高校壘球虛擬實(shí)踐教學(xué)課程研究

韓旭

(長春理工大學(xué)軍體部 吉林長春 130000)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字模擬環(huán)境，使用戶借助相關(guān)設(shè)備就可以與數(shù)字模擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境般的感受與體驗(yàn)［1］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵是模擬真實(shí)世界或虛構(gòu)環(huán)境，并讓用戶能夠與之交互。通過感知技術(shù)、3D建模和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)手段，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以在用戶的視野內(nèi)呈現(xiàn)三維圖像和場景，并對用戶的動(dòng)作和行為作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，以達(dá)到身臨其境之感。

虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括娛樂、教育、醫(yī)療、建筑、軍事和培訓(xùn)等。教育領(lǐng)域可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)來創(chuàng)建逼真的教學(xué)場景，使學(xué)生更加生動(dòng)地學(xué)習(xí)?！疤摂M現(xiàn)實(shí)+教育”是教育現(xiàn)代化改革的積極嘗試，最早出現(xiàn)于物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂中，使學(xué)生對于知識的理解更直觀、高效，同時(shí)杜絕了實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在的安全隱患，大幅度提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)效果［2］。

1 棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)研究價(jià)值

《關(guān)于深化體教融合促進(jìn)青少年健康發(fā)展的意見》指出，應(yīng)進(jìn)一步深化體育教學(xué)改革，構(gòu)建科學(xué)、有效的體育與健康課程教學(xué)新模式，幫助學(xué)生掌握1～2 項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能。由此，“教會、勤練、常賽”就成為了當(dāng)前體育教學(xué)的新目標(biāo)［3］。

棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)研究具有以下價(jià)值。

（1）提供全方位的學(xué)習(xí)體驗(yàn)：虛擬實(shí)踐教學(xué)可以通過模擬真實(shí)情境，為學(xué)生提供全方位的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境感受到真實(shí)比賽的緊張氛圍，從而更好地理解和應(yīng)對實(shí)際比賽中的各種情況。

（2）降低學(xué)習(xí)門檻：棒壘球是一項(xiàng)需要較高的技術(shù)要求和身體素質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。通過虛擬實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可以在沒有實(shí)際比賽場地和器材的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)，降低了學(xué)習(xí)門檻。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多次實(shí)踐，熟悉技術(shù)動(dòng)作和比賽規(guī)則，提高學(xué)習(xí)效果。

（3）個(gè)性化學(xué)習(xí)和反饋：虛擬實(shí)踐教學(xué)可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)和反饋。系統(tǒng)可以記錄學(xué)生的表現(xiàn)，并根據(jù)學(xué)生的水平和需求提供相應(yīng)的指導(dǎo)和建議。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和效果。

（4）促進(jìn)認(rèn)知和技能發(fā)展：通過虛擬實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可以更加直觀地理解和體驗(yàn)棒壘球運(yùn)動(dòng)的規(guī)則、技術(shù)動(dòng)作和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。他們可以通過模擬練習(xí)來提升擊球技巧、跑壘速度、守壘反應(yīng)等能力，促進(jìn)認(rèn)知和技能的發(fā)展。

（5）促進(jìn)協(xié)作和交流：虛擬實(shí)踐教學(xué)可以通過多人在線模式促進(jìn)學(xué)生之間的協(xié)作和交流。學(xué)生可以組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行比賽和訓(xùn)練，在虛擬環(huán)境中共同解決問題和制定策略。這不僅可以提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，還可以增強(qiáng)他們的溝通和交流能力。

（6）節(jié)約成本和資源：傳統(tǒng)的棒壘球課程需要專門的場地和器材，成本較高，而虛擬實(shí)踐教學(xué)可以通過計(jì)算機(jī)模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，減少了對實(shí)際場地和器材的需求，節(jié)約了成本和資源。

由此該研究以高校棒壘球課為改革試點(diǎn)，構(gòu)建高校棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式。借助新技術(shù)解決傳統(tǒng)體育教學(xué)中的老問題，進(jìn)一步突破傳統(tǒng)體育教學(xué)的困境，深化體育教學(xué)信息化改革。

2 傳統(tǒng)棒壘球課程教學(xué)存在的主要問題

棒壘球是一項(xiàng)集健身、益智、禮儀、競技于一體的大型集體項(xiàng)目。有“綠茵場上的國際象棋”之稱，是最鍛煉頭腦的健身運(yùn)動(dòng)，所以棒壘球項(xiàng)目對學(xué)生身心健康發(fā)展的促進(jìn)作用是其他項(xiàng)目不可比擬的。但由于棒壘球運(yùn)動(dòng)技術(shù)難度大，規(guī)則復(fù)雜，同時(shí)伴隨課時(shí)少、課程緊、場地缺乏等外部因素制約，因此，棒壘球課程的育人優(yōu)勢不能充分發(fā)揮出來。

傳統(tǒng)教學(xué)通常采用集體授課的方式，忽視了學(xué)生的個(gè)體差異和不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格。每個(gè)學(xué)生的能力、興趣和學(xué)習(xí)節(jié)奏都不同，但傳統(tǒng)教學(xué)難以滿足個(gè)性化需求，導(dǎo)致一些學(xué)生無法充分發(fā)揮潛力或無法跟上課程進(jìn)度。傳統(tǒng)課程往往過于強(qiáng)調(diào)技術(shù)的教學(xué)，如揮棒、投球等基本技能的訓(xùn)練，而忽視了戰(zhàn)術(shù)意識和團(tuán)隊(duì)合作的培養(yǎng)。棒壘球是一項(xiàng)需要團(tuán)隊(duì)配合和戰(zhàn)術(shù)策略的運(yùn)動(dòng)，僅僅掌握技術(shù)而缺乏戰(zhàn)術(shù)意識會限制學(xué)生的整體發(fā)展。這種教學(xué)模式通常只注重特定技術(shù)的練習(xí)，如投球、接球等，而缺乏綜合性訓(xùn)練的機(jī)會。棒壘球運(yùn)動(dòng)需要學(xué)生在比賽中綜合運(yùn)用各項(xiàng)技能，而僅僅在單一技能上進(jìn)行訓(xùn)練無法幫助學(xué)生提升綜合能力。

同時(shí)，學(xué)生在課堂上進(jìn)行棒壘球技術(shù)訓(xùn)練和比賽，但往往缺乏及時(shí)準(zhǔn)確的反饋和評估機(jī)制。學(xué)生可能無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤和改進(jìn)方向，難以提高技術(shù)水平，教師也難以對每個(gè)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行全面評估。棒壘球需要專門的比賽場地和器材，包括棒球場、球棒、球等。然而，很多學(xué)?；驒C(jī)構(gòu)在條件有限的情況下，難以提供合適的場地和器材，限制了學(xué)生的實(shí)際訓(xùn)練和比賽機(jī)會。傳統(tǒng)課程往往沒有充分利用現(xiàn)代科技手段來輔助教學(xué)。例如，使用視頻分析技術(shù)可以幫助學(xué)生更好地理解和改進(jìn)自己的動(dòng)作技術(shù)，但傳統(tǒng)教學(xué)模式中很少使用這樣的科技工具。

該文結(jié)合棒壘球教學(xué)實(shí)際與動(dòng)作技能形成的4 個(gè)階段（認(rèn)知階段、分解階段、聯(lián)系定位階段、自動(dòng)化階段），闡述棒壘球教學(xué)中存在的問題。

2.1 認(rèn)知階段

棒壘球被稱為最難掌握的球類項(xiàng)目，原因在于運(yùn)動(dòng)員需要在0.4s 內(nèi)，準(zhǔn)確判斷球飛來的方向和旋轉(zhuǎn)的角度，并還要精確擊中，同時(shí)控制它飛出的方向。在初學(xué)階段，學(xué)生對棒壘球的規(guī)則、技巧和戰(zhàn)術(shù)了解較少。初學(xué)者通常需要學(xué)習(xí)基本的擊球、投球和接球技巧，以及跑壘和防守策略。他們可能需要花時(shí)間適應(yīng)比賽的速度和規(guī)則，并逐漸熟悉團(tuán)隊(duì)合作的重要性。由于動(dòng)作過于短暫快速，學(xué)生無法通過肉眼獲取對動(dòng)作成分、動(dòng)作順序及動(dòng)作執(zhí)行方式的認(rèn)知，需要教師進(jìn)行講解，幫助學(xué)生形成認(rèn)知，但是肌肉的發(fā)力順序、角度、速度、動(dòng)作起止時(shí)機(jī)的把握，這些知識是很抽象的，難以用語言準(zhǔn)確描述，并且語言傳遞信息的過程也會產(chǎn)生許多干擾與損耗，使學(xué)生無法完全領(lǐng)會教師意圖，影響教學(xué)進(jìn)程。

2.2 分解階段

在分解階段的教學(xué)中，教師會將復(fù)雜的動(dòng)作進(jìn)行拆分，變?yōu)楦渍莆盏恼T導(dǎo)練習(xí)，幫助學(xué)生理解動(dòng)作。此階段學(xué)生知覺準(zhǔn)確性較低，無法發(fā)現(xiàn)自身動(dòng)作的缺點(diǎn)及錯(cuò)誤，且動(dòng)作的掌握需要量的積累，從而要求教師必須多次逐個(gè)觀察與指導(dǎo)，但受制于學(xué)生人數(shù)較多和有限的課時(shí)，這一要求是無法滿足的［3-4］。

2.3 自動(dòng)化階段

學(xué)生在自動(dòng)化階段的表現(xiàn)是對技能的執(zhí)行越來越自動(dòng)化，操作流暢、準(zhǔn)確且穩(wěn)定。但是，達(dá)到教學(xué)自動(dòng)化階段的學(xué)生比例相對較低。傳統(tǒng)教學(xué)往往更側(cè)重于普及性的技能學(xué)習(xí)，而非精英化的提高訓(xùn)練。缺乏差異化培養(yǎng)預(yù)案，無法滿足高層次學(xué)習(xí)訴求，阻礙了學(xué)生體育能力進(jìn)一步發(fā)展，也流失了最有潛力將體育鍛煉終身化的群體［5］。

3 研究對象與方法

3.1 研究對象

該研究以構(gòu)建棒壘球虛擬實(shí)踐教學(xué)模式為研究對象，并對其教學(xué)效果進(jìn)行探究，這種模式旨在利用動(dòng)作捕捉技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)場景的棒壘球?qū)嵺`體驗(yàn)，以提高學(xué)習(xí)效果和效率。

3.2 研究方法

3.2.1 研究目標(biāo)確定

該研究探索如何利用動(dòng)作捕捉技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)棒壘球教學(xué)效果和效率。

3.2.2 文獻(xiàn)資料法

為了全面了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對該項(xiàng)目的研究內(nèi)容，分別從中外文數(shù)據(jù)庫等平臺查閱檢索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、動(dòng)作捕捉技術(shù)、棒壘球教學(xué)、體育教學(xué)等關(guān)鍵詞，通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料的整理和歸納，閱讀與動(dòng)作捕捉技術(shù)、虛擬實(shí)踐教學(xué)和棒壘球教學(xué)相關(guān)的學(xué)術(shù)論文、期刊和會議記錄，了解當(dāng)前領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)和方法。并且認(rèn)真總結(jié)分析，為該項(xiàng)目研究提供科學(xué)參考和理論依據(jù)，探討動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育教育領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用情況。

3.2.3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)法

設(shè)計(jì)基于虛擬實(shí)踐教學(xué)的棒壘球課程內(nèi)容。學(xué)生通過本校體育課程選課系統(tǒng)自主選課，形成兩個(gè)平行班級，教師將兩班級分為采用棒壘球虛擬實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)組和采用傳統(tǒng)棒壘球教學(xué)模式的對照組。按照棒壘球課程教學(xué)大綱要求，由同一名教師進(jìn)行教學(xué)，并在教學(xué)實(shí)驗(yàn)后對學(xué)生的打擊技術(shù)動(dòng)作規(guī)范程度、擊球命中率與傳球技術(shù)的動(dòng)作規(guī)范程度及準(zhǔn)確性進(jìn)行測試，以驗(yàn)證教學(xué)效果。

3.3.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，針對實(shí)驗(yàn)最終的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行梳理總結(jié)，運(yùn)用Excel 軟件形成報(bào)表，然后對所收集的信息運(yùn)用Matlab 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供客觀支持。通過抽樣技術(shù)來獲取樣本數(shù)據(jù)，并利用最終的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行總體特征的推斷。抽樣理論研究如何從總體中選擇合適的樣本，以及如何通過樣本對總體進(jìn)行推斷。采用回歸分析對最終擊球的命中率進(jìn)行分析，它是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一種方法，用于建立變量之間的關(guān)系模型。通過擬合回歸方程來描述自變量和因變量之間的關(guān)系，并進(jìn)行預(yù)測和解釋。

3.3.5 教學(xué)評估與效果分析法

實(shí)驗(yàn)過程中，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果，確保教學(xué)評估的焦點(diǎn)和方向。通過實(shí)驗(yàn)和評估方法，評估虛擬實(shí)踐教學(xué)課程的效果和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果。比較虛擬實(shí)踐教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方法的差異，并分析虛擬實(shí)踐教學(xué)對學(xué)習(xí)者技能和認(rèn)知能力的影響。對實(shí)驗(yàn)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，以獲得對教學(xué)效果的客觀評估?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，評估教學(xué)效果。判斷教學(xué)是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，包括學(xué)生的知識掌握程度、技能發(fā)展等。教師可以根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行教學(xué)反思和改進(jìn)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

4 高校棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建

虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1 所示。Azure Kinect DK 用于捕捉和識別學(xué)生的動(dòng)作，圖像工作站主要用于運(yùn)行虛擬實(shí)踐教學(xué)軟件，顯示器用于為學(xué)生提供各種動(dòng)作的分析結(jié)果等。軟件系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)知識與基本技術(shù)兩個(gè)功能模塊，三維模型使用3D Studio Max 創(chuàng)建，開發(fā)工具為Unity 3D 和C#語言。

圖1 硬件系統(tǒng)和軟件界面

4.1 基礎(chǔ)知識模塊

基礎(chǔ)知識模塊主要包括棒壘球項(xiàng)目的場地與所用器材介紹、基本玩法、禮儀要求、裁判規(guī)則等4個(gè)方面。模塊中搭建了高真實(shí)感的棒壘球場地（見圖2）、球棒和各類軟球等，學(xué)生可以通過漫游、視角切換、鼠標(biāo)的交互、虛實(shí)對話等方法學(xué)習(xí)棒壘球項(xiàng)目的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)習(xí)的趣味性和沉浸感，明晰球場組成、攻防球員位置和相關(guān)注意事項(xiàng)，強(qiáng)化對棒壘球基礎(chǔ)知識的認(rèn)知。

圖2 棒壘球場地

4.2 基本技術(shù)模塊

基本技術(shù)模塊包含傳球、接球等進(jìn)攻動(dòng)作與打擊、跑壘等防守技術(shù)。模塊使用圖像處理技術(shù)與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作視頻，構(gòu)建了各類動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)庫。使用Azure Kinect DK 和動(dòng)作捕捉技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉并識別學(xué)生的各類動(dòng)作，并與虛擬人物進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)作綁定，如圖3 所示。動(dòng)作分析模型將學(xué)生的動(dòng)作進(jìn)行分解并與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行對比分析，動(dòng)作回放功能則逐幀顯示學(xué)生的動(dòng)作分析結(jié)果。該模塊通過上述功能不僅可以對學(xué)生的動(dòng)作進(jìn)行捕捉分析，并給予可視化的引導(dǎo)和姿態(tài)糾正，而且能夠?qū)⒊橄蟮闹R直觀化呈現(xiàn)，更有利于學(xué)生對復(fù)雜技術(shù)動(dòng)作理解與掌握，同時(shí)系統(tǒng)對于學(xué)生動(dòng)作的評判與糾正具有針對性，從此也實(shí)現(xiàn)了因材施教的個(gè)性化學(xué)習(xí)［6-7］。

圖3 練習(xí)者與虛擬人物的動(dòng)作綁定

5 棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式教學(xué)效果分析

向固定點(diǎn)傳球測試結(jié)果如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)組傳球的準(zhǔn)確性高于對照組。由此證明，規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作可提高傳球準(zhǔn)確性，但傳球速度受個(gè)體力量及爆發(fā)力水平影響較大，所以兩組數(shù)據(jù)較為接近。

圖4 固定點(diǎn)傳球測試結(jié)果

擊球測試中，實(shí)驗(yàn)組擊球命中率更高（見表1），這是由于技術(shù)動(dòng)作相對固定，能夠形成穩(wěn)定的擊球節(jié)奏和球棒運(yùn)動(dòng)軌跡。

表1 T座擊球命中率統(tǒng)計(jì)

由表2可知，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生擊球技術(shù)、傳球技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)程度評分均高于對照組的學(xué)生，說明基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)相較于傳統(tǒng)棒壘球課堂教學(xué)更有助于提升學(xué)生技術(shù)動(dòng)作的規(guī)范性。

表2 技術(shù)動(dòng)作得分表（）

表2 技術(shù)動(dòng)作得分表（）

注：**代表P＜0.01，說明兩組間具有非常顯著性差異。

6 結(jié)論

棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式對提升打擊技術(shù)和傳球技術(shù)動(dòng)作規(guī)范性均有顯著作用，教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式組。

對于棒壘球進(jìn)攻和防守關(guān)鍵技術(shù)的打擊和傳球技術(shù)的掌握，實(shí)驗(yàn)組優(yōu)于對照組，表現(xiàn)為更高的擊球命中率和傳球準(zhǔn)確率。

7 結(jié)語

棒壘球課程虛擬實(shí)踐教學(xué)模式，使用虛擬現(xiàn)實(shí)和動(dòng)作捕捉技術(shù)輔助高校棒壘球教學(xué)，可使抽象知識具象化、動(dòng)作分析精確化、姿態(tài)糾正直觀化，不僅能有效節(jié)約訓(xùn)練成本，降低運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能提升教學(xué)效率。