虛擬仿真模擬技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王 平 陳玉平 李戰(zhàn)華

杭州師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，浙江 杭州 311121

在國外，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到大學(xué)課堂的教學(xué)中，而在國內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于教學(xué)，尤其是實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中才剛剛起步，將掀起新的教育教學(xué)理念，對于運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)課而言，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，在很大程度上降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對環(huán)境或場地的要求，同時降低了實(shí)驗(yàn)耗材、還可達(dá)到“取之不盡，用之不絕”的效果，同時增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的安全性，且可反復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至成功，也可同時進(jìn)行多人運(yùn)動、同時監(jiān)控多人生理指標(biāo)、體能測試等功能，對推動運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、創(chuàng)新運(yùn)動生理學(xué)教學(xué)模式具有重要作用。[1]故本研究以提高學(xué)生對運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí)和教學(xué)效果為目的，觀察虛擬仿真技術(shù)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分的理論成績、實(shí)驗(yàn)技術(shù)成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績等指標(biāo)，檢驗(yàn)對教學(xué)效果的影響，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供一定的理論依據(jù)。

1 教學(xué)對象與分組

我校體教專業(yè)學(xué)生是經(jīng)過高考的同一批次錄取，高中修過生物學(xué)者，且第一學(xué)期運(yùn)動解剖學(xué)期末分?jǐn)?shù)無顯著性差異者，共40名，按照隨機(jī)數(shù)據(jù)的形式分為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組，每組各20名。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

依據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程大綱的要求，結(jié)合體育專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和要求，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生，課前要求預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，課中實(shí)驗(yàn)員根據(jù)每個實(shí)驗(yàn)的要求準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需物，教師示教、學(xué)生觀察，隨后學(xué)生按照分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對虛擬仿真模擬組的學(xué)生，課前使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行預(yù)習(xí)、了解本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟練操作方法、學(xué)習(xí)操作過程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且分辨出重點(diǎn)和難點(diǎn)，課中教師講解、示范、然后學(xué)生進(jìn)行自己操作。課后兩組實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行理論測試，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能測試和部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫，最后由同一個教師批改，給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

3 教學(xué)效果的檢測指標(biāo)

（1）理論考核：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，針對本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容采用同樣的試卷對2組學(xué)生進(jìn)行理論考試，題型包括填空題、選擇題、判斷題、分析題和論述題，每個實(shí)驗(yàn)包括3種不同的題型，如運(yùn)動與身體機(jī)能的測定，滿分共30分；

（2）實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，針對本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容分為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟和分析與討論，如運(yùn)動與身體素質(zhì)，滿分為10分；

（3）技能考核：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行操作技能和過程指標(biāo)評價考核，虛擬仿真模擬組和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組的考核標(biāo)準(zhǔn)均采用《普通高等學(xué)校體育教育專業(yè)主干課教材配套的運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》的實(shí)驗(yàn)要求作為評分標(biāo)準(zhǔn)，如實(shí)驗(yàn)方法是否熟練、過程是否順利，組內(nèi)人員配合是否默契，如運(yùn)動與能量消耗，滿分共20分；三種測試形式的時間均為20分鐘，當(dāng)場進(jìn)行當(dāng)場收回。

4 統(tǒng)計(jì)方法

采用Spss21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，組內(nèi)比較采用配對t檢驗(yàn)，顯著性差異以 p＜0.05 表示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1顯示，運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組的理論成績進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組的學(xué)生理論成績無顯著性差異（p＞0.05），但經(jīng)過32學(xué)時實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，虛擬仿真模擬組的理論成績顯著高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組（p＜0.05）；運(yùn)用配對t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組的理論成績分別進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)前、后的理論成績未見發(fā)生顯著變化，但虛擬仿真模擬組學(xué)生的理論成績在實(shí)驗(yàn)后顯著高于實(shí)驗(yàn)前（p＜0.05）。

表1 兩種實(shí)驗(yàn)前后的理論成績比較（x±s）

表2顯示，運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績無顯著性差異（p＞0.05），但經(jīng)過32學(xué)時實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績顯著高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組（p＜0.05）；運(yùn)用配對t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績在實(shí)驗(yàn)前、后未見發(fā)生顯著變化，但是虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績在實(shí)驗(yàn)后顯著高于實(shí)驗(yàn)前（p＜0.05）。

表2 兩組實(shí)驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績比較（x±s）

表3顯示，運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組的實(shí)驗(yàn)技能成績進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能成績無顯著性差異（p＞0.05），經(jīng)過32學(xué)時實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能成績顯著增加（p＜0.05）；運(yùn)用配對t檢驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組和虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能成績進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能成績在實(shí)驗(yàn)后顯著增加（p＜0.05），但虛擬仿真模擬組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能成績在實(shí)驗(yàn)前后無顯著性差異（p＞0.05）。

表3 兩組實(shí)驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)技能成績比較（x±s）

6 分析與討論

本研究采用虛擬仿真模擬技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，理論考試成績方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的考試成績顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的成績，促進(jìn)了教學(xué)效果，提示，虛擬仿真模擬技術(shù)的實(shí)施是有效的、且教學(xué)設(shè)計(jì)方面是合理的，可在運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中繼續(xù)使用和廣泛推廣，本研究結(jié)果與王君[2]的研究結(jié)果一致，他們采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對護(hù)理專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的使用可顯著增加學(xué)生的理論考試成績。

為了進(jìn)一步檢測虛擬仿真模擬技術(shù)在運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的效果，本研究采用虛擬仿真模擬技術(shù)繼續(xù)對運(yùn)動生理學(xué)部分實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫的形式進(jìn)行考核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真模擬技術(shù)的教學(xué)對部分實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績顯著增加，說明采用虛擬仿真模擬技術(shù)的提前預(yù)習(xí)、對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)方法的模擬預(yù)習(xí)均起到積極的作用，為正式實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作等方面均起到了無縫對接的功效，此外，該虛擬仿真模擬技術(shù)的逼真性、交互性和靈活性等特點(diǎn),[3]可增強(qiáng)體育專業(yè)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的興趣和積極性，進(jìn)而更深的了解實(shí)驗(yàn)的目的、過程和結(jié)果，提高實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績。

虛擬仿真模擬技術(shù)使用的教學(xué)效果好，分析其原因，可能是以下幾點(diǎn)：（1）每個模塊包括虛擬訓(xùn)練場景、生理生化數(shù)據(jù)采集和不同的項(xiàng)目鍛煉，如電子健身游戲能量測試系統(tǒng)中有瑜伽、有氧運(yùn)動、平?jīng)_運(yùn)動等模式；敏捷反應(yīng)測試訓(xùn)練系統(tǒng)中有籃球運(yùn)球和足球守門等技術(shù)；動態(tài)平衡測試系統(tǒng)中有車流中躲避車輛、蜜蜂扎氣球等游戲。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種運(yùn)動項(xiàng)目包括籃球、網(wǎng)球、馬拉松等運(yùn)動的模擬，且運(yùn)動的真實(shí)感很強(qiáng)，規(guī)避了運(yùn)動場地限制的缺點(diǎn)；（2）可避免運(yùn)動項(xiàng)目對抗的危險(xiǎn)性，如人機(jī)互動的拳擊運(yùn)動；（3）可對多名學(xué)生的心率、血壓進(jìn)行同時監(jiān)測，節(jié)省時間；（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生還可進(jìn)行反復(fù)練習(xí)以達(dá)到熟練掌握實(shí)驗(yàn)的整個操作技術(shù)；（5）由于虛擬仿真模擬系統(tǒng)中含有視頻動畫，可促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和提高學(xué)習(xí)的參與性和積極性；（6）學(xué)生可通過模擬實(shí)驗(yàn)的操作進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、可做到舉一反三的效果，從而也能提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。[4]

但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)[5]，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)成績優(yōu)于虛擬仿真的學(xué)生，說明傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高學(xué)生實(shí)際動手能力方面更好，促進(jìn)學(xué)生掌握和熟練實(shí)驗(yàn)操作技能，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于主要是模擬實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)和培訓(xùn)方面相對較弱。且該結(jié)果同樣在王君[2]等人的研究中也得到證實(shí),提示，在運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)可對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到促進(jìn)和輔助作用。

7 展望

將虛擬仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可不受實(shí)驗(yàn)室場地的限制、也不受時間和空間的限制、且可模擬多種運(yùn)動項(xiàng)目，使運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更加生動有趣，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立思考能力，最終，很大程度上提高了學(xué)生在運(yùn)動生理學(xué)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。但是，值得我們注意的是，虛擬仿真模擬技術(shù)不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，它可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充、進(jìn)一步完善和拓展。故我們以后可以開發(fā)更多、更好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，為運(yùn)動生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容服務(wù)。