＜0.01）；學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模型能從課堂參與、在線參與2 個(gè)層面，對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行刻畫。多維視角和層次的模型學(xué)習(xí)分析所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般是與基本動(dòng)作、基本方法、基本過程和基本原理相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，借鑒以自主學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計(jì)模式的思想，以應(yīng)用研究來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，建立的模擬仿真動(dòng)作生物力學(xué)仿真教學(xué)與數(shù)據(jù)動(dòng)作更清楚規(guī)范，能幫助學(xué)生在頭腦中建立正確的動(dòng)作表象，明確動(dòng)作完成程序，區(qū)分正確動(dòng)作參數(shù)與錯(cuò)誤動(dòng)作參數(shù)，及時(shí)幫助學(xué)生分析在實(shí)際中錯(cuò)誤動(dòng)作的根源，找出最優(yōu)動(dòng)作組合。并最終促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)際動(dòng)作的有效評(píng)價(jià)和及時(shí)反饋。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)班與傳統(tǒng)方式學(xué)生成績(jī)比較(± s)

3 結(jié)語

為了提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)分析活動(dòng)的效果，建立有效的模擬仿真模型是關(guān)鍵。為此，該研究針對(duì)基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需求，構(gòu)建完整模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。學(xué)生能運(yùn)用生物力學(xué)仿真模型，學(xué)習(xí)動(dòng)作技術(shù)，以確保所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軡M足學(xué)習(xí)分析的基本要求，對(duì)特定動(dòng)作有較強(qiáng)的時(shí)空感，能加深學(xué)生對(duì)動(dòng)作的理解，進(jìn)而掌握技術(shù)動(dòng)作，加速動(dòng)作技能的形成，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。該研究提出構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型的有效性和可用性。學(xué)生表現(xiàn)出對(duì)三維仿真動(dòng)作濃厚的興趣，掌握動(dòng)作的時(shí)間縮短，滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求，同時(shí)合理地使用學(xué)習(xí)效果評(píng)估，將過程與實(shí)踐結(jié)合在一起，發(fā)揮更好的評(píng)估效果，降低生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)的復(fù)雜性。