虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用研究

(许昌学院 体育学院， 河南 许昌 461000)

较之其他专业，体育专业具有其自身的特殊性，主要体现在体育专业需要掌握足球、篮球、排球、田径、武术、体操、游泳等运动项目的理论、技术、战术即术科.毋庸置疑，当前我国体育专业术科课堂教学存在着一些问题：(1)在教学内容方面，我国体育专业术科课堂教学内容大多是来源于70年代末、80年代初的全国体育院校统编教材，经过多年发展虽然内容有所更新，但总体来看仍然较为陈旧，与当前大、中、小学学生等教学对象的实际体育需求脱钩.运动项目主要是以传统的竞技运动项目如足球、篮球等为主，并未普遍引入教学对象感兴趣、爱参与的新兴时尚运动项目.(2)在教学手段方面，体育专业术科课堂教学长期以来都是以教师为主、通过讲解示范的教学形式传授术科技术，从而导致技术教学容易流于形式化，普遍忽视基本动作规范性.(3)在教学设施方面，教学场地、设施、器材等往往受限于教学经费不足的刚性约束难以满足教学所需，特别是近年来新兴的网球、高尔夫等对场地设施要求较高的项目.(4)在教学评价方面，体育专业术科课堂教学主要采用的是终结性评价的形式，而注重专业学生术科学习过程成效的过程性评价等还是未能占据主导地位.在构建“体育强国”、“健康中国”的新时代背景下，社会更加迫切的需要高素质的体育专业人才，由此如何提高体育专业术科课堂教学质量成为提升体育专业术科教学质量的关键问题之一.目前理论界已有一些学者对于虚拟仿真技术引入体育专业术科教学进行了探讨，这些研究成果均认为虚拟仿真技术引入体育专业术科教学具有必要性和可行性，能够解决当前体育专业术科教学中所存在的一些问题，这些理论探讨都是真知灼见，但是现实应用性不足，本研究主要探讨虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中如何运用的问题.

1 虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中运用的必要性

1.1 规避教学中的意外

体育专业术科所涉及的运动项目较多，这些运动项目既包括散打、搏击等一些对抗性很强的项目，也包括游泳等危险性较高的项目，此外田径项目中的标枪、铅球、链球等对于同一场地内的其他同学或人员也易造成人身伤害.由此为避免出现教学意外，一些开设体育专业的院校在其术科课堂教学中往往将这些项目摒弃，或是缩减这些项目的课时与场地.通过虚拟仿真技术如在训练室内设置虚拟的项目训练场景、条件，就可以有效规避术科课堂教学中可能出现的意外与风险，从而使体育专业学生能够习得术科项目技术并熟练之.

1.2 减少场地设施条件的限制

在体育专业术科课堂教学中引入虚拟仿真技术可以减少场地设施条件的限制.例如据本研究了解，目前国内已有23家体育专业院校开设了高尔夫球课程，但是拥有专业高尔夫练习场的院校寥寥无几，仅有上海体育学院、武汉体育学院等几家老牌体育专业院校以及临沂大学等新建校区的高校.由此一些院校已经通过虚拟仿真技术进行高尔夫球项目教学，如杭州师范大学体育与健康学院利用其国家级的运动健身科技虚拟仿真实验教学中心进行高尔夫球的虚拟仿真教学.又如一些运动项目如滑雪的场地设施具有季节性的特征，由此沈阳体育学院、哈尔滨体育学院都积极引入了虚拟仿真技术将滑雪项目的课堂教学转化为全季节性.

1.3 规避高难动作的运动伤害

一些体现高、难、美的运动项目如体操一直以来都是体育专业术科教学的主要对象，然而在这些运动项目的课堂教学过程中往往因为一些高难动作导致学生遭受运动伤害，甚至终身残疾.通过虚拟仿真技术对项目训练器材设施进行合理改造，能够使得受训的学生规避高难度动作可能导致的运动伤害，并且能够帮助受训的学生打破畏惧心理，可以放心大胆的去练习动作并精益求精不断熟练、优化.

1.4 适应课程教学改革的新趋势

党的十九大明确提出在新时代我国要加快推进“体育强国”、“健康中国”建设.体育专业在此背景下需要进行课程教学改革，由此提升人才培养质量满足“体育强国”、“健康中国”建设所需.另一方面，随着现代教育技术的不断推陈出新，许多新兴的教育理念和模式产生，将虚拟仿真技术引入课程教学对被教育者进行视觉、听觉、触觉以及知、情、意的全方位刺激与体验，从而使课程教学达成交互式、网络式并实现翻转课堂的目标.体育术科课堂教学因课程内容即运动项目的运动性、参与性、重复性、团队性、复杂性、体验性、多重感官协调作用性等特征，尤其适用于虚拟仿真技术进行教学模式的改革，从而提升术科课程教学质量.

2 虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中运用的原则

2.1 围绕学习运用多重教学资源的原则

虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中运用的原则之一就是围绕学习运用多重教学资源的原则.从教学论的角度来看，既往的体育专业术科课堂教学主要是教师作为主体通过师傅向徒弟传授技艺的方式进行运动项目的理论、技术、战术教授活动，也就是说教师是学生能够获得的主要的且是唯一的学习资源来源，教师本身的有关运动项目的理论、技术、战术水平，教学技能及水平决定了学生运动项目学习质量.在现代教育技术不断运用的当前，将虚拟仿真技术运用于体育专业术科课堂教学，从而将繁杂的教学内容以及枯燥、单一的教学形式转变为生动、真实、有序以及丰富多样的呈现及模拟.另一方面，教师将虚拟仿真技术运用于体育专业术科课堂教学可以通过制作与设计具有强大交互功能的课件如在线课程、MOOC课程等，既能扩展学生对学习资源获取渠道，又能够实现师生在学习方面的信息全时互动及沟通，从而能够在学习情境创设、师生交互沟通、学习资源全时共享、多重教学形式整合运用等方面体现出“以学为中心”，从而使学生在运动项目的理论、技术、战术学习活动中获得课程意义建构、扩展学习资源、优化学习方式进而提升教学质量.

2.2 正确展示运动技术动作的原则

体育专业术科课堂教学主要围绕运动项目的理论、技术、战术而进行，其中技术体现了运动项目人体动作的固有本质，因而成为体育专业术科课堂教学的中心.另一方面，体育专业所培养出来的人才主要是学校体育以及大众健身所需要的教学及指导专业人士，因而对于运动项目技术教学必然要求是动作规范、正确，但在当前由于体育专业术科教师自身动作的规范性难以保障，术科技术教学水平存在客观差异性导致如何使学生习得正确、规范的技术动作是体育专业术科课堂教学的重点、难点，将虚拟仿真技术运用于体育专业术科课堂教学，需要建立正确展示运动技术动作的原则.例如对于体操项目，一是可以通过将技术动作正确、规范的高水平专项运动员通过光学运动捕捉系统获得其技术动作的相关数据，通过三维人体模型进行建模，从而展现在学生面前使得学生能够获得正确、规范动作的直观认识，同时也可以在学生身体上安置电子肌肉贴片，将学生的技术动作模拟下来，通过电子计算机与高水平专项运动员的动作进行比照显示，从而有效的矫正学生错误的动作，并使学生获得正确、规范的动作定型.

2.3 清晰、完整展示展示技术动作的原则

体育专业术科所教授的许多运动项目都强调完成技术动作的速度，如排球的扣球技术动作、篮球的突破过人技术动作、跳高的过杆技术动作、短跑的前倾压线技术动作，然而这些技术动作在现实中很难通过慢动作或慢速展现给学生，由此可以通过虚拟仿真技术来加以解决，例如通过画幅速率高达4 800帧/秒的3DSMAX虚拟摄像机，可以将这些高速率的技术动作以慢动作的形式清晰地显现出来从而有利于学生观看、理解并掌握这些技术动作环节.另一方面，许多运动项目动作由于一侧身体的遮挡导致学生无法形成有关此技术动作的正确动作表象，例如篮球突破过人技术动作中，学生往往只看到运球手的技术动作，对于非运球手由于自身以及防守对象身体的遮挡很难看到相应的保护技术动作.因此采用虚拟仿真技术可以对技术动作进行全方位、多角度的展现，学生可以通过电子计算机的鼠标、键盘等对技术动作选择适宜的方位与角度进行观察和分析.

3 虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用

3.1 设立虚拟学习情境

从认知心理学的角度来看，运动项目的理论、技术、战术的学习与掌握，事实上是学习者与学习环境互动建构的过程，由此在体育专业术科课堂教学过程中必须要通过设立积极参与、互动的学习情境，从而使学生掌握运动项目的理论、技术、战术，并自觉自愿的形成一种开放、自主、互动的学习模式.通过虚拟仿真技术可以在体育专业术科课堂教学中形成一个虚拟学习情境，该情境能够有效促进学生学习：一是通过电子计算机所生成的可视化的运动项目场地、设施、器材以及虚拟的运动员，可以使学生通过视觉来对运动项目的技术动作进行多角度的观察与分析，从而有利于形成正确动作定型的感知；通过语音提示可以使学生了解运动项目的理论基础以及技术动作的要点，从而使学生进一步理解和掌握运动项目技术动作，并对运动项目的战术应用形成一定的认知和理解；通过触觉等可以使学生掌握其自身在现实情境中难以掌握的高难技术动作，从而有利于巩固技术动作(见图1).另一方面，在此虚拟学习情境中，学生可以通过虚拟技术进行高水平运动专项运动员的角色扮演，从而能够全方位、多角度、深体验各类运动项目，由此将自身的课堂学习活动、技术动作实践活动、积极情绪体验以及课余训练等整合为一体，增强学习过程中的趣味性.此外，体育专业术科教师通过虚拟学习情境丰富和扩展术科课堂学习资源，从而使得学生能够进行学习扩展.能够与学生形成有效的互动，有助于交互式学习模式的建构，从而促进教学方式方法的多样化，提升教学质量.

3.2 形成有效的教学模式

虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用，显然是不能依据传统的体育专业术科课堂教学模式来加以实施，需要依据体育专业术科教学的规律和特征来形成有效的教学模式.本研究认为这一有效的教学模式是一个结构化的教学模式，该教学模式是对传统的单一化、公式化体育专业术科教学模式的创新，通过虚拟仿真技术使得体育专业术科教学的教学规律、认知规律以及学习情感体验能够整合形成一个完整的、有利于学生自主学习、自我进步的交互式教学机制(图2).该教学模式在教学方法上由强调对运动项目技术动作的正确记忆转而强调培养学生的运动项目整体思维和理念，即强调运动项目的理论、技术、战术学习、掌握与运用为一体，并能进行创造性的深化与延伸，从而有助于学生运动项目教学能力的形成，同时也能对运动项目形成全方位、多角度的体验并能乐在其中.从教学内容的角度来看，该教学模式能够将传统的、主要在运动场地设施上所教授的、抽象、空洞、晦涩的体育专业术科教学内容转化为具体、形象、易理解的多媒体教学内容，从而使学生能够容易理解教学内容的重难点，提升学生学习的积极性、创造性，给学生思考术科如何更为有效的学习与教学给予了充分的留白.也有利于打破教师教授、学生被动接受的呆板、单调的教学气氛，有利于形成积极、生动、趣味性强的教学气氛，能够促进学生自我学习，有助于形成团队学习氛围，并能形成正确的学习自我评价，积极改进不断进步[1].总之，虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用，能够使得学生在科技与体育的相互交融中感知到复杂、抽象的运动项目理论、技术、战术，有利于将学生的视觉、听觉、触觉等感官体验融入到术科学习之中，从而达到传统的体育专业术科课堂教学难以获得的学习效果红利，实现最佳的教学效果.

图1 体育专业术科课堂教学中的虚拟学习情境

图2 虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的有效教学模式

3.3 实现多重教学目标

图3 虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的多重教学目标

传统的体育专业术科课堂教学目标较为单一，大体都是熟悉和掌握某一运动项目的基础技术动作，能够运用技术动作完成基本的、简单的战术配合等.虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用能够实现多重教学目标(见图3)，主要是情感目标、教学目标以及技能目标.体育带给人的是丰富多样的体验如成功体验、赛场体验、社交体验、攻关体验，然而在传统的体育专业术科课堂教学往往重视技术传授而极少涉及到体验，虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用能够给学生带来丰富的情感体验由此形成了情感目标.虚拟仿真技术在体育专业术科课堂教学中的运用所带来的技能目标也与传统的体育专业术科课堂教学不同，主要体现在镜面刺激、形态刺激、听觉刺激三个方面.所谓镜面刺激是指由虚拟仿真技术与摄影摄像相结合，从而使学生在技能学习过程中可以看到自身的实时影像，犹如镜相一样，能够及时纠正自身的错误动作.所谓形态刺激是指学生能够通过对虚拟出来的高水平专项运动员的动作进行观察和比较，从而能够不断的纠正自身错误动作形态，形成正确、规范的技术动作[2].第三听觉刺激.以往教师在纠错时基本是视觉判断动作所出的问题然后在学生练习过程中应用字、词、口令等提醒学生.虚拟技术实时侦测扫描练习者动作，在出现动作顺序、幅度、方向等问题时可以由不同的人声、音乐、警告来提示练习者纠正其错误动作[3].由此情感目标与技能目标的实现导致教学目标的实现提高综合体育能力.

4 教学个案分析—虚拟仿真技术在体育专业篮球课堂教学中的运用

本研究选取许昌学院体育学院2017级体育教育专业学生一个班共35人作为实验班，将其作为虚拟仿真技术在体育专业篮球课堂教学的实施对象，具体在篮球理论教学、技术教学、战术教学三个方面进行实施.

4.1 虚拟仿真技术在体育专业篮球理论教学中的应用

篮球作为现代竞技体育项目具有悠久的历史，自1891年篮球在美国马萨诸塞州诞生以来已历经一百多年，在篮球漫长的发展历程中形成了不同的发展时期以及不同的风格流派，如美式篮球、欧式篮球等，因此篮球运动沉淀和形成了庞大的理论知识体系，涉及到篮球的进攻、防守两大领域的技术、战术创新，裁判规则的理解与运用，技术动作的力学分析等等[4].正因如此，仅通过体育专业篮球专项教师的PPT理论授课、讲解以及录像教学都不足以使学生掌握篮球这一项目的理论知识体系.本研究通过运用虚拟仿真技术形成了一个专业篮球网络教学系统，该网络教学系统能够在线传输、更新和观看各类篮球教学视频、音频、文字教学资料，也能够进行篮球虚拟游戏以及在线交流，即能够形成一个网络虚拟空间，该空间能够汇集有关篮球运动发展历程、技战术发展脉络、流派风格等理论知识的各类学习资源，学生能够根据自身学习情况和爱好兴趣程度选择适宜的内容来加以学习和扩展.同时对于篮球项目的一些理论重难点内容，如篮球技术动作的力学特征、各肌肉与关节的发力顺序以及人体运动轨迹等，都可以通过虚拟的高水平篮球专项运动员来加以演示，从而使学生掌握这些重难点教学内容，由此能够取得较好的教学效果.

4.2 虚拟仿真技术在体育专业篮球技术教学中的应用

体育专业篮球技术教学在整个篮球课堂教学体系中占据极为重要的地位，掌握正确、规范的技术动作是技术教学的基本教学目标.传统的体育专业篮球技术教学效果好坏取决于多重因素——教师动作讲解与示范的质量好坏，学生对于技术动作要领的理解消化程度，学生技术动作的重复次数等.教师对于学生技术动作掌握好坏的评价方法大体上也就是通过肉眼观察进行主观评价，由此容易产生误差.本研究将虚拟仿真技术运用于体育专业篮球技术教学之中，能够形成一个师生交互式的虚拟教学环境，如教师讲解三步上篮动作时，学生可以通过电子计算机多媒体技术同步观察虚拟情境下的该技术动作运用的身体姿态、发力角度、发力力度以及发力顺序等，从而使学生观看到正确的技术动作，并且可以给学生的相应的肢体贴上电子肌肉贴片，让学生进行该技术动作的实际操作，然后由虚拟设备记录下学生的身体姿态、发力角度、发力力度、发力顺序，并与正确、规范的动作轨迹进行比较，从而使学生更快更准确的掌握技术动作.

4.3 虚拟仿真技术在体育专业篮球战术教学中的应用

篮球运动是一项多人同场对抗的运动项目，在其百年发展历程中形成了丰富多样的战术配合，由此进行体育专业篮球课堂教学必须重视战术教学活动.篮球战术丰富多样、空间感强、直观性差需要有较高的球商才能较好的理解并能运用，因而成为体育专业篮球课堂教学中长期存在的难点.本研究将虚拟仿真技术运用于体育专业篮球战术教学之中，教师可以模拟出若干个基本战术组合行动路线，并通过人机交互设备使得学生能够在战术演练过程中进行交流，使得学生能够在战术演练中各司其职，有效发挥各自的作用.同时也能够通过学生身体佩戴无线电子信号系统将战术行动路线迁移至电子战术面板之上，让学生观摩自身的战术行动路线并与正确的战术行动路线进行比较，从而有利于学生深刻理解和体会战术的思想意图、行动路线指南等，并能在复杂的赛场情况下正确的选择和实施战术.

4.4 虚拟仿真技术在体育专业篮球课堂教学中的效果分析

4.4.1 学习效果分析

为了明确虚拟仿真技术在体育专业篮球课堂教学中的效果，本研究将采取常规体育专业篮球课堂教学形式的许昌学院2017级体育教育专业另一个班作为对照班.在经历过1个学期共72个学时专业篮球课堂教学后，本研究向实验班和对照班的学生发放问卷，了解学生的学习效果.调查结果如表1、表2、表3所示，从中我们可以看出实验班学生在课后对于篮球理论、技术以及战术教学内容所进行的反思、巩固和演练明显好于对照组，说明将虚拟仿真技术引入体育专业篮球课堂教学，能够使得学生获得较好的学习效果.

表1 学生课后反思理论教学内容 单位：%

表2 学生课后巩固技术教学内容 单位：%

表3 学生课后演练战术教学内容 单位：%

4.4.2 教学效果分析

本研究对实验班和对照班采取教考分离的形式进行篮球理论(采用100分制闭卷考试)、技术测试(罚球、1分钟自投自抢、变速变向上篮、半场运球投篮折返跑、15米变向运球折返跑共5个技术项目，每项满分20分，共计100分)采用教考分离的形式进行测试，两个班学生的测试成绩进行独立样本T检验.篮球战术测试则采取组织两个班进行教学比赛，由5名篮球专业教师观赛后对学生战术水平进行打分(满分100分)的形式进行测试.

从表4、表5、表6可知，实验组与对照组在篮球理论教学、技术教学、战术教学3个方面的测试结果都存在显著性差异(t值均>1，P值均<0.05)，说明在经过相同教学课时量的篮球课堂教学之后，采用虚拟仿真技术的实验组教学效果更优.

表4 实验组与对照组篮球理论教学效果的独立样本T检验

表5 实验组与对照组篮球技术教学效果的独立样本T检验

表6 实验组与对照组篮球技术教学效果的独立样本T检验