虛擬仿真實驗應(yīng)用在高校體育專業(yè)游泳教學中的必要性分析

中圖分類號：G861DOI：10.16655/j.cnki.2095-2813.2211-1579-5871基金項目：安徽省教育廳（gxgnfx2018038）；安徽省教育廳（2021xsxxkc288）。作者簡介：陳毅清（1977—），男，碩士研究生，副高級-副教授。

基金項目：2018年度高校優(yōu)秀青年骨干人才國內(nèi)訪學研修項目（gxgnfx2018038）；2021年度安徽省省級質(zhì)量工程項目（2021xsxxkc288）。＼

作者簡介：陳毅清，1977年，男，漢族，碩士，副教授；研究方向：體育人文、體育教學

摘要：采用文獻資料、問卷調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計等方法，簡要介紹了游泳虛擬仿真實驗的實驗原理、實驗方法、考核方法和實驗特色，分析了學生對游泳虛擬仿真實驗的認知需求狀況以及建設(shè)游泳虛擬仿真實驗平臺的現(xiàn)實窘境。最后得出結(jié)論：將虛擬仿真實驗應(yīng)用到高校游泳教學中，對學生更好地理解游泳技術(shù)、掌握游泳教法、提高游泳技能、普及游泳運動、做到拯溺救難具有重大的實踐意義，因此非常有必要，但也面臨著現(xiàn)實窘境。

關(guān)鍵詞：游泳"虛擬仿真 高校 必要性

Discussion on the Necessity of Virtual Simulation Experiment Application in Swimming Teaching of Physical Education Major in Universities

——Taking"Huangshan University as an example

CHEN Yiqing

（School of Physical Education，"Huangshan University，"Huangshan"245041，China）

Abstract：By means of literature， questionnaire， mathematical statistics and other methods， this paper briefly introduces the experimental principle， experimental methods， examination methods and experimental characteristics of virtual swimming simulation experiment， analyzes the cognitive needs of students for virtual swimming simulation experiment and the realistic dilemma of building a virtual swimming simulation experiment platform. Finally， the conclusion is drawn that the application of virtual simulation experiment to swimming teaching in colleges and universities is of great practical significance for students to better understand swimming technology， master swimming teaching methods， improve swimming skills， popularize swimming， and save drowning"and distress. Therefore， it is very necessary， but it is also facing a real dilemma.

Key words：Swimming""Virtual Simulation""Universities""Necessity

新冠疫情的出現(xiàn)推動了網(wǎng)絡(luò)課程的發(fā)展；而VR、AR、MR等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字化信息教學模式開辟了“虛擬教學”的新領(lǐng)域。運用虛擬化實驗教學，可以把原來必須在水環(huán)境中進行的游泳教學搬入虛擬泳池，從而在改善教學效果的同時，最大限度地克服接觸距離和教學環(huán)境的影響。

1 游泳虛擬仿真實驗簡介

1.1實驗原理

采用計算機數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建游泳教學虛擬現(xiàn)實模型，其中包括人、游泳技術(shù)動作、環(huán)境等增強虛擬效果的實現(xiàn)，強大的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能讓學生在無水幻境中體驗身臨“水”境的感覺，并伴隨較強的娛樂性與運動感；虛擬模型采用3DMax及Unity3D系統(tǒng)，通過3DMax渲染和Unity3D ShaderLab著色器對水、水面波紋、游泳池地磚、人體等虛擬環(huán)境做進一步的渲染制作，從而營造出更加炫酷、逼真的虛擬仿真效果。^[1]

該試驗項目的開放運行依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐，二者通過數(shù)據(jù)口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地的通過瀏覽器訪問該項目，盡可能幫助用戶實現(xiàn)自主實驗，加強實驗項目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。開放式虛擬仿真實驗管理平臺以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺的總體架構(gòu)包含四個層面和一個數(shù)據(jù)中心，分別是應(yīng)用層、仿真層、服務(wù)層、支持層和包含了用戶信息、課程庫、實驗數(shù)據(jù)、規(guī)則庫、標準答案庫的數(shù)據(jù)中心。應(yīng)用層中，學生需要閱讀實驗要求，查看試驗資料，進行試驗，提交實驗報告；仿真層中包含了虛擬泳池、游泳技術(shù)動作建模、分配器等；服務(wù)層包含了試驗教務(wù)管理、試驗教學管理、理論知識學習、試驗資源管理、試驗智能指導(dǎo)、試驗自動批改、師生互動交流等功能；支持層包含安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、域管理等環(huán)節(jié)。具體架構(gòu)圖如圖1。

1.2 實驗方法

學生通過多角度觀察三維動畫以及流體力學圖示，傾聽結(jié)合力運動力學及流體力學的技術(shù)動作講解，加上教師或者同學的協(xié)助，從視覺、聽覺、觸覺上加深對動作技術(shù)的理解及肌肉的記憶，使動作趨于穩(wěn)固。學生交互性操作步驟如下：

（1）觀看視頻：游泳虛實交互操作中包含了游泳技術(shù)動作3D視頻，學生通過觀看視頻教程，了解本節(jié)課相關(guān)任務(wù)，熟練掌握相關(guān)要領(lǐng)；

（2）虛擬模擬：學生在虛擬仿真平臺（移動端或者PC端）中按照第一步所學的技術(shù)要領(lǐng)實際操作，并根據(jù)反饋不斷修正；

（3）真實體驗：學生運用在虛擬環(huán)境中學習的相關(guān)動作在陸上實際模仿；

（4）學生在虛擬仿真平臺的“評價”欄中留言，提出建議及改進方法，教師反思設(shè)計的優(yōu)點和不足，并改進。

1.3 考核方法

學生根據(jù)設(shè)定的考試目標和要求，通過鼠標和鍵盤在虛擬仿真實驗教學平臺的考試模塊進行操作，提交實驗報告。步驟如下：

（1）個人身份登錄：學生以個人身份注冊登錄虛擬仿真實驗教學平臺；

（2）進行實驗操作：設(shè)置登錄留痕、時間記錄、操作環(huán)節(jié)、和反復(fù)操作步驟等的得分點，實行全過程在線學習考核和評價，遺漏某一環(huán)節(jié)則無法進入下一個實驗環(huán)節(jié)，有效開展過程評價。

（3）實驗報告評價：提交實驗報告，實行與全過程在線學習關(guān)聯(lián)的賦分體系，包括知識維度、技能操作維度和技能獲得維度，自動評分和反饋。

1.4 實驗特色

本項目實驗教學對接技能掌握，具有“線上線下融合、課內(nèi)課外連接、虛擬現(xiàn)實互補”的項目特色。在現(xiàn)行實際的高校游泳教學中，基本都是直接進入游泳場館進行教學，缺少了運動力學、流體力學等相關(guān)理論的傳授，這對于已經(jīng)有了相當抽象理解能力的高校學生來講，無疑是一個缺憾，不利于游泳技術(shù)的深度理解和游泳技能的更好掌握。^[2]通過實缺虛補，寧實不虛，以實為主，虛實結(jié)合的開發(fā)思路，形成有利于體育專業(yè)人才培養(yǎng)的虛擬仿真實驗教學體系。

2 學生對游泳虛擬仿真實驗的認知及需求狀況

學生對游泳虛擬仿真實驗的認知及需求狀況是實施該項目的必要環(huán)節(jié)。結(jié)合前人相關(guān)研究成果^[3][4][5][6]及本研究實際需要，從當前游泳教學存在的問題、學生對游泳虛擬仿真實驗的了解程度、學生對游泳虛擬仿真實驗的參與意愿及需求狀況等四個方面設(shè)計問卷，并進行調(diào)查。

將“游泳教學虛擬仿真實驗問卷”（ID：188676380）創(chuàng)建到微信“問卷星”小程序當中，并將其鏈接發(fā)放到黃山學院體育學院休閑體育專業(yè)和社會體育專業(yè)班級微信群中，委托輔導(dǎo)員老師及班委監(jiān)管督促填寫，最后回收問卷286份，其中有效問卷286份，有效回收率為100%。信度分析用于測量樣本回答結(jié)果是否可靠，即樣本有沒有真實作答量表類題項。常用的測量方法是在不同的時間對同一批被調(diào)查者實施重復(fù)調(diào)查，測量兩次調(diào)查結(jié)果是否具有一致性。向25名被調(diào)查者先后兩次發(fā)放問卷，中間間隔15天，回收后整理數(shù)據(jù)，運算得出兩次調(diào)查結(jié)果的相關(guān)系數(shù)r=0.983，t=7.653，plt;0.01，說明問卷題項清晰，評價結(jié)果可行。本文所指的效度是指內(nèi)容效度，即所測量到的結(jié)果反映所想要考察內(nèi)容的程度，采用專家測量法，尋找了5位副高職稱以上的專家進行評價，5位專家均認為問卷具有較高的效度。

2.1 學生對當前游泳教學存在問題的認識

地球上大約有四分之三的面積被水域覆蓋，即使在內(nèi)陸環(huán)境，當遭遇洪水泛濫時，難免也要面對水災(zāi)的危險，所以會游泳是保證生存的重要條件之一；游泳可以改善體質(zhì)水平，增進心理健康，是最受歡迎的健身項目之一；另外高校學生通過游泳教學，參加救生員以及游泳社會體育指導(dǎo)員考試考取證書，并在暑期從事少兒游泳培訓，已經(jīng)成為很多體育專業(yè)學生勤工儉學的重要渠道。因此，開設(shè)開足游泳課程，組織創(chuàng)新游泳教學，對學生更好地理解游泳技術(shù)、掌握游泳教法、提高游泳技能、普及游泳運動、做到拯溺救難都具有重大的實踐意義。

高校游泳教學存在的問題大致可以從教學場館、教學內(nèi)容、教學組織、教學方法等4個方面去分析，具體涉及“本校沒有自己的游泳場館、所用的游泳場館距離學校太遠、教學組織混亂、教學方法沒有創(chuàng)新、教學內(nèi)容中缺乏流體力學等理論知識、課時開設(shè)不足、其他”7個方面。從286份問卷中按照條件“已經(jīng)上過游泳課”進行篩選，共篩選出86份問卷，問卷結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示，共有93.02%的學生選擇“本校沒有自己的游泳場館”；68.6%的學生選擇“所用的游泳場館距離學校太遠”；25.58%的學生選擇“課時開設(shè)不足”；13.95%的學生選擇“教學組織混亂”；11.63%的學生選擇“教學內(nèi)容中缺乏流體力學等理論知識”；另外也有5.81%的學生選擇“教學方法傳統(tǒng)、沒有創(chuàng)新”。游泳場館建設(shè)和維護耗資較大，游泳運動也被列為高危項目，加上很多高校領(lǐng)導(dǎo)對游泳運動的價值認識不足，因此在安徽省，不僅是黃山學院存在游泳教學場館資源缺乏的問題，在所有開設(shè)游泳課的設(shè)有體育專業(yè)的院校中，幾乎都是租用其他單位的游泳場館。游泳運動所具備的功能和價值要求現(xiàn)代游泳教學必須要構(gòu)建起全面系統(tǒng)的教學體系，從而提高學生的游泳綜合素養(yǎng)，這就要求游泳課程教學不僅要使學生“會游”，更要讓學生“懂游”、“會教”，要從人的生理機制和流體力學的角度讓學生理解游泳之理論、掌握游泳之技能、學會游泳之教法。

2.2 學生對游泳虛擬仿真實驗的了解程度及參與意愿

信息技術(shù)的快速發(fā)展和國家教育部門的大力支持使得虛擬仿真實驗在教育教學領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，課程涉及農(nóng)業(yè)工程、航空航天、基礎(chǔ)醫(yī)學、兵器、中醫(yī)、建筑、動物、植物、化學、電器等等，體育類課程也不例外，位列其中。如2019年上線的陜西師范大學創(chuàng)建的“下肢力量訓練設(shè)計與運動生物學監(jiān)控虛擬仿真實驗教學項目”、北京體育大學創(chuàng)建的“冰雪運動防護虛擬仿真實驗”、上海體育學院創(chuàng)建的“馬拉松比賽科學補液虛擬仿真實驗”、江西師范大學創(chuàng)建的“賽艇運動員專項機能測評虛擬仿真實驗項目”等，在近兩年的上線時間內(nèi)，大部分實驗人次均達到了1萬次以上，個別項目實驗人次達到了近5萬次，取得了相當不錯的應(yīng)用效果。將虛擬仿真實驗應(yīng)用到高校游泳教學中，可以使游泳教學在一定程度上擺脫游泳場館資源匱乏的窘境，可以有效解決傳統(tǒng)游泳教學中存在肢體錯誤動作無法比對自知等問題，可以準確多角度地理解游泳技術(shù)諸多細節(jié)，可以改變學生被動聽講的消極性，從而優(yōu)化游泳教學效果，實現(xiàn)游泳教學創(chuàng)新。

學生是游泳虛擬仿真實驗的參與主體，了解他們對游泳虛擬仿真實驗的參與意愿是實施該項目的關(guān)鍵。如表1所示，在“對虛擬仿真實驗的了解”程度上，38.46%的學生選擇了“沒聽說過”，52.8%的學生選擇了“聽說過但不了解”，僅有8.74%的學生選擇了“了解”；在對“對游泳虛擬仿真實驗的了解”程度上，45.45%的學生選擇了“沒聽說過”，48.95%的學生選擇了“聽說過但不了解”，僅有5.59%的學生選擇了“了解”?？梢姡^大部分學生并不了解甚至沒有聽說過游泳虛擬仿真實驗。但在對參與意愿的調(diào)查中顯示，84.27%的學生選擇了“有興趣”參與，說明雖然絕大部分學生對游泳虛擬仿真實驗知之甚少，但卻表現(xiàn)出了足夠的興趣去嘗試，這對該實驗項目的開展奠定了堅實的現(xiàn)實基礎(chǔ)。

2.3 學生希望通過游泳虛擬仿真實驗獲取專項知識的情況

水是一種無形、流動的介質(zhì)媒體，它的密度比空氣大800多倍，人在水中游進時推動的是水，同時也必須承受著水帶來的巨大阻力；對于競技游泳來說，運動員要想取得好成績，就必須充分了解身體的肌肉框架和游泳動力學之間的關(guān)系，^[7]因此要想理解游泳之理論、掌握游泳之技能、學會游泳之教法練法，必須涉獵多種學科。游泳虛擬仿真實驗可以利用文字、圖片、音頻、視頻和虛擬交互等方式幫助學生理解各類原理，從而實現(xiàn)微觀機理可視化、多門課程綜合化以及理論應(yīng)用一體化。在“希望游泳虛擬仿真實驗教學能涉及哪些知識”方面的調(diào)查結(jié)果如圖3所示。選擇流體力學知識的有189人，占66.08%；選擇運動生理知識的有183人，占63.99%；選擇生物力學知識的有143人，占50%；選擇游泳技術(shù)分析診斷的有231人，占80.77%；選擇游泳運動概述的有207人，占72.38%?？梢妼W生在這方面的需求并沒有大的差距，說明學生希望從游泳虛擬仿真實驗獲取的專項知識呈多元化需求。

3 建設(shè)游泳虛擬仿真實驗平臺的現(xiàn)實窘境

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，安徽省教育廳近幾年也將虛擬仿真實驗課程的建設(shè)納入到年度質(zhì)量工程建設(shè)中，支持各高校積極探索線上線下教學相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。游泳課程作為我校休閑體育和社會體育指導(dǎo)與管理專業(yè)的主干課程，歷來受到廣大學生的歡迎，授課教師也積極申報了游泳虛擬仿真實驗教學課程，但受經(jīng)費及限項等原因，未能申報成功。據(jù)了解，學校對虛擬仿真實驗教學課程的支持經(jīng)費僅為4萬元，而僅開發(fā)一項虛擬仿真實驗教學軟件就需要數(shù)十萬元，可見經(jīng)費的匱乏是導(dǎo)致建設(shè)游泳虛擬仿真實驗教學管理平臺的最大羈絆。

4 結(jié)論

缺乏游泳場館一直是大部分普通高校開展游泳教學以及推廣游泳運動面臨的現(xiàn)實問題；雖然絕大部分學生對游泳虛擬仿真實驗知之甚少，但卻表現(xiàn)出了足夠的興趣去嘗試，這對該實驗項目的開展奠定了堅實的現(xiàn)實基礎(chǔ)；學生希望從游泳虛擬仿真實驗獲取的專項知識呈多元化特點；經(jīng)費的匱乏是建設(shè)游泳虛擬仿真實驗教學管理平臺的最大羈絆。綜上所述，作為輔助游泳教學的重要手段，將虛擬仿真實驗應(yīng)用到高校游泳教學中，對學生更好地理解游泳技術(shù)、掌握游泳教法、提高游泳技能、普及游泳運動、做到拯溺救難具有重大的實踐意義，因此非常有必要，但也面臨著現(xiàn)實窘境。

參考文獻：

[1]茅潔.增強現(xiàn)實技術(shù)在游泳教學中的應(yīng)用研究[J].武漢體育學院學報，2018，52（5）：67-72.

[2]“翻轉(zhuǎn)課堂+視頻反饋”在體育院校游泳普修課中的應(yīng)用研究[D].廣州體育學院，2022.

[3]張操.高校游泳課程增強現(xiàn)實交互設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢體育學院，2018.

[4]線上線下混合式教學模在體育院校游泳選修課的應(yīng)用研究[D].南京體育學院，2022.

[5]李沛.體育虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)與應(yīng)用研究[D].南京體育學院，2020.

[6]龔成斌等.虛擬仿真實驗教學的需求現(xiàn)狀[J].西南師范大學學學報，2019，44（11）：155-160.

[7]伊恩·麥克勞德.游泳運動系統(tǒng)訓練[M].北京：人民郵電出版社，2016：6.