虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在體育理論課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用思考

楊 磊，吳菊花

近年來(lái)，隨著“健康中國(guó)2030規(guī)劃綱要”的實(shí)施，為充分發(fā)揮全民健身健康促進(jìn)、慢性病預(yù)防和康復(fù)等方面的積極作用，繼續(xù)高質(zhì)量的體醫(yī)融合人才。但目前體育院系的專(zhuān)業(yè)教學(xué)面臨的困境是文化基礎(chǔ)薄弱、理論課學(xué)習(xí)熱情不高、實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于形式等。而近年來(lái)教育的多種領(lǐng)域均已使用了虛擬仿真技術(shù)，如醫(yī)學(xué)、電氣等，醫(yī)學(xué)使用人體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的虛擬環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)者身臨其境的對(duì)虛擬人體器官、虛擬動(dòng)作進(jìn)行虛擬操作，從而達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及興趣、提高教學(xué)質(zhì)量的目的[1-3]。體育生實(shí)踐操作能力較低、缺乏創(chuàng)新精神，嚴(yán)重影響人才培養(yǎng)質(zhì)量，已成為目前體育專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革亟需解決的問(wèn)題，因而，充分利用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，無(wú)疑可為提高體育專(zhuān)業(yè)理論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供新路徑。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)軟件及硬件為基礎(chǔ)、以必要的技術(shù)手段為輔助，通過(guò)對(duì)已知或未知世界的仿真，使人獲得真實(shí)感受的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)則是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給予學(xué)生一種真實(shí)情境，使學(xué)生對(duì)虛擬或仿真的實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行一定虛擬狀態(tài)操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)人群的身臨其境的學(xué)習(xí)反饋，具有多感知性、真實(shí)性、交互性、開(kāi)放性、安全性等特征。

在體育理論課實(shí)驗(yàn)教學(xué)及體育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于實(shí)驗(yàn)操作或教學(xué)實(shí)踐可能受到師資、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)耗材等的限制，可能存在部分學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作，而通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)，則可彌補(bǔ)這些條件局限性，從而提高學(xué)生實(shí)踐操作及創(chuàng)新技能。由此，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為現(xiàn)代教育發(fā)展的趨勢(shì)，有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1.1 開(kāi)辟生動(dòng)逼真、高效安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)運(yùn)用計(jì)算機(jī)全面仿真人體結(jié)構(gòu)和人體動(dòng)作, 為體育生提供生動(dòng)、逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。例如運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)動(dòng)作分析教學(xué)，由于各種技術(shù)動(dòng)作是在一個(gè)三維環(huán)境中完成，骨骼、關(guān)節(jié)、骨骼肌相互配合、相互牽制，同時(shí)與人體神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等又是一個(gè)整體，學(xué)生理解和掌握起來(lái)比較抽象和困難，人體虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)通過(guò)三維軟件技術(shù)可進(jìn)行人體骨骼模擬、關(guān)節(jié)模擬、各肌肉群模擬及運(yùn)動(dòng)模式的虛擬建造，可提供生動(dòng)、安全學(xué)習(xí)情境，將抽象理論知識(shí)形象化，解決實(shí)際無(wú)法解決難題，進(jìn)而突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸，以此激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，使專(zhuān)業(yè)理論課實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有交互性、高效性。

1.2 突破時(shí)空局限，建設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享

體育理論的教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要特定實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)安排，由此方可順利開(kāi)展其實(shí)驗(yàn)教學(xué)，然而構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)后，則可打破這些局限。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線，學(xué)生可自選、自主參與其感興趣的實(shí)驗(yàn)，并也可利用其空暇時(shí)間完成一些實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境也變得“開(kāi)放性、交互性”。倘若學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程未按時(shí)完成，其也可利用課余時(shí)間利用虛擬仿真系統(tǒng)繼續(xù)操作，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間寬度，有利于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作。

此外，由于教學(xué)條件不同，各體育院系實(shí)驗(yàn)教學(xué)可能存在一定差異性，而構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)則可以促進(jìn)不同體育院系實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，由此可彌補(bǔ)體育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源不足，進(jìn)而促進(jìn)體育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的飛速發(fā)展。

1.3 將演示性實(shí)驗(yàn)變?yōu)椴僮餍詫?shí)驗(yàn)

運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)課程，如運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等課程，所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多屬于演示性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生因參與度不高而缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。虛擬仿真教學(xué)可促使學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“主導(dǎo)者與參與者”，“教”與“學(xué)”相互轉(zhuǎn)換，更大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力起到積極促進(jìn)作用。同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)可以增加學(xué)生多重感官刺激，并通過(guò)學(xué)生的虛擬仿真情境的操作體驗(yàn)，更容易激發(fā)學(xué)生情感參與，讓抽象教學(xué)內(nèi)容留下深刻的記憶。

1.4 節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，減少環(huán)境污染

昂貴先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，嚴(yán)重困擾制約著體育理論課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，標(biāo)本易磨損，且并不能隨時(shí)隨地供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，標(biāo)本量少，而學(xué)生眾多，這往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果差。此外，運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備購(gòu)買(mǎi)及維護(hù)更新成本高，且部分實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所致的廢料可能存在一定污染性。由此對(duì)比，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)則無(wú)須額外增加實(shí)驗(yàn)成本，也不存在實(shí)驗(yàn)材料緊張或過(guò)期等問(wèn)題，可長(zhǎng)期、大范圍重復(fù)使用[4]。

2 體育專(zhuān)業(yè)課教學(xué)引入虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的必要性和迫切性

由于不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的制約，學(xué)生在進(jìn)行體育理論課實(shí)驗(yàn)時(shí)采用虛擬實(shí)驗(yàn)比真實(shí)實(shí)驗(yàn)有更大的優(yōu)越性。教師只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容要求，構(gòu)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，而學(xué)生則可以在實(shí)驗(yàn)課堂或空閑時(shí)間進(jìn)行預(yù)約，可多次地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而加深其對(duì)實(shí)驗(yàn)課程理解與應(yīng)用。此外還可以開(kāi)展一些探索性的綜合實(shí)驗(yàn)，這也有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。由此可知，體育專(zhuān)業(yè)理論課實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前高校體育專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革的迫切要求之一。

2.1 體育專(zhuān)業(yè)理論課傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨困境

體育專(zhuān)業(yè)教育的獨(dú)特之處在于體醫(yī)結(jié)合、理論與實(shí)踐并重，一名合格的健身教練或康復(fù)治療師的成長(zhǎng)除了前期基礎(chǔ)理論知識(shí)的扎實(shí)積累外，更要有后續(xù)的實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))技能的反復(fù)訓(xùn)練和習(xí)得。但目前體育院系的專(zhuān)業(yè)理論課實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)非常有限、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源短缺日益突出，而且目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)多數(shù)為演示性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與度不高，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)在很多情況下流于形式，僅成為理論課的重復(fù)，教學(xué)效果差。雖然一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以在學(xué)生身上進(jìn)行，但采用真人實(shí)驗(yàn)也有較大局限性。

2.2 體醫(yī)結(jié)合對(duì)體育專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提出高要求

體育生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，其文化水平略低而動(dòng)手能力較強(qiáng)，因此，對(duì)其理論知識(shí)學(xué)習(xí)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則起著一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)踐的重要指導(dǎo)作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣，增加理論學(xué)習(xí)能力，提高其技能學(xué)習(xí)。然而，由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器耗材及實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的影響，體育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)往往存在一定局限性；由于體育專(zhuān)業(yè)往往處于經(jīng)費(fèi)不足，這會(huì)導(dǎo)致體育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源存在一定匱乏，有此限制，很多完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)均不能滿足每個(gè)學(xué)生的獨(dú)立完成要求；許多體育學(xué)院受到種種限制，往往僅開(kāi)設(shè)幾個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的理解及對(duì)相關(guān)創(chuàng)新想法都進(jìn)行了極大限制；此外，也有部分學(xué)生過(guò)于重視運(yùn)動(dòng)技能獲得，而不重視理論學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作存在一定誤區(qū)，因此這部分學(xué)生往往更需要以實(shí)驗(yàn)促進(jìn)理論學(xué)習(xí)，由此實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得更為重要[5]。新的體育人才培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生不僅僅要掌握運(yùn)動(dòng)技能，更需要掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的理論知識(shí)，而借助于來(lái)自于實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，則可進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力。

3 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于體育專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程安全無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、高效率、學(xué)習(xí)體驗(yàn)真實(shí)、教學(xué)過(guò)程可調(diào)控以及知識(shí)庫(kù)多樣化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)體育專(zhuān)業(yè)理論課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有著重要意義。體育專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課因其實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)技術(shù)多變性，且可進(jìn)行多方面創(chuàng)新性研究，因此，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可更利于該方面專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課的順利開(kāi)展及創(chuàng)新使用，目前，也已有部分相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)研究，并進(jìn)行了一定測(cè)試，顯示其具有良好實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果；在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，雖然教師教學(xué)過(guò)程中以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際可操作性要求高，需要使用者與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員合作，但將體育專(zhuān)業(yè)理論及實(shí)驗(yàn)知識(shí)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完美結(jié)合，教師在教學(xué)過(guò)程中做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，減少其現(xiàn)實(shí)操作時(shí)出現(xiàn)的失誤問(wèn)題，將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，這必然會(huì)有效提升體育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[6]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已成為一種快速發(fā)展的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和發(fā)展對(duì)于推動(dòng)體育專(zhuān)業(yè)理論課實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)改革、完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足及提高教學(xué)質(zhì)量意義重大。

隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容不斷更新，可逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法完成的教學(xué)功能，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供平臺(tái)，而增強(qiáng)體育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真應(yīng)用，也將為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可持續(xù)發(fā)展注入活力，兩者融合，必將提升體育人才質(zhì)量。