基于unity3D的傳統(tǒng)武術(shù)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

彭 川

武漢體育學(xué)院體育科技學(xué)院，湖北 武漢 430079

全球新冠肺炎疫情肆虐的當下，線上教學(xué)逐漸成為了高校課程教學(xué)中的重要一環(huán)。在體育運動中，尤其是像傳統(tǒng)武術(shù)這類對動作準確性有極高要求的項目，傳統(tǒng)的視頻教學(xué)已經(jīng)難以滿足線上教學(xué)與課后教學(xué)的需求。目前已有不少高校在體育項目的教學(xué)過程中結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)，例如，杭州師范大學(xué)在高爾夫教學(xué)中使用虛擬仿真技術(shù)模擬揮桿的過程，既不需要占用場地，又能讓學(xué)員更好的掌握揮桿技巧；北京體育大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)，在足球項目的教學(xué)中通過讓受訓(xùn)運動員以第一視角置身于比賽戰(zhàn)術(shù)場景中進行選擇戰(zhàn)術(shù)決策和行動；沈陽體育學(xué)院和哈爾濱體育學(xué)院將虛擬仿真技術(shù)運用在了冰雪運動上，在環(huán)境、場地受限的情況下，實現(xiàn)了全季節(jié)冰雪運動課程的教學(xué)。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對比傳統(tǒng)教學(xué)

1.1 教學(xué)方法

在以往的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)過程中，教師教授學(xué)員動作時一般采用現(xiàn)場指導(dǎo)與視頻演示結(jié)合的教學(xué)方式，線下課堂教學(xué)時由教師現(xiàn)場演示并指導(dǎo)學(xué)員，課后復(fù)習(xí)或線上教學(xué)時學(xué)員只能通過觀看演示視頻來學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)武術(shù)套路中的動作多樣且復(fù)雜，學(xué)員在學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)新動作時，如果想全面了解動作的特點必須全方位多角度觀察動作，然而目前的教學(xué)視頻僅僅有正面一個視點或正面加背面兩個視點，給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來極大困難。在課后練習(xí)和線上教學(xué)的過程中一旦學(xué)員養(yǎng)成了錯誤的動作習(xí)慣，教師需要在線下教學(xué)中花費大量的時間來糾正他們。

圖1 不同視角下的動作（演示用模型，非規(guī)范動作）

本系統(tǒng)利用動作捕捉技術(shù)將武術(shù)動作導(dǎo)入到Unity3D引擎中制作成虛擬仿真運動場景提供給用戶觀看。用戶使用屏幕或VR眼鏡觀看整個運動過程，在觀看的過程中用戶可以隨時暫停場景中的運動，拖動鼠標或手機屏幕調(diào)整觀看視角，學(xué)習(xí)復(fù)雜的動作時便可以利用該功能對各肢體的動作進行細致、反復(fù)的觀察學(xué)習(xí)，達到更好的學(xué)習(xí)效果。

1.2 教學(xué)人員

目前傳統(tǒng)武術(shù)推廣的現(xiàn)狀：大師數(shù)量少，精力有限，只能培養(yǎng)專業(yè)武術(shù)人才和武術(shù)運動員。武術(shù)運動員忙于訓(xùn)練比賽，幾乎沒有時間進行教學(xué)，另外，想要參與教學(xué)還要有相應(yīng)的學(xué)歷，而專業(yè)武術(shù)人才可以從事武術(shù)推廣，但人群基數(shù)小，遠不能滿足社會的需要。[1]以往一位傳統(tǒng)武術(shù)教師在課堂上需要完成教授新動作、復(fù)習(xí)舊動作、糾正錯誤等工作，一堂課能承擔(dān)的人數(shù)十分有限，如果學(xué)生通過虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能提前預(yù)習(xí)新動作復(fù)習(xí)舊動作，將減輕教師在課堂上的壓力，在一定程度上彌補武術(shù)專業(yè)人員數(shù)量不足的問題。

1.3 教學(xué)反饋

反饋教學(xué)法為全國著名特級教師、華夏教育研究院院長劉顯國研究反饋教學(xué)藝術(shù)的成果。反饋教學(xué)法就是把人們對教學(xué)過程的思考，從傳統(tǒng)模式“考什么，教什么”“教什么，學(xué)什么”“怎么教，怎么學(xué)”，轉(zhuǎn)而逆向設(shè)計教學(xué)過程為學(xué)生“怎么學(xué)，學(xué)什么”，教師決定“怎么教，教什么”。目前的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)中教學(xué)反饋基本依靠課堂上教師的直接觀察和學(xué)生的提問，教師在教學(xué)過程中精力有限，對每個學(xué)生的情況掌握程度必定參差不齊，不利于教師對后續(xù)的教學(xué)過程進行合理的規(guī)劃。本系統(tǒng)采用視頻反饋教學(xué)法進行教學(xué)反饋，學(xué)生使用手機的錄制功能錄制自己的練習(xí)動作，通過系統(tǒng)功能上傳后便能實現(xiàn)師生評價、自我評價、學(xué)生互評。此種方式不受時間空間的制約，使得教師能更加全面的觀察學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)的情況，獲得的反饋信息也更直觀更準確，有利于教師及時有效的調(diào)整后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，視頻反饋教學(xué)法更有助于提高學(xué)生的武術(shù)技能成績。[2]

1.4 學(xué)習(xí)體驗

當今武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的講解、示范不利于學(xué)生興趣動機的激發(fā)，進而達不到預(yù)期的教學(xué)效果，運用虛擬仿真技術(shù)將教師所要傳授的教學(xué)重點進行建模模塊、3D模擬創(chuàng)造出虛擬環(huán)境，學(xué)生可以清晰地觀察到武術(shù)動作的動作軌跡和力學(xué)特征，創(chuàng)造出一種新情景模式，給學(xué)生帶來沉浸式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。[3]

2 技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)前端使用Unity3D引擎開發(fā)，在實現(xiàn)虛擬仿真效果的同時也具有良好的跨平臺支持和互動性。動作捕捉采用

2.1 Unity3D 引擎

Unity3D也稱Unity，是由Unity Technologies 公司開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具。時至今日，市場上出現(xiàn)了眾多種類的虛擬仿真產(chǎn)品，開發(fā)引擎種類繁多，而Unity3D開發(fā)引擎以其強大的跨平臺特性與絢麗的3D渲染效果而聞名于世，現(xiàn)在很多商業(yè)游戲、虛擬仿真產(chǎn)品都采用Unity3D引擎來開發(fā)。Unity3D內(nèi)置NVIDIA的PhysX物理引擎，物理引擎是模擬牛頓力學(xué)模型的計算機程序，其中使用了質(zhì)量、速度、摩擦力和空氣阻力等變量，開發(fā)中可以用高效、逼真、生動的方式復(fù)原和模擬真實世界中的物理效果，例如，碰撞檢測、彈簧效果、布料效果、重力效果等，進而達到虛擬仿真的效果。

2.2 動作捕捉

動作捕捉是在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后得到三維空間坐標的數(shù)據(jù)。目前市場上的產(chǎn)品主要使用光學(xué)動作捕捉和慣性動作捕捉。光學(xué)動作捕捉原理是基于光從演員身上標記點的反射到多個不同位置的攝像機，通過不同位置的成像信息測算出標記點的空間運動。而慣性動作捕捉則是通過感知演員身上陀螺儀的旋轉(zhuǎn)信息推算出演員的肢體運動。光學(xué)動作捕捉發(fā)展時間比較久，廣泛應(yīng)用于電影行業(yè)，已經(jīng)達到了非常高的精度。而慣性動作捕捉發(fā)展還處在比較早期的階段，目前主要的劣勢是推算誤差會被積累，捕捉一定時間后容易出現(xiàn)動作姿態(tài)偏斜，而它的優(yōu)勢是比光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)便宜，對捕捉場地要求低。本系統(tǒng)設(shè)計中采用的是光學(xué)動作捕捉設(shè)備HTC VIVE Tracker，使用11個采集器和一副手套綁定在演員身上，通過SteamVR可以直接將捕捉到的運動導(dǎo)入Unity3D虛擬仿真場景中再現(xiàn)演員的動作。

3 管理端功能設(shè)計

后端數(shù)據(jù)部署在服務(wù)器上，管理員可以通過網(wǎng)頁登陸進行管理。管理端主要包含以下3個功能。（1）用戶管理：為了方便統(tǒng)一管理，管理員可以批量添加、修改、刪除學(xué)生和教師。（2）動作添加：經(jīng)過專業(yè)團隊對專業(yè)運動員進行動作捕捉后，將動作數(shù)據(jù)生成虛擬仿真場景下的動作演示，再將動作演示文件上傳到后端服務(wù)器。上傳完畢后學(xué)生端與教師端即可觀看該動作演示。（3）數(shù)據(jù)分析：隨著學(xué)生用戶的增多，對各動作的觀看頻率、各動作的觀看時長、學(xué)生復(fù)習(xí)同一個動作的時間間隔等數(shù)據(jù)加以分析，進而實現(xiàn)對不同動作的學(xué)習(xí)難度，教學(xué)效果等數(shù)據(jù)的量化。后期教學(xué)人員根據(jù)量化的數(shù)據(jù)進一步展開實踐研究最終達成對傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)的改進。

4 學(xué)生端功能設(shè)計

學(xué)生端為手機APP形式，學(xué)生根據(jù)后端安排的賬號直接登錄即可使用APP。學(xué)生端主要包含以下4個功能。（1）動作學(xué)習(xí)：學(xué)生可以使用屏幕或VR眼鏡觀看虛擬仿真場景中的運動過程，在觀看的過程中學(xué)生可以滑動屏幕和點擊功能按鍵調(diào)整視角對整個動作進行更加細致的觀察。（2）班級交流：輸入由老師提供的班級號即可加入班級查看老師發(fā)布的信息和任務(wù)或和老師同學(xué)交流。（3）視頻提交：在該功能中，學(xué)生需要根據(jù)教師在系統(tǒng)中發(fā)布的作業(yè)任務(wù)錄制自己的練習(xí)視頻提交到后端服務(wù)器，提交成功后由老師評審，學(xué)生再依據(jù)評審結(jié)果對自己的動作進行改進練習(xí)。通過以上流程，在教學(xué)過程中就達成一次有效的教學(xué)反饋。（4）小游戲任務(wù)：在運動技能的熟練過程中練習(xí)必須的過程，但是高校武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的“講解——示范——練習(xí)”模式重復(fù)而枯燥，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。系統(tǒng)中利用小游戲的功能使用任務(wù)驅(qū)動法進行輔助教學(xué)?！叭蝿?wù)驅(qū)動教學(xué)法”是教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)生實際把教學(xué)任務(wù)分解成一個個小目標，學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下，通過問題解決式的自主學(xué)習(xí)方式來完成任務(wù)，達到教學(xué)目標的一種創(chuàng)新教學(xué)方法。小游戲中每天會生成一定量的任務(wù)，任務(wù)需要取學(xué)生練習(xí)已經(jīng)完成學(xué)習(xí)某個動作，通過手機陀螺儀檢測來判斷學(xué)生是否有執(zhí)行練習(xí)，完成練習(xí)后學(xué)生的虛擬角色會獲得一定經(jīng)驗。學(xué)生之間可以通過小游戲發(fā)起“切磋”，小游戲會根據(jù)學(xué)生的作業(yè)平均成績和經(jīng)驗值隨機生成一段虛擬角色的戰(zhàn)斗畫面，以此鼓勵學(xué)生相互交流提升學(xué)習(xí)興趣。

5 教師端功能設(shè)計

教師端為電腦應(yīng)用形式，考慮到各高校都已經(jīng)使用了某款在線教學(xué)工具，所以，本系統(tǒng)并沒有添加在線教學(xué)功能。教師端主要包含以下5個功能。（1）動作學(xué)習(xí)：和學(xué)生端的動作學(xué)習(xí)功能一致，教師也可以隨時查看動作文件對學(xué)生進行動作講解。如果要進行線上教學(xué)只需要開啟軟件使用學(xué)校注冊的在線教學(xué)工具分享屏幕即可。（2）班級管理：教師根據(jù)自己所教授的課程情況開設(shè)班級，每個班級都會由后臺生成一個唯一的班級號。教師想發(fā)布信息或作業(yè)都需要選擇班級來進行。（3）任務(wù)發(fā)布：任務(wù)發(fā)布功能用于提供給教師發(fā)布作業(yè)任務(wù)或自主練習(xí)任務(wù)。對應(yīng)班級的學(xué)生都會收到發(fā)布的任務(wù)信息。（4）作業(yè)評審：教師收到學(xué)生上傳的作業(yè)錄像后應(yīng)通過此功能對學(xué)生進行語音點評，語音點評會和作業(yè)視頻一起反饋給上傳的學(xué)生。（5）賽場模擬：該功能需要配備VR眼睛和耳機來使用，軟件會模擬賽場的視覺環(huán)境和聲音環(huán)境，還原高度現(xiàn)實的賽場試聽效果，讓學(xué)生實際體驗進入賽場的心理變化，再通過教師的指導(dǎo)逐步學(xué)會控制這種心理變化。由于穿戴VR設(shè)備的時候使用者自身無法觀察周邊情況有一定危險性，必須有教師在場看護，所以并沒有在學(xué)生端開放這一功能。

6 結(jié)語

本教學(xué)系統(tǒng)包含了虛擬仿真動作演示、任務(wù)發(fā)布、視頻作業(yè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，相比傳統(tǒng)的教學(xué)視頻可以更直觀、細致的將武術(shù)動作展示給觀看者，更系統(tǒng)更全面地將學(xué)生的問題反饋給教師。該系統(tǒng)既可以作為線下課程的課后輔導(dǎo)工具，讓學(xué)生能更直觀更準確地復(fù)習(xí)武術(shù)動作，同時又可以作為線上課程的教學(xué)工具，保障線上課程的教學(xué)效果。系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)可以針對專業(yè)運動員個性化訓(xùn)練進行設(shè)計，專業(yè)運動員訓(xùn)練時利用動作捕捉設(shè)備將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，在虛擬仿真場景中和規(guī)范動作進行對比分析，精確指出運動員的動作有哪些地方?jīng)]有達標，從而制定個性化訓(xùn)練方案，采集的數(shù)據(jù)也能為其他研究提供基礎(chǔ)。