虛擬仿真系統(tǒng)在高校高爾夫教學(xué)的應(yīng)用服務(wù)

王 猛 楊少雄

（福建師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350016）

1995年深圳大學(xué)設(shè)立高爾夫課程，開啟了高校開展高爾夫教學(xué)的先河；2002年北京體育大學(xué)通過校企合作開設(shè)高爾夫合作班；2003年河北體育學(xué)院社會體育專業(yè)開設(shè)高爾夫管理方向班。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國開設(shè)高爾夫方向課程的高校已經(jīng)超過100所。隨著2016年高爾夫重新回歸奧運(yùn)會項(xiàng)目，高爾夫運(yùn)動的發(fā)展與推廣更加受到重視。高校高爾夫運(yùn)動通過近20年的推廣發(fā)展，教學(xué)模式、內(nèi)容更加豐富多樣。高爾夫揮桿輔助儀器、高爾夫測速儀、高爾夫視頻回放等設(shè)備的出現(xiàn)，使高爾夫技術(shù)教學(xué)邁入新階段。

1 高校高爾夫教學(xué)及虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段高校高爾夫?qū)I(yè)教學(xué)中最缺乏的是訓(xùn)練場地，高爾夫球訓(xùn)練需要封閉的練習(xí)場，占地約60畝（1畝約為666.67 m2）；高爾夫球場一般是精心維護(hù)的大片天然草坪，占地約1 000畝（1畝約為666.67 m2），場地規(guī)模和高昂的訓(xùn)練費(fèi)用限制了高爾夫運(yùn)動的發(fā)展，也限制了高爾夫運(yùn)動在高校中的推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國高校具備高爾夫標(biāo)準(zhǔn)場地的不超過3所，校內(nèi)具備高爾夫標(biāo)準(zhǔn)練習(xí)場的僅10所左右。其他高校大都是通過在校內(nèi)搭建3～4 m2的打擊籠或租用校外的練習(xí)場來上課，前者會導(dǎo)致學(xué)生練習(xí)枯燥無味，效率低；后者須要往返學(xué)校和練習(xí)場地，練習(xí)時(shí)間少、成本高，會降低學(xué)生練習(xí)的積極性。缺乏標(biāo)準(zhǔn)真草場地的實(shí)踐，教學(xué)效果及教學(xué)目標(biāo)難以完成。

近年來，隨著高爾夫運(yùn)動科學(xué)化的發(fā)展，研究者對高爾夫揮桿技術(shù)的研究更加深入。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及運(yùn)動大數(shù)據(jù)分析高速發(fā)展，運(yùn)用高爾夫室內(nèi)模擬器、彈道追蹤系統(tǒng)、慢動作捕捉系統(tǒng)以及體感模擬訓(xùn)練儀器等對高爾夫的訓(xùn)練提供了很大的幫助[1]。

高爾夫虛擬測速仿真器材的誕生在很大程度上解決了高爾夫技術(shù)學(xué)習(xí)的短板，現(xiàn)在很多高校已經(jīng)將高爾夫模擬實(shí)驗(yàn)室作為高爾夫技術(shù)教學(xué)的必備配置。高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)是通過將高爾夫球場的模擬仿真地圖（其中涵蓋了風(fēng)向、濕度等信息）裝入系統(tǒng)，通過高速攝像（2 000次/s）監(jiān)測揮桿動作，記錄每次揮桿的桿面角度、揮桿路徑、起飛角度、側(cè)旋等數(shù)據(jù)，將計(jì)算出球的飛行彈道及滾動后的效果投射到屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)近乎1:1真實(shí)的揮桿場景。讓學(xué)生足不出戶就能完成近10 km的場地練習(xí)，更加精準(zhǔn)地反映出揮桿的效果。虛擬測速仿真器材是高校高爾夫技術(shù)教學(xué)不可或缺的。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)超過60所高校已經(jīng)安裝了虛擬測速仿真系統(tǒng)，如北京大學(xué)、浙江大學(xué)、福建師范大學(xué)、云南師范大學(xué)、湖南體育職業(yè)學(xué)院、深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院等[2]。本文從高爾夫虛擬測速仿真系統(tǒng)入手，通過調(diào)研高校高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用，針對教學(xué)現(xiàn)狀，對高校使用虛擬仿真高爾夫教學(xué)提出建議及實(shí)施方案。

2 高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)的市場應(yīng)用現(xiàn)狀

我國引進(jìn)的高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)的核心技術(shù)源于韓國高爾夫模擬器，其曾占有90%以上的中國市場。韓國研發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)的初衷是使球手在冬季室外無法打球的情況下通過虛擬仿真達(dá)到訓(xùn)練的目的，提高了訓(xùn)練的頻次，避免因天氣惡劣不得不中斷訓(xùn)練。高爾夫虛擬仿真價(jià)格相對適中且兼顧娛樂性，結(jié)合我國球場嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，更適合向全社會推廣和普及?！俄n國高爾夫報(bào)告》顯示，在近15年內(nèi)，韓國的虛擬仿真運(yùn)動市場規(guī)模增長30倍以上。目前，韓國高爾夫模擬會所及教學(xué)場所已達(dá)1萬家，市場規(guī)模已超8萬億韓元（1韓元=0.005 2人民幣）。我國高爾夫虛擬仿真運(yùn)動市場近10年來飛速增長，引進(jìn)了大量的韓國品牌及技術(shù)核心，如T-UP、GOLFZON、BRAVO等原裝品牌形象店在多個(gè)大中型城市落地。2022年我國室內(nèi)高爾夫會所已超過3 000家，高爾夫消費(fèi)已超過30億元[2]。國內(nèi)高爾夫模擬器通過“引進(jìn)來、走出去”的方式，經(jīng)過多年實(shí)踐開發(fā)出更多人機(jī)互動等娛樂性較強(qiáng)的模塊，如新穎的打位動感平臺及推桿感應(yīng)平臺等，通過在線模擬器競賽平臺，實(shí)現(xiàn)多人線上競賽，拉近了球友之間的距離。國內(nèi)的高爾夫模擬器自主品牌，如衡泰信、如歌等品牌相繼贊助全國的高爾夫賽事、校園高爾夫教學(xué)以及與高爾夫?qū)W院合作等，為高爾夫?qū)I(yè)學(xué)生提供了更加直觀、高效的教學(xué)場地，也為高爾夫?qū)I(yè)學(xué)生未來從事室內(nèi)高爾夫教學(xué)等方向提供了大量的實(shí)習(xí)機(jī)會和工作崗位。

3 高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)在高校教學(xué)中的應(yīng)用服務(wù)

高校高爾夫教學(xué)內(nèi)容包括高爾夫理論知識和高爾夫技術(shù)。高爾夫課程學(xué)習(xí)內(nèi)容相對復(fù)雜，大部分高校在校內(nèi)授課及練習(xí)場地有限的情況下，充分發(fā)揮虛擬仿真系統(tǒng)在高爾夫教學(xué)中的作用。此外，通過高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)可為高爾夫教學(xué)提供大數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)客觀數(shù)據(jù)及視頻回放系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。本研究旨在依托VR及虛擬仿真系統(tǒng)，解決在室外難以觀測的高爾夫球的彈道及分析擊球數(shù)據(jù)的難題，通過直觀的數(shù)據(jù)及影像來分析錯(cuò)誤動作并及時(shí)糾錯(cuò)[3]。

以福建師范大學(xué)為例，其高爾夫虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室共300 m2，配備的器材有Bravo和Golfzon室內(nèi)仿真教學(xué)系統(tǒng)、K-vest體感揮桿監(jiān)測系統(tǒng)、V1數(shù)字監(jiān)控教學(xué)系統(tǒng)和動作回放系統(tǒng)。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 虛擬仿真系統(tǒng)通過高速攝像大數(shù)據(jù)分析擊球?qū)嶋H效果

虛擬擊球監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)測擊球瞬間球桿桿頭與球之間的關(guān)系，完成球的飛行路線和球的彈道模擬。以Bravo系統(tǒng)為例，如圖2所示，通過高速攝像拍攝傳導(dǎo)給計(jì)算機(jī)模塊，從而計(jì)算出高爾夫球的理論飛行彈道、旋轉(zhuǎn)量、左右的偏轉(zhuǎn)等；高爾夫球的軌跡檢測部分依賴傳感器實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)計(jì)算每一個(gè)球的擊球線路、擊球角度、桿頭速度、球速、后旋、側(cè)旋、擊球高度、飛行距離、球的滾動距離、偏離度等大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基本可以完整地分析一次揮桿的數(shù)據(jù)[4]，有利于學(xué)生觀察傳統(tǒng)室外練習(xí)無法得到的擊球數(shù)據(jù)。

圖2 虛擬高爾夫監(jiān)測揮桿軌跡與球的飛行路線示意圖

3.2 系統(tǒng)慢動作回放完成學(xué)生直觀地觀測動作及自我糾錯(cuò)

利用內(nèi)置V1數(shù)字監(jiān)控教學(xué)系統(tǒng)（V1 Digital Video Coaching System）進(jìn)行慢速動作捕捉，可以將整個(gè)揮桿動作放慢，速度為原動作的1/30～1倍，通過對比標(biāo)準(zhǔn)揮桿平面，讓學(xué)生直觀地觀測動作的動態(tài)變化，同時(shí)通過觀察系統(tǒng)顯示的信息，記錄和分析揮桿效果。如圖3所示，通過慢動作回放對比虛擬標(biāo)準(zhǔn)揮桿模型，明確自我糾錯(cuò)的方法；通過動作分析軟件，學(xué)習(xí)規(guī)范動作的方法，通過慢動作回放精細(xì)地改善動作流程，實(shí)現(xiàn)“看著鏡子給自己上課”的高效揮桿動作練習(xí)的效果。

圖3 高爾夫揮桿視頻回放慢動作分析軟件

3.3 虛擬體感訓(xùn)練系統(tǒng)

虛擬體感訓(xùn)練系統(tǒng)是用來測試及訓(xùn)練高爾夫球手身體動作形式、運(yùn)動發(fā)力順序等揮桿過程中的動作訓(xùn)練系統(tǒng)。如圖4所示，K-VEST是建立在Kinect 動作捕捉平臺上的高爾夫體感可穿戴設(shè)備，將多個(gè)傳感器分別安裝于使用者的某些標(biāo)志點(diǎn)上，使用者佩戴體感儀器進(jìn)行揮桿，揮桿時(shí)傳感器可以將收集到的信息實(shí)時(shí)傳輸給模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)模擬出1:1且同步的完整動作，用顯示器上的模擬動作模式實(shí)時(shí)分析使用者的揮桿過程，從而更直觀地發(fā)現(xiàn)動作問題、改善動作。通過對全身關(guān)鍵位置的定位，將揮桿數(shù)據(jù)上傳到分析軟件，解析揮桿優(yōu)勢和劣勢，更快地找到關(guān)鍵點(diǎn)，高效地解決問題。

圖4 虛擬體感訓(xùn)練系統(tǒng)

3.4 虛擬場地訓(xùn)練仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效完成18洞的多種競賽

以本校高爾夫?qū)嶒?yàn)室的Golfzon系統(tǒng)為例，如圖5所示，該系統(tǒng)通過UNITY及SMAS作為主要引擎，根據(jù)場地內(nèi)random設(shè)置的風(fēng)向，模擬周邊樹木植物等的擺動方向，通過模擬球場內(nèi)的風(fēng)向、落差、場地結(jié)構(gòu)、鳥聲、風(fēng)聲、球落在不同區(qū)域的聲音，等等，可使擊球者更真實(shí)地體驗(yàn)球場的空間感。學(xué)習(xí)曲線球的打法，熟練掌握利用多種不同球路以適應(yīng)復(fù)雜的球場自然環(huán)境，其中包括風(fēng)向、球道坡度、障礙區(qū)，等等，讓學(xué)生身臨其境置身球場，學(xué)習(xí)實(shí)際球場實(shí)戰(zhàn)的競賽策略。這個(gè)系統(tǒng)將彌補(bǔ)高爾夫18洞場地教學(xué)的不足，以及相對高爾夫?qū)I(yè)教學(xué)更全面地進(jìn)行院校裁判方法及競賽3D模擬的學(xué)習(xí)，這也正是虛擬仿真球場對于高爾夫18洞教學(xué)的里程碑式的改革，讓更多的學(xué)生在“足不出戶”的情況下更加直觀地感受高爾夫運(yùn)動帶來的快樂。

圖5 高爾夫場地訓(xùn)練示意圖

4 虛擬仿真高爾夫應(yīng)用效果反饋

4.1 虛擬仿真應(yīng)用于高爾夫技術(shù)教學(xué)中是教學(xué)環(huán)境和方法的創(chuàng)新

通過案例學(xué)習(xí)，使學(xué)生充分了解高爾夫球的飛行原理，從多個(gè)變量里找到影響高爾夫球飛行的因素，通過綜合判斷來發(fā)現(xiàn)高爾夫揮桿動作帶來的問題。通過實(shí)地高爾夫場地教學(xué)，首先提高學(xué)生對實(shí)際場地的認(rèn)知，用1：1的真實(shí)環(huán)境還原球場，實(shí)現(xiàn)高爾夫裁判法的實(shí)地模擬教學(xué)。通過高爾夫慢動作擊球回放，調(diào)節(jié)回放的速度可以清晰地看到動作的每一幀，用劃線和對比揮桿模型的方式，讓學(xué)生對揮桿動作自我評價(jià)以及與同學(xué)間互相評價(jià)，以達(dá)到過程性評價(jià)的目的。在探索性實(shí)驗(yàn)研究中，加深學(xué)生對揮桿動作的理解，最終使學(xué)生掌握高爾夫球的飛行原理及揮桿動作原理，并初步應(yīng)用[5]。

4.2 虛擬仿真系統(tǒng)大數(shù)據(jù)為高爾夫教學(xué)提供了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?xùn)練平臺

通過“Bravo/Golfzon Sensor-System高爾夫虛擬仿真測速系統(tǒng)”“Bravo高爾夫揮桿視頻分析系統(tǒng)”兩個(gè)平臺，每一次練習(xí)場地的揮桿動作，可以為評價(jià)揮桿動作提供20組以上的數(shù)據(jù)，至少50幀的畫面來記錄。通過大數(shù)據(jù)的整理和分析，為科學(xué)地訓(xùn)練，提高運(yùn)動員的運(yùn)動表現(xiàn)有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。所以，直觀的視頻教學(xué)、VR教學(xué)、人機(jī)互動、APP視頻存儲分析，等等，為傳統(tǒng)的課堂技術(shù)教學(xué)提供了更加豐富的平臺，為運(yùn)動員的科學(xué)訓(xùn)練提供了更多可以參照的客觀數(shù)據(jù)。“數(shù)據(jù)教學(xué)法”在教學(xué)中無處不在，可以為教學(xué)、科研及訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)通過本虛擬仿真系統(tǒng)傳遞給學(xué)生，指導(dǎo)學(xué)習(xí)揮桿動作、評價(jià)揮桿動作、教授揮桿動作，幫助掌握技術(shù)要領(lǐng)，明白揮桿原理，進(jìn)行自我糾錯(cuò)、互相糾錯(cuò)，從而提升教學(xué)效果。

4.3 通過虛擬仿真系統(tǒng)的擊球數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新教學(xué)評價(jià)體系

高爾夫虛擬仿真系統(tǒng)是具有良好的自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，通過動作回放分析球的飛行路線，相關(guān)數(shù)據(jù)庫存儲學(xué)生擊球的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為終結(jié)性評價(jià)提供評價(jià)基礎(chǔ)，提高獨(dú)立操作儀器設(shè)備人員技能培訓(xùn)的效率。實(shí)現(xiàn)虛擬線下儀器操作中關(guān)于數(shù)據(jù)庫建立、參數(shù)設(shè)置、場景選擇和實(shí)驗(yàn)記錄等全過程的考核評價(jià)，有望實(shí)現(xiàn)線上學(xué)習(xí)，線下操作的功能。創(chuàng)新的評價(jià)體系助推了學(xué)生對創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的激情，提高了學(xué)生的動手能力。

4.4 虛擬仿真系統(tǒng)的使用是對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

本文所涉及的高爾夫虛擬測速仿真系統(tǒng)針對的是具體的教學(xué)實(shí)踐活動，學(xué)生通過高爾夫虛擬測速仿真系統(tǒng)進(jìn)行練習(xí)后，解決了高爾夫技術(shù)教學(xué)中最大的短板，讓學(xué)生足不出戶即可實(shí)現(xiàn)18洞場地的仿真練習(xí)，通過大數(shù)據(jù)分析及實(shí)時(shí)的動作回放，完成動作精細(xì)化分析，從而促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的完成。因此，高爾夫測速仿真系統(tǒng)在當(dāng)今高校教學(xué)中是不可或缺的一種教學(xué)手段[6]。

5 高校高爾夫虛擬高爾夫?qū)嶒?yàn)室配備案例分析

高?？梢酝ㄟ^以上設(shè)備的空間配備及系統(tǒng)的造價(jià)選擇配備適合本學(xué)校的高爾夫模擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生更加直觀地體驗(yàn)高爾夫運(yùn)動，利用學(xué)校有限的教育資源，如閑置的教室，打造高校內(nèi)專業(yè)的高爾夫教學(xué)平臺，根據(jù)學(xué)校的具體經(jīng)費(fèi)選擇配備與之相對應(yīng)的儀器。以下通過兩個(gè)案例來分析高校虛擬高爾夫?qū)嶒?yàn)室的配備方案。

案例一：以低端模擬器為主，室外練習(xí)為輔。某高校有20萬教學(xué)經(jīng)費(fèi)，利用學(xué)校閑置空間500 m2建立高爾夫?qū)嶒?yàn)室，購買20臺紅外線監(jiān)測模擬器（5 000元/臺）共計(jì)10萬元，裝修及相關(guān)設(shè)備費(fèi)用10萬元，基本可以滿足一個(gè)自然班的教學(xué)，兩人一組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)上課，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果的最大化。

案例二：以中高端模擬器為輔，室外練習(xí)為主。某高校有20萬教學(xué)經(jīng)費(fèi)，利用學(xué)校閑置空間50 m2建立高爾夫?qū)嶒?yàn)室，購買2臺（8萬元/臺）高速攝像監(jiān)測模擬器，共計(jì)16萬元，裝修費(fèi)用共計(jì)4萬元。監(jiān)測設(shè)備可以滿足課程的技術(shù)教學(xué)分析，學(xué)生主要在室外的打擊籠和練習(xí)場練習(xí)，高爾夫模擬器作為虛擬課堂的教學(xué)方式而非學(xué)生的主要練習(xí)方式。

從以上兩個(gè)案例可以看出，高校在教學(xué)經(jīng)費(fèi)相似的條件下，可以根據(jù)學(xué)校高爾夫課程教學(xué)目標(biāo)以及本校的實(shí)際條件（場地條件、教學(xué)環(huán)境等）選擇產(chǎn)品來配合教學(xué)。根據(jù)實(shí)際情況，高校高爾夫的教學(xué)一般遵循的原則有：首先，根據(jù)課程的目標(biāo)來合理分配高爾夫課程教學(xué)的經(jīng)費(fèi)總額。其次，明確室內(nèi)虛擬高爾夫練習(xí)在高爾夫教學(xué)中的比重，從而分配室內(nèi)、室外學(xué)習(xí)和練習(xí)的時(shí)間。最后，根據(jù)市場上高爾夫虛擬仿真器材的造價(jià)合理配備相應(yīng)的教學(xué)器材。

6 結(jié)語

虛擬仿真系統(tǒng)在高校高爾夫教學(xué)中的應(yīng)用須要從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)合理建設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。第一，利用學(xué)校閑置教學(xué)資源，建立虛擬高爾夫技術(shù)教學(xué)基地，以提高教學(xué)場地利用率及彌補(bǔ)實(shí)地場地教學(xué)的不足。第二，以高速攝像感應(yīng)監(jiān)測器為主流，充分利用虛擬高爾夫監(jiān)測系統(tǒng)所提供的大數(shù)據(jù)，提高學(xué)生對動作技術(shù)學(xué)習(xí)的分析和自我糾正能力。第三，通過虛擬高爾夫訓(xùn)練，參與全國校際高爾夫在線競賽及世界高爾夫模擬競賽，培養(yǎng)學(xué)生的競爭拼搏精神，提高學(xué)習(xí)的興趣和能動性。第四，建立專業(yè)的高爾夫虛擬實(shí)驗(yàn)室，有條件的學(xué)?？梢砸M(jìn)體感監(jiān)測系統(tǒng)，如K-VEST、AMM-3D；視頻回放教學(xué)系統(tǒng)，如V1數(shù)字監(jiān)控教學(xué)系統(tǒng)（V1 Digital Video Coaching System）、Swing Catalyst；推桿監(jiān)測系統(tǒng)，如SAMPUTT作為補(bǔ)充。第五，可通過建立校際共享機(jī)制，共享高爾夫?qū)嶒?yàn)室的教學(xué)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的最大化利用。