基于虚拟仿真技术探讨运动人体科学实验教学改革的初步构想

李　蕾，胡振东，薛　鹏，章笑来，黄　山①（淮北师范大学 体育学院，安徽 淮北 235000）

基于虚拟仿真技术探讨运动人体科学实验教学改革的初步构想

李蕾，胡振东，薛鹏，章笑来，黄山
①
（淮北师范大学 体育学院，安徽 淮北 235000）

全民健身的蓬勃发展要求体育学科培养出一专多能的应用型人才，运动人体科学实验教学是培养应用型人才的重要环节.本文基于虚拟仿真技术对运动人体科学实验教学改革的探讨提出初步构想，旨在更好地把握学科发展动态和走向，为社会输送一专多能的体育类综合人才，顺应时代的发展.

虚拟仿真；运动人体科学；实验教学

随着国家体育事业的发展，全民健身得到蓬勃发展.运动人体科学是适应社会对健康的需求和全民健身计划纲要的实施而形成的运动与医学交叉的新型学科.学科的发展立足于运动与健康的紧密结合，既有自身理论体系，又十分重视实践教学.然而受限于实验传统教学模式对实验器材、场地、经费等的依赖，学生通过实验学习后，其实践和创新能力并不能收到较好效果.因此，本文基于虚拟仿真技术对运动人体科学实验教学改革提出初步构想，旨在为运动人体科学实验教学的改革和创新提供探讨思路.

1　目前运动人体科学实验教学存在的主要问题

实验教学是理论教学的一种延续.就我校“运动人体科学实验中心”来说，经过十多年的发展，现已是省级教学实验示范中心，但在教学实践中仍然存在着诸多问题.1）受实验成本和资源的限制.某些实验设备昂贵、实验试剂盒耗材价格高、实验学生多、经费不能满足该类实验开展.2）受时空限制，如运动的横向和纵向研究，分别受到运动空间和时间的限制.3）受教师资源短缺的限制，目前，缺乏实验专职人员，任课教师一人身兼数门课程的实验教学.因此，运动人体科学实验教学基本是以简单的验证性实验为主，且“运动”的特点突出不够.围绕体育运动的综合性、设计性的实验开展太少，课时不足以支撑此类实验的开展；开放性实验开展流于形式，不能满足广大学生对运动健康领域实验的需求.以上导致实验课仅仅是理论课的重复，其实验教学内容陈旧，不能紧跟时代发展，不能充分满足运动人体科学实践性及应用性强的要求.

2　虚拟仿真及其应用的提出

2012年9月5日，刘延东在全国教育信息化工作电视电话会议上专门针对教育信息化展开说明.她强调教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促进教育公平、提高质量的有效手段，是建设学习型社会的必由之路［1］.可见，积极探索高校实践教学工作改革的重点——虚拟仿真实验教学改革意义重大.虚拟仿真或称虚拟现实，它是一种利用现代高科技电脑技术为核心，虚拟现实环境而产生的融视觉、听觉、触觉于一体的一个特定情景范围，用户在其中通过特定的仪器设备与虚拟环境中的对象互动，互相影响，从而体验到与真实情境相似的感情和体验［2］.虚拟仿真技术在建筑、机械、娱乐、训练、教学、遥控操作及模拟预测等领域已取得较好的效果.虚拟仿真技术的应用，不仅可以节省传统实验教学中产生的耗材等费用，使教学内容丰富多彩，而且可以保证实验教学环境安全、稳定，打破时间和空间的限制，这为在医学及运动人体科学领域的推广起到良好的启发示范作用.

3　虚拟仿真技术应用于医学领域的国内外研究现状

在医学教学各个环节中可能会涉及到一些不方便使用传统挂图或者模型进行授课的情况，如医疗技术操作实践等.利用计算机虚拟仿真技术，进行上述情境的教学模拟，是目前医学教育领域中应用虚拟仿真技术的现状，它是教学仿真的典范［3］.如，虚拟手术、虚拟诊断、虚拟护理、虚拟医疗设备、虚拟病人、虚拟病房等；多维全景人脑图的虚拟教学软件；虚拟灾害环境的护理措施的研究；用于考试和教学的临床病例库，即虚拟临床浏览；虚拟急诊患者情景，很好地锻炼医护人员的应变能力.为了从技术上支持虚拟实验室的建设，相关软件的研发是重要内容之一.目前，Mathworks公司推出的MALLAB语言，美国NI公司研发的LabVIEW图形化编程语言及美国ELANIX公司研发SystemView软件比较具有代表性.国内医学院校中，借助虚拟仿真平台，南京中医药大学取得丰富的教学实践成果.1997年以来，南京中医药大学第一个采用计算机仿真技术和网络技术研究虚拟仿真教学系统并应用于教学实践.他们先后研发出3个实验教学体系，即人体机能学自主学习平台、形态数字化模拟实验室和人体解剖学网络自主考试系统.这3个平台基本覆盖基础医学实验教学涉及到的所有内容，不仅满足提高实验教学的深度和广度的要求，而且帮助学生尽快形成虚拟与真实实践相结合的学习能力［4］.可见，容易取得实质性效果的是医学教育学科.运动人体科学作为医学与体育交叉的边缘学科，很大程度上涵盖预防医学、临床医学、康复医学等医学领域的学科，其培养目标和方式与医学十分相似.虚拟仿真实验教学改革在医学院校的发展，可以说为运动人体科学虚拟仿真实验教学的改革提供了大量可借鉴和可操作的案例.

4　体育系统仿真概念、特点及目前进行的研究工作

体育教师丰富的教学经验，教练员的训练理念，组织管理者的管理机制以及运动员的训练进程，这些共同构成了一个小系统.假设利用计算机仿真模拟技术整合和重现上述小系统中的4个组成部分，则可以对该系统进行整体层面的分析、评价和预测等，把这种模拟称为体育系统仿真［5］.体育系统仿真实际上是一种实验技术科学，它具有边缘性、应用性、学科高度交叉融合、研究对象复杂的特点.横向角度看，体育系统仿真的研究范围包括以下几个方面：运动训练（虚拟环境，虚拟编排等），健身娱乐（电子游戏等），体育教育（电子教案等），器械设计，测量与可视化，组织管理（虚拟演练，大型团体操），康复治疗及其他.纵向角度看，其研究范围包括：运动选材-训练目标规划-运动诊断-组织训练-运动监测-训练控制等一系列流程.

为测定人体平衡能力，国家体育总局体育系统仿真实验室的李祥晨团队研制出了人体平衡测试分析系统（Quick Balance v1.5，BestPoise V1.0，VR-Poise v1.0 3个版本），该系统可以广泛应用于运动员选材，以及神经、耳鼻喉、骨、老年病、麻醉等方面的研究上.该团队还进行了艺术体操集体项目虚拟编排系统的研究，以及人体全身力测试和可视化系统.蹦床运动训练实时监控和可视化系统、举重无线实时测量和可视化系统、滑冰无线实时测量和可视化系统、新型防护头盔和用具的CFD分析和设计、新型特种材料在体育器材装备应用的虚拟设计和分析.未来体育系统仿真作为实用性强的边缘学科，其发展需要计算机等相关基础学科的支持，更加关注各种2D、3D交互设备和仪器的开发和应用.

5　基于虚拟仿真技术的实验教学优势

建立虚拟仿真实验室后，学生可以在实验课上进行反复多次的虚拟操作.这样，既帮助学生熟悉实验操作程序，又使实验室减少不必要的耗材，也不需要大量相关的实验教辅人员，当然，仪器的保养、维修以及产生的费用等问题也相应地得到解决.随着知识的更新，只需升级和补充计算机服务器中的虚拟实验内容，极大地节省教学成本.对于学科专业中涉及到的高精端仪器设备，学生可以在虚拟仿真实验室中见识到，并反复虚拟操作、练习，可以弥补教学仪器的不足.通过虚拟仿真实验平台，学生可以完成课下的复习、预习，操作练习，打破传统实验教学模式中时间和空间对学生的限制，这无疑对提高学生的学习效率，取得较好的学习效果提供有力的保障.更为重要的是，表征虚拟仿真实验室特殊功能的即是其智能化，智能化的功能使得人们在虚拟仿真实验室可以实现人机互动，甚至对话.可以说，智能化对于学生创新意识的培养大有好处，同时，学生对于问题的分析思考以及应用跨学科知识解决问题的能力都将得到大幅提高.

6　基于虚拟仿真技术的运动人体科学实验教学改革构想

依据学科专业模块、整合运动解剖学、运动生理学、体育保健学和体质测量与评价4大实验项目，以人体器官、组织结构、病理过程及康复诊疗为主线，力求形成以实验或案例为核心的较为系统的虚拟化的运动人体科学实验教学体系.自建题库系统，提供在线测试，便于预复习和自测.构想包括功能模块建设、网络教学平台建设、开放管理模式建设3部分.

6.1功能模块建设

功能模块建设包括以下5个方面：

1）运动机能学虚拟仿真实验模块.包括人体生理学、运动生理学的虚拟实验教学系统、高仿真模拟人技术等.运动机能学类的教学侧重于实验机能的开展，普通验证性实验可以通过配备实验器材来实现，但许多连续性、整体性的实验就不可能大规模的实现，因此，虚拟仿真教学就凸显其优势.

2）运动解剖学虚拟仿真实验模块.包括人体解剖学、局部解剖学、运动解剖学等数字人解剖系统，3D解剖模型，通过人机交互实现浏览人体结构模型等.

3）运动医学虚拟仿真实验模块.包括心肺复苏（高级电脑心肺复苏模型），经络腧穴定位的3D训练模块，运动损伤的处理（运动损伤的诊断，急救，治疗，康复）等思维仿真训练系统，锻炼和加强学生能够运用课堂讲授知识分析、诊断具体的运动损伤案例，提高他们的实践能力，理论联系实际的能力，进一步与教学大纲的要求相吻合.

4）运动处方虚拟仿真实验模块.包括连续性、系统性的体质测量与评价，体适能横向和纵向评价，体质评价数据库，运动处方制定和跟踪监测系统等.

5）仿真考试模块.满足教学结束后对学生的技能测试要求，不仅可以客观公正地评价学生学习效果，便于学生自测、预习和复习，同时大大减轻教师的工作量，便于教师直观、省时、高效率地观察到学生的实训效果，这远好于目前实验课费时费力、客观性欠缺的评分体系.

6.2网络教学平台建设

鉴于医学教育领域虚拟仿真的做法，可以借鉴医学教育的模式，利用学校局域网的优势，对我校的运动人体科学实践教学进行虚拟改造，例如各种运动损伤防护等技能操作，典型案例图片及视频等均可以进行虚拟仿真建设.利用校园网，还可以设立专门网页，使所有教学资源网络信息化，例如教学大纲、教案、教学视频、开放实验室预约等，便于学生自主学习和获取信息［6］.同时实验报告提交、师生互动、实验成绩查询、网上评教等都在教学网站上实现.网络教学平台的建设不仅可以提高实验教学的效果，也可以大大减轻教师实验教学的工作量，节省宝贵的时间.网络教学平台不仅在校内进行布局和共享，也可以在省内甚至全国同类学科间进行部署和共享.

6.3开放管理模式建设

为配合网络教学的顺利开展，保证虚拟仿真实验室的正常运行，相应的开放管理模式必须得到重视和研究.教师，学生和网络技术员是参与管理的3个重要方面，因此，形成从技术员到教师再到学生的三位一体的综合管理模式，具有一定的借鉴价值.由三方人员共同管理虚拟仿真实验室，技术员和教师统一安排，结合学生自主管理，做到集中和放开相结合，充分发挥虚拟仿真实验教学平台的优势，使学生能充分利用课余时间进行技能学习和操作练习［7］.

7　展望

综上，运动人体科学虚拟仿真实验教学改革具有一定的可行性和必要性.全民健身热潮的到来和体育产业的朝阳势头，无时不在提醒我们，运动人体科学应注重实践应用型人才的培养.基于虚拟仿真实验技术平台的运动人体科学实验教学改革将帮助我们更好地把握住学科发展动态和走向，为社会输送一专多能的体育类综合人才，顺应时代的发展.

［1］林鸿程，梁馨云，吴柱国，等.某校临床技能虚拟仿真培训中心建设的探索［J］.现代医药卫生，2015，31（12）：1903-1905.

［2］吴广霞，张佩，姜秀文，等.虚拟仿真技术在护理专业实践教学中的应用研究进展［J］.齐鲁护理杂志，2015，21（2）：43-45.

［3］张敬南，张缪钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究［J］.实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

［4］郭静，刘晓燕，朱学江，等.虚拟仿真教学平台在基础医学教学中的应用［J］.南京医科大学学报（社会科学版），2014 （6）：498-500.

［5］解毅飞，李祥晨.足球裁判员培训仿真系统的研制［J］.体育科学，2001，21（3）：53.

［6］杜鹃，尹艳艳，沈兵.虚拟仿真实验教学系统在机能学实验中的运用［J］.基础医学教育，2015，17（2）：155-156.

［7］王燕，车敏，楚慧媛.中医院校建设基础医学虚拟仿真实验教学中心的探索与实践［J］.甘肃中医学院学报，2015，32 （2）：94-96.

Preliminary Teaching Reform of Experiment of Sports Human Science Based on Virtual Simulation Technology

LI Lei，HU Zhendong，XUE Peng，ZHANG Xiaolai，HUANG Shan
（School of Physical Education，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

The development of national fitness requires cultivation of multi-skilled applied talents，in which experiment of sports human science plays a key role.This paper proposes a preliminary reform idea for the ap⁃plication of virtual simulation technology in the reform of experiment of sports human science.It is hoped that such a reform will help to keep up with the trend of science and cultivate multi-skilled talents for the soci⁃ety.

virtual simulation；sports human science；experiment teaching

G 804.2

C

2095-0691（2016）02-0083-04

2015-10-26

安徽省教学研究项目（2014jyxm165）；淮北师范大学校级重点教研项目（jy14016）

李蕾（1978-），女，安徽淮北人，博士，副教授，研究方向：运动与健康促进.