基于虚拟仿真系统在体育教学中的应用研究

摘 要：VR的仿真技术主要通过触觉、视觉、听觉等多种感知能力模拟现实环境，而体育教学中恰恰需要学生的多种感觉的共同参与。本文主要通过对VR技术的特点和体育教学过程本身的特点进行融合，强化运动强度和负荷在VR体育教学仿真系统中的运用。改变以往教师基于肉眼观察在学生学习中存在的问题，到基于准确的人体运动技术测量数据;改变以往以经验来主观判断学生学习中存在的问题，到基于程序化人体运动模拟与仿真人体运动分析，以客观的数据来说明学习者存在的问题;减少学生在教学中运动体验获得时间，强化肌肉的动作记忆，缩短教学周期，提高教学效率。

关键词：虚拟现实;体育教学;运动强度

一、绪论

体育教学目标是在特定的时间和空间内让学习者达到预期的结果，在特定的时间和空间内主要激发学生学习兴趣，充分调动学生主动参与的意识，激发学生学习动机。传统的体育教学过程是教师讲解示范，学生模仿，错误纠正，反复练习等过程，在信息化的今天，传统的教学很难充分调动学生的学习激情，然而，基于VR体育教学让学生真正体验到身临其境的感觉，通过肢体的活动充分感受到技能学习的效果，学习者通过与虚拟环境之间相互交互，在虚拟的环境中感受到真实的场景，在虚拟的环境中体验动作的学习及动作的运用，改变了由以往的“以教促学”转为“交互式”学习方式。

二、虚拟现实技术在体育教学应用的现状分析

如何使广大学生能在短时间内更好学会技术动作，在教学过程中采取什么样的教学方法和策略，以及在教学各个环节易犯错误如何有效采取干预措施等成为广大教师在今后的教学中研究重点[1]。传统的教学方法主要是基于人肉眼观察到人体运动技术分析及基于情感经验方法去判断教学中存在的问题;每位教师判断的标准不一，带有较强主观性，不利于客观分析每位学生技术特征，然而，VR虚拟仿真技术实现细微动作的精确捕捉和数据分析，有一个统一标准去比较技术的力学特征、动作的合理性等，帮助教师和教练员科学量化地分析和纠正学生的动作，找出正确的训练方法，提高运动成绩[2]。有学者认为虚拟现实技术可以从不同的角度、不同镜面示范、不同的速度进行直观的三维动画演示，让学生建立清晰的动作表象，进行模仿练习，学生能够通过清楚看到自己的动作，同时可以把学生的动作与老师的动作进行对比分析，找出存在的问题及时进行纠正[3]。虚拟现实技术的出现将改变传统的教学方法，虚拟现实技术实现虚物实化，让使用者正真感受到身临其境的感觉[4]。

然而在研究中，学者多从虚拟现实本身的特点（沉侵感、交互性及想象性），构建体育教学模式。这种新的教学模式给学生在技能学习中提供有利的帮助，同时带来新鲜感，带来兴趣，给体育教学带来新的技术，然而这些研究从虚拟现实的特点来分析如何运用于体育教学当中，从技术本身的角度去分析体育教学。体育教学过程特点即身体参与、体力与脑力活动相结合及运动负荷和强度。在这个过程中运动负荷和运动强度至关重要，也是体育课堂教学重点。本研究将虚拟现实与体育教学过程两者的特点有机结合，在虚拟环境中加以运动强度和量的控制，使学生產生一定的运动负荷，提出构建虚实融合的体育教学模式。

三、体育教学仿真系统的设计过程

（一）三维建模

建模分为三部分：人体建模、场景建模、演示建模。人体模型数据库包括：头部模型、嘴鼻部细节模型、臂膀模型、小臂模型、肩关节模型、肘关节模型、腕关节模型、手部模型、上体模型、腹部模型、腰部模型、髋关节模型、大腿模型、膝关节模型、小腿模型、脚踝关节模型、脚部模型等。演示建模数据库包括：专业运动员演示人体建模和相关的动画设计等。场景模型数据库包括：运动项目场景建模等。系统统一采用3DS MAX、OpenGL和Unity 3D共同完成系统三维视镜的建模以及相关动画的制作。

（二）模型、场景的渲染

虚拟场景的灯光设定，通过3DS MAX自带的环境光提高整个场景的亮度，在合适的3D坐标处设置光源，并在适当的位置上进行光线的补充，以及进行对相关阴影的柔化工作。要明确灯光的控制对象，对灯光布置的目的性，以及灯光强度的控制性，这将帮助虚拟场景更快更好的完成渲染。每个模型的每个节点，分块都进行渲染，保证对关键细节的真实展现。采用Unity3D自带的天空盒和灯光功能，给场景一个较为真实的虚拟化作业场景。

（三）模型动画设计

本系统采用基于3DS MAX的脚本语言对相关模型对象进行动画设计。最为当前最广的三维动画设计软件，3DS MAX内嵌了强大的动画开发功能。本系统将使用3DS MAX内置的Maxscript脚本语言对模型进行动画的设计。首先设计的对象是演示模型的指导姿势演示，采用关键细节强化感知的方式设计在环境人不同方式技术的规范动画，目标在规范的动作上教导用户。最后是环境的模型的动画设计，旨在能在模型进行动作的同时，环境模型能较为真实的产生的印象反应出来。

（四）虚拟场景的建立

本系统将采用Unity3D建立所需的虚拟场景，并将它运用到VR中。首先将模型在3DS MAX建立完毕，然后分次序导出成Unity3d能导入的模式。将所有模型元素导入Unity3d引擎的场景试图，调整对应的位置关系，并划定场景边界。在Unith3d引擎中导入适当的资源包，保证程序能正常有效的运行在VR环境中，并能将沉浸式体验表示出来。

（五）动作捕捉

实时捕捉、记录、获取人体运动时的准确的动作姿势，结合人体生理学、物理学等原理分析，研究动作改进方法;计算分析受试者特定关节点在某一时刻的速度、加速度、角度，并与数据库中专业运动员数据进行对比分析，增强教学互动性，提升学习体验，切实解决学习中定量研究和实时交互的关键问题，推动体育领域发展。

通过大量高仿真3D动画还原人体生理机制过程。将抽象的内容三维形象化，学生可以直观的了解每个所学的知识点，深刻的理解和掌握所学知识，拥有极高的技术含量和独特的应用价值。

基于VR的体育教学仿真系统是典型的人机交互系统，它的教学效果将受到硬件系统、仿真软件和操作人员三大因素相互影响。能否正确地向用户展示规范的动作示范，用户的动作能否成功地被识别并分析，将成为本系统真实效果和培训效率的关键。因此将优化算法，提高代码效率。良好的图形界面有助于用户更良好的体验，本系统使用Unity3D作为2D界面的设计工具，采用贴图、UI导入的方式来完成界面的设计，包括初始界面、场景选择界面、动作教学选择界面、计时栏、指示栏等。

四、虚拟现实技术在体育教学中的应用

（1）虚拟现实技术优化教学过程。传统的教学过程是教师讲解示范，学生模仿练习，建立动作概念;通过错误纠正反复的练习使动作连贯准确建立动力定型，再通过增加新的刺激条件使动作趋于巩固和运用自如达到动力定型。虚拟仿真技术是学习者通过视觉（三维动画多角度观察）、听觉（技术动作的讲解）、触觉（动作体验）及互动（动作对比）对动作进行感知，创设虚拟情境进行再次互动（交流、对比、技术分析等）加深对动作的理解，通过增设新的情境加深技术的理解及肌肉的记忆使动作趋于稳固。

（2）虚拟现实技术将使体育教学从单一教師教学生学到交互式综合性模式。传统的教学一般是在教师引导下进行练习，虚拟仿真技术下的教学是基于虚拟环境与真实环境相叠加的知识建构。

（3）虚拟现实改变以往教师基于肉眼观察在学生学习中存在的问题，到基于准确的人体运动技术测量数据;改变以往以经验来主观判断学生学习中存在的问题，到基于程序化人体运动模拟与仿真人体运动分析，以客观的数据来说明学习者存在的问题，教学过程更加科学化、合理化。

（4）虚拟现实技术可以帮助克服恐惧。虚拟的恐惧和真实的恐惧并没有两样，问题是什么导致真实的恐惧和虚拟的恐惧，怕什么并不重要，VR的有点在于可以详细的重现真实的情景，让自己面对感觉有压力的东西，通过身处其境，不适感会开始降低，帮助大家体验之前没有体验过的，并做出改变感觉自己就在其中，这样摆脱恐惧的慢慢有所改观。

五、结语

综上所述，基于VR仿真技术运用于体育教学中，将真实的环境与虚拟的场景进行有机结合，有助于改善教学环境，实现教学场景真实化;改变传统的教学过程即教师是知识的传授者转变为指导和组织者;提高教学效果，教师根据学生的学习情况，创设相应的虚拟教学场景及人物形象，供学生学习。由此可见，基于VR虚拟现实技术将在体育教学得到广泛的运用。

参考文献：

[1]郑芳媛.普通高校游泳教学初探[J].山西财经大学学报，2012，34（S2）：79.

[2]陈健，姚颂平.虚拟现实技术在体育运动技术仿真中的应用[J].体育科学，2006（09）：34-39.

[3]刘炼，孙慧佳.虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用现状及设计要求[J].中国电化教育，2014（06）：85-88.

[4]刘衡，冯婷.基于虚拟现实技术的体育教学模式的实践与思考[J].北京师范大学学报（自然科学版），2013，49（06）：649-652.

基金项目：江苏高校哲学社会科学基金项目“江苏省普通高校学生身心健康现状及晨练干预策略研究”（2019SJA1660）

作者简介：王冬（1985-），男，汉族，安徽舒城人，硕士研究生，讲师，研究方向：体育教育训练学。