高校体育与健康虚拟现实实验课堂的设计与应用——以河南理工大学为例

原颜东，张志豪，郭 坤，程 慧

（河南理工大学体育学院，河南 焦作 454000）

高校体育与健康虚拟现实实验课堂的设计与应用
——以河南理工大学为例

原颜东，张志豪，郭 坤，程 慧

（河南理工大学体育学院，河南 焦作 454000）

虚拟现实技术的迅速发展，已广泛地运用到社会的各个领域。在高校体育与健康课堂中引入虚拟现实技术，将是未来发展的趋势和客观需求。尤其是在运动生理学、人体解剖学、运动康复医学及技能主导类具有一定危险性的运动项目中，运用虚拟现实技术能够大大提高同学们学习时的安全性，增加学习乐趣，增强现实体验感和互动性。本文通过对河南理工大学体育学院体育与健康虚拟现实实验课堂的设计思路、构建目标及应用前景进行分析，提出可行性论述，以期为构建体育与健康虚拟现实实验课堂提供智力支持，为师生更加高效地学习体育理论与技能提供条件保障。

虚拟现实；高校；体育课堂；设计；应用

高等教育发展到今天，传统教育模式越来越受到现代科学技术发展的挑战。计算机技术的发展，改变了我国千百年来传统板书的历史。互联网技术的发展，改变了从古至今的传统课堂教学模式。近些年来逐渐发展、不断推广的慕课、翻转课堂成为了高校的新宠。以“互联网+计算机”技术为基础发展起来的虚拟现实技术，又将颠覆近年来流行起来的翻转课堂授课模式。虚拟现实技术在教育中的应用可以追溯到20世纪80年代。鉴于当初技术所限，并没有在教育中泛起波澜。到了21世纪，科技高速发展的阶段，虚拟现实在教育中的应用才如雨后春笋，在高校悄悄发芽。自从2015年3月5日李克强总理在第十二届全国人民代表大会第三次会议上提出制定“互联网+”行动计划之后，虚拟现实技术借此东风，在各大高校内迅速发展起来。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是由人主导，计算机管控下的一种模拟环境、感知、并提供人与物质世界进行自然交互的系统。通俗的讲，就是利用计算机技术模拟现实环境和身体运动，让人沉浸其中，达到与真实场景真假难辨的程度，体验其中的各种程序和内容。虚拟现实技术具有多体感、沉浸感、互动性和构想性等几个主要特征。虚拟现实运用的基本技术为计算机3D图形处理、接口智能传输技术、力反馈传感器技术和网络交汇技术。虚拟现实系统组成的基本结构，如图1所示。

2 体育与健康虚拟现实实验课堂构建

2.1 虚拟现实实验课堂的设计思路

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它实现了建构主义、情景学习的思想，营造了自主学习的环境，有传统的以教促学的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。这一新型学习方式在教育领域的运用，除了三维立体校园体验，化学化工实验，临床医疗手术诊断，材料工程加工，采矿安全实践等领域，还运用到了体育理论和运动技术中来。在虚拟现实技术蓬勃发展的背景下，在借鉴其他领域虚拟现实实验室成功运用的基础上，提出构建体育与健康虚拟现实实验课堂的设想。在河南理工大学体育学院现有300m2人体科学实验室的基础上，增加一套虚拟现实设备，包括3D图形处理计算机，立体显示器，跟踪定位器，3D摄像机，技术动作穿戴设备等。构建能够集运动生理学，运动解剖学，运动康复保健学及运动技能训练为一体的综合实验中心。这一设想具有一定的前瞻性和现实意义，并且能在一定程度上大大减少资源和人才的浪费。

2.2 虚拟现实实验课堂的构建目标

通过体育与健康虚拟现实实验课堂的构建，能够在现有实验室的基础上更大程度地发挥实验室的综合功能，不仅能够在实验室内进行应用理论学习，而且更重要地是能够在实验室内进行术科技术动作的模拟学习。因为体育学是应用型学科，术科教学在整个体育学教学计划中比重最大。目前术科教学存在观念落后、模式老化、方法陈旧、手段单一，在教学目标、教学内容、教学手段及教学评价等方面都存在不少问题。尤其是在教学方法手段上，仍然脱离不了简单示范、技术练习、纠正错误的传统套路，也摆脱不了口头讲述、经验传授、满堂灌输的陈旧模式。运用虚拟现实技术能够使同学们沉浸在虚拟的学习环境中，提高同学们学习的兴趣和专注度，并且能够改变传统教学模式的枯燥乏味，达到人与自然的融合。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能培养。同时，还能提高同学们的空间想象能力，最终达到只有你想不到的，没有做不得到的这一终极目标。

图1 虚拟现实系统组成图（引用喻晓和编著的《虚拟现实技术基础教程》，2015）

2.3 虚拟现实实验课堂的基本架构

我们设计的体育与健康虚拟现实实验课堂主要有实验中心和控制中心构成，其中实验中心是我们实验课堂的主体，包括运动技能虚拟训练实验、人体解剖虚拟训练实验室、运动生理虚拟训练实验室、运动康复保健虚拟训练实验室等，见图2。根据我院的实际需要，实验中心依托现有实验室搭建，主要引进一套较为先进的，兼顾理论与技能，偏重于技能主导类危险性运动项目的虚拟仿真训练设备。在内容上能够与传统教学内容无缝衔接，教师经过短期培训容易掌握、便于使用。同时，兼顾教学与科研，从教学中能否发现新的科研动向和研究领域。

3 虚拟现实在体育与健康课堂中的应用

3.1 虚拟现实实验课堂便于多学科交叉综合利用

虚拟现实实验课堂利用有限的空间，能够呈现出无限区域，重点是能够为多个学科提供不同的学习环境和条件。利用虚拟软件的转换和控制中心的操作，可以提供理论或技术动作模拟场景。运动生理学虚拟模拟训练，能够让同学们看到类似真实的血液流动，能够看到肌肉的工作原理，骨骼肌的运动机制，能够观察到一个运动员做某个技术动作的整个生理机能变化过程。运动解剖学虚拟实验，能够使同学们看到生理结构的每一个地方，小到细胞结构，线粒体的机构和功能，血红蛋白的机理等。运动康复保健虚拟实验能够使同学们了解到运动员从受伤到恢复的整个过程，并且在每一个恢复阶段，受伤部位的恢复状态和康复保健的效果等。运动技能虚拟现实实验课堂，同学们通过穿戴一定的装备，其中包括虚拟3D头盔，红外感应器，跟踪器，力反馈系统等能够使同学们达到100%真实感觉的模拟某一运动项目。尤其是那些在现实生活中很难体验且危险系数较高的运动，如危险刺激的蹦极运动、跳伞、翼装飞行等。

3.2 虚拟现实实验课堂能够提高学生培养效率

虚拟现实学习环境可以融合游戏化的特征，贯彻寓学于乐的教育理念，提高学生学习的内在动机。虚拟现实技术能够利用不同的3D场景，使同学们畅游在微观世界里，也能够利用空间转换技术，遨游在浩瀚的宇宙中。如果登上月球与嫦娥共舞，登上火星与外星人共餐都能在虚拟现实中实现，那还担心同学们学习的兴趣和积极性吗？还用刻意培养同学们的创新和想象能力吗？想象一下，我们在虚拟现实实验课堂上漫步，一会儿穿越撒哈拉沙漠，与丝绸之路上的驼队同行；一会儿奔跑在热带雨林，同鸟虫畜兽追逐；一会儿跑到了南极，与企鹅赛跑。一会儿奔跑在海底，同鲸鱼嬉戏，即使汗流浃背，恐怕也感觉不到辛苦，感觉不到劳累。不用教师要求和强迫，这一切都靠主观能动性实现，因而大大提高同学们学习的效率，同时减少教师的工作量，也就是达到了教师可以少教，同学们能够多学的目的。

图2 河南理工大学体育学院虚拟现实实验课堂结构图

3.3 虚拟现实实验课堂的机遇与挑战

设计中的体育与健康虚拟现实实验课堂既面临着发展的机遇，也面临着种种挑战。机遇是“互联网+”发展蓝图上升到国家战略层面，国家大力提倡大众创业，万众创新，因而给新技术的发展，尤其是以互联网技术为基础的虚拟现实技术得到了国家的支持，在教育领域，得到了教育部的重视。2016年被称为中国“VR”（虚拟现实）元年，也就是从这一年开始，虚拟现实实验室如星罗密布般出现在了各大高校之中。这是时代给予虚拟现实技术发展的机遇。当然，我国虚拟现实技术地发展还处在初级阶段，还有很长的路要走。任何事物的出现都会经历破茧化蝶的过程，虚拟现实技术也不例外。由于技术所限，价格昂贵，维护成本高，力反馈灵敏度低，体感交互类不够精细等原因，造成了虚拟现实技术的推广和普及较为困难，这也是目前虚拟现实技术发展的一个瓶颈。

4 结 语

虚拟现实技术的出现，带动了社会的变革，也给教育领域带来了更多的选择和未来发展空间。未来的竞争是人才的竞争，是科技的竞争。只有走在时代的前列，才能看到独特的风景。教育也要与时俱进，引领科技发展的前沿。在学校政策的大力支持下，我们提出构建体育与健康课程虚拟现实实验课堂这一设想，具有前瞻性和现实意义。能够为学校体育事业的发展提供智力支撑，为学校体育教学改革提供条件和保障。该实验课堂的创建与应用，能够提高学生培养的效率，提高学生的探索欲和创新能力，改变传统的教学模式，为其他高校虚拟现实实验课堂建设提供理论参考，为体育与健康虚拟现实实验课堂地推广和普及贡献智慧和力量。

[1] 喻晓和.虚拟现实技术基础教程[M].北京：清华大学出版社，2015.

[2] 朱征宇，崔旭艳，林文弢.体育院校教师综合技能训练中心设计与应用研究—以广州体育学院为例[J].广州体育学院学报，2017，37（2）：1-3，8.

[3] 陈定方.五彩缤纷的虚拟现实世界[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[4] 丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（2）：19-25.

G807.4

A

1674-151X（2017）20-069-02

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.20.034

投稿日期：2017-08-05

河南理工大学2017年度人文社会科学研究基金规划项目（项目编号：SKGH2017-13）。

原颜东（1980—），讲师，硕士。研究方向：体育教学、体育文化学。