虚拟仿真系统在高校高尔夫教学的应用服务

王 猛 杨少雄

（福建师范大学体育科学学院,福建 福州 350016）

1995年深圳大学设立高尔夫课程，开启了高校开展高尔夫教学的先河；2002年北京体育大学通过校企合作开设高尔夫合作班；2003年河北体育学院社会体育专业开设高尔夫管理方向班。据统计，我国开设高尔夫方向课程的高校已经超过100所。随着2016年高尔夫重新回归奥运会项目，高尔夫运动的发展与推广更加受到重视。高校高尔夫运动通过近20年的推广发展，教学模式、内容更加丰富多样。高尔夫挥杆辅助仪器、高尔夫测速仪、高尔夫视频回放等设备的出现，使高尔夫技术教学迈入新阶段。

1 高校高尔夫教学及虚拟仿真系统教学应用现状

现阶段高校高尔夫专业教学中最缺乏的是训练场地，高尔夫球训练需要封闭的练习场，占地约60亩（1亩约为666.67 m2）；高尔夫球场一般是精心维护的大片天然草坪，占地约1 000亩（1亩约为666.67 m2），场地规模和高昂的训练费用限制了高尔夫运动的发展，也限制了高尔夫运动在高校中的推广。据统计，全国高校具备高尔夫标准场地的不超过3所，校内具备高尔夫标准练习场的仅10所左右。其他高校大都是通过在校内搭建3～4 m2的打击笼或租用校外的练习场来上课，前者会导致学生练习枯燥无味，效率低；后者须要往返学校和练习场地，练习时间少、成本高，会降低学生练习的积极性。缺乏标准真草场地的实践，教学效果及教学目标难以完成。

近年来，随着高尔夫运动科学化的发展，研究者对高尔夫挥杆技术的研究更加深入。虚拟现实技术及运动大数据分析高速发展，运用高尔夫室内模拟器、弹道追踪系统、慢动作捕捉系统以及体感模拟训练仪器等对高尔夫的训练提供了很大的帮助[1]。

高尔夫虚拟测速仿真器材的诞生在很大程度上解决了高尔夫技术学习的短板，现在很多高校已经将高尔夫模拟实验室作为高尔夫技术教学的必备配置。高尔夫虚拟仿真系统是通过将高尔夫球场的模拟仿真地图（其中涵盖了风向、湿度等信息）装入系统，通过高速摄像（2 000次/s）监测挥杆动作，记录每次挥杆的杆面角度、挥杆路径、起飞角度、侧旋等数据，将计算出球的飞行弹道及滚动后的效果投射到屏幕上，从而实现近乎1:1真实的挥杆场景。让学生足不出户就能完成近10 km的场地练习，更加精准地反映出挥杆的效果。虚拟测速仿真器材是高校高尔夫技术教学不可或缺的。据调查，国内超过60所高校已经安装了虚拟测速仿真系统，如北京大学、浙江大学、福建师范大学、云南师范大学、湖南体育职业学院、深圳职业技术学院等[2]。本文从高尔夫虚拟测速仿真系统入手，通过调研高校高尔夫虚拟仿真系统应用，针对教学现状，对高校使用虚拟仿真高尔夫教学提出建议及实施方案。

2 高尔夫虚拟仿真系统的市场应用现状

我国引进的高尔夫虚拟仿真系统的核心技术源于韩国高尔夫模拟器，其曾占有90%以上的中国市场。韩国研发虚拟仿真系统的初衷是使球手在冬季室外无法打球的情况下通过虚拟仿真达到训练的目的，提高了训练的频次，避免因天气恶劣不得不中断训练。高尔夫虚拟仿真价格相对适中且兼顾娱乐性，结合我国球场严重不足的现状，更适合向全社会推广和普及。《韩国高尔夫报告》显示，在近15年内，韩国的虚拟仿真运动市场规模增长30倍以上。目前，韩国高尔夫模拟会所及教学场所已达1万家，市场规模已超8万亿韩元（1韩元=0.005 2人民币）。我国高尔夫虚拟仿真运动市场近10年来飞速增长，引进了大量的韩国品牌及技术核心，如T-UP、GOLFZON、BRAVO等原装品牌形象店在多个大中型城市落地。2022年我国室内高尔夫会所已超过3 000家，高尔夫消费已超过30亿元[2]。国内高尔夫模拟器通过“引进来、走出去”的方式，经过多年实践开发出更多人机互动等娱乐性较强的模块，如新颖的打位动感平台及推杆感应平台等，通过在线模拟器竞赛平台，实现多人线上竞赛，拉近了球友之间的距离。国内的高尔夫模拟器自主品牌，如衡泰信、如歌等品牌相继赞助全国的高尔夫赛事、校园高尔夫教学以及与高尔夫学院合作等，为高尔夫专业学生提供了更加直观、高效的教学场地，也为高尔夫专业学生未来从事室内高尔夫教学等方向提供了大量的实习机会和工作岗位。

3 高尔夫虚拟仿真系统在高校教学中的应用服务

高校高尔夫教学内容包括高尔夫理论知识和高尔夫技术。高尔夫课程学习内容相对复杂，大部分高校在校内授课及练习场地有限的情况下，充分发挥虚拟仿真系统在高尔夫教学中的作用。此外，通过高尔夫虚拟仿真系统可为高尔夫教学提供大数据支撑，根据客观数据及视频回放系统调整优化教学内容与结构。本研究旨在依托VR及虚拟仿真系统，解决在室外难以观测的高尔夫球的弹道及分析击球数据的难题，通过直观的数据及影像来分析错误动作并及时纠错[3]。

以福建师范大学为例，其高尔夫虚拟仿真实验室共300 m2，配备的器材有Bravo和Golfzon室内仿真教学系统、K-vest体感挥杆监测系统、V1数字监控教学系统和动作回放系统。

图1 虚拟仿真系统结构示意图

3.1 虚拟仿真系统通过高速摄像大数据分析击球实际效果

虚拟击球监测系统主要是监测击球瞬间球杆杆头与球之间的关系，完成球的飞行路线和球的弹道模拟。以Bravo系统为例，如图2所示，通过高速摄像拍摄传导给计算机模块，从而计算出高尔夫球的理论飞行弹道、旋转量、左右的偏转等；高尔夫球的轨迹检测部分依赖传感器实现。计算机计算每一个球的击球线路、击球角度、杆头速度、球速、后旋、侧旋、击球高度、飞行距离、球的滚动距离、偏离度等大量的统计数据，基本可以完整地分析一次挥杆的数据[4]，有利于学生观察传统室外练习无法得到的击球数据。

图2 虚拟高尔夫监测挥杆轨迹与球的飞行路线示意图

3.2 系统慢动作回放完成学生直观地观测动作及自我纠错

利用内置V1数字监控教学系统（V1 Digital Video Coaching System）进行慢速动作捕捉，可以将整个挥杆动作放慢，速度为原动作的1/30～1倍，通过对比标准挥杆平面，让学生直观地观测动作的动态变化，同时通过观察系统显示的信息，记录和分析挥杆效果。如图3所示，通过慢动作回放对比虚拟标准挥杆模型，明确自我纠错的方法；通过动作分析软件，学习规范动作的方法，通过慢动作回放精细地改善动作流程，实现“看着镜子给自己上课”的高效挥杆动作练习的效果。

图3 高尔夫挥杆视频回放慢动作分析软件

3.3 虚拟体感训练系统

虚拟体感训练系统是用来测试及训练高尔夫球手身体动作形式、运动发力顺序等挥杆过程中的动作训练系统。如图4所示，K-VEST是建立在Kinect 动作捕捉平台上的高尔夫体感可穿戴设备，将多个传感器分别安装于使用者的某些标志点上，使用者佩戴体感仪器进行挥杆，挥杆时传感器可以将收集到的信息实时传输给模拟系统，模拟系统会根据接收到的数据模拟出1:1且同步的完整动作，用显示器上的模拟动作模式实时分析使用者的挥杆过程，从而更直观地发现动作问题、改善动作。通过对全身关键位置的定位，将挥杆数据上传到分析软件，解析挥杆优势和劣势，更快地找到关键点，高效地解决问题。

图4 虚拟体感训练系统

3.4 虚拟场地训练仿真系统实现高效完成18洞的多种竞赛

以本校高尔夫实验室的Golfzon系统为例，如图5所示，该系统通过UNITY及SMAS作为主要引擎，根据场地内random设置的风向，模拟周边树木植物等的摆动方向，通过模拟球场内的风向、落差、场地结构、鸟声、风声、球落在不同区域的声音，等等，可使击球者更真实地体验球场的空间感。学习曲线球的打法，熟练掌握利用多种不同球路以适应复杂的球场自然环境，其中包括风向、球道坡度、障碍区，等等，让学生身临其境置身球场，学习实际球场实战的竞赛策略。这个系统将弥补高尔夫18洞场地教学的不足，以及相对高尔夫专业教学更全面地进行院校裁判方法及竞赛3D模拟的学习，这也正是虚拟仿真球场对于高尔夫18洞教学的里程碑式的改革，让更多的学生在“足不出户”的情况下更加直观地感受高尔夫运动带来的快乐。

图5 高尔夫场地训练示意图

4 虚拟仿真高尔夫应用效果反馈

4.1 虚拟仿真应用于高尔夫技术教学中是教学环境和方法的创新

通过案例学习，使学生充分了解高尔夫球的飞行原理，从多个变量里找到影响高尔夫球飞行的因素，通过综合判断来发现高尔夫挥杆动作带来的问题。通过实地高尔夫场地教学，首先提高学生对实际场地的认知，用1：1的真实环境还原球场，实现高尔夫裁判法的实地模拟教学。通过高尔夫慢动作击球回放，调节回放的速度可以清晰地看到动作的每一帧，用划线和对比挥杆模型的方式，让学生对挥杆动作自我评价以及与同学间互相评价，以达到过程性评价的目的。在探索性实验研究中，加深学生对挥杆动作的理解，最终使学生掌握高尔夫球的飞行原理及挥杆动作原理，并初步应用[5]。

4.2 虚拟仿真系统大数据为高尔夫教学提供了更严谨的训练平台

通过“Bravo/Golfzon Sensor-System高尔夫虚拟仿真测速系统”“Bravo高尔夫挥杆视频分析系统”两个平台，每一次练习场地的挥杆动作，可以为评价挥杆动作提供20组以上的数据，至少50帧的画面来记录。通过大数据的整理和分析，为科学地训练，提高运动员的运动表现有较强的现实意义。所以，直观的视频教学、VR教学、人机互动、APP视频存储分析，等等，为传统的课堂技术教学提供了更加丰富的平台，为运动员的科学训练提供了更多可以参照的客观数据。“数据教学法”在教学中无处不在，可以为教学、科研及训练提供数据支撑。数据通过本虚拟仿真系统传递给学生，指导学习挥杆动作、评价挥杆动作、教授挥杆动作，帮助掌握技术要领，明白挥杆原理，进行自我纠错、互相纠错，从而提升教学效果。

4.3 通过虚拟仿真系统的击球数据库创新教学评价体系

高尔夫虚拟仿真系统是具有良好的自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台，通过动作回放分析球的飞行路线，相关数据库存储学生击球的各项数据，为终结性评价提供评价基础，提高独立操作仪器设备人员技能培训的效率。实现虚拟线下仪器操作中关于数据库建立、参数设置、场景选择和实验记录等全过程的考核评价，有望实现线上学习，线下操作的功能。创新的评价体系助推了学生对创新性学习的激情，提高了学生的动手能力。

4.4 虚拟仿真系统的使用是对传统教学的延伸与拓展

本文所涉及的高尔夫虚拟测速仿真系统针对的是具体的教学实践活动，学生通过高尔夫虚拟测速仿真系统进行练习后，解决了高尔夫技术教学中最大的短板，让学生足不出户即可实现18洞场地的仿真练习，通过大数据分析及实时的动作回放，完成动作精细化分析，从而促进教学目标的完成。因此，高尔夫测速仿真系统在当今高校教学中是不可或缺的一种教学手段[6]。

5 高校高尔夫虚拟高尔夫实验室配备案例分析

高校可以通过以上设备的空间配备及系统的造价选择配备适合本学校的高尔夫模拟实验室，让学生更加直观地体验高尔夫运动，利用学校有限的教育资源，如闲置的教室，打造高校内专业的高尔夫教学平台，根据学校的具体经费选择配备与之相对应的仪器。以下通过两个案例来分析高校虚拟高尔夫实验室的配备方案。

案例一：以低端模拟器为主，室外练习为辅。某高校有20万教学经费，利用学校闲置空间500 m2建立高尔夫实验室，购买20台红外线监测模拟器（5 000元/台）共计10万元，装修及相关设备费用10万元，基本可以满足一个自然班的教学，两人一组在实验室内上课，实现了教学效果的最大化。

案例二：以中高端模拟器为辅，室外练习为主。某高校有20万教学经费，利用学校闲置空间50 m2建立高尔夫实验室，购买2台（8万元/台）高速摄像监测模拟器，共计16万元，装修费用共计4万元。监测设备可以满足课程的技术教学分析，学生主要在室外的打击笼和练习场练习，高尔夫模拟器作为虚拟课堂的教学方式而非学生的主要练习方式。

从以上两个案例可以看出，高校在教学经费相似的条件下，可以根据学校高尔夫课程教学目标以及本校的实际条件（场地条件、教学环境等）选择产品来配合教学。根据实际情况，高校高尔夫的教学一般遵循的原则有：首先，根据课程的目标来合理分配高尔夫课程教学的经费总额。其次，明确室内虚拟高尔夫练习在高尔夫教学中的比重，从而分配室内、室外学习和练习的时间。最后，根据市场上高尔夫虚拟仿真器材的造价合理配备相应的教学器材。

6 结语

虚拟仿真系统在高校高尔夫教学中的应用须要从实际出发，结合教学目标合理建设教学实验室。第一，利用学校闲置教学资源，建立虚拟高尔夫技术教学基地，以提高教学场地利用率及弥补实地场地教学的不足。第二，以高速摄像感应监测器为主流，充分利用虚拟高尔夫监测系统所提供的大数据，提高学生对动作技术学习的分析和自我纠正能力。第三，通过虚拟高尔夫训练，参与全国校际高尔夫在线竞赛及世界高尔夫模拟竞赛，培养学生的竞争拼搏精神，提高学习的兴趣和能动性。第四，建立专业的高尔夫虚拟实验室，有条件的学校可以引进体感监测系统，如K-VEST、AMM-3D；视频回放教学系统，如V1数字监控教学系统（V1 Digital Video Coaching System）、Swing Catalyst；推杆监测系统，如SAMPUTT作为补充。第五，可通过建立校际共享机制，共享高尔夫实验室的教学设备，实现教学资源的最大化利用。