鞠明杰， 曾 理， 王 静

(华东理工大学 体育科学与工程学院，上海 200137)

0 引 言

体育教育在高校教育中举足轻重，而体育课则是高校体育教育的主要组织形式和重要载体，是所有专业的基础课程之一[1-3]。现阶段我国创新驱动型经济发展趋势明显，对人才类型的需求也逐渐转向中高端复合型，这就要求高校在人才培养及教学课程体系构建上要及时调整以适应时代发展需要[4]。我校虚拟仿真教学与实验中心也是基于为社会经济发展领域培养一批具有“终身体育和健康”意识的优秀毕业生，为国家战略需求培养身体素质棒、综合能力强的高端复合型创新人才这一目标而进行。

近年来，不少高校根据自身教学科研的发展需求，开发了相关虚拟仿真项目并建立实验室[5-7]。根据对教育部文件要求详细解读[8]，并考察调研了其他兄弟院校的建设和发展经验，我校体育课虚拟仿真教学与实验中心始终坚持以思维创新为导向、能力培养为核心，不断优化丰富课程内容，建立完整实验教学体系，2017年获批体育课虚拟仿真教学与实验中心，除针对全体本科生开设32课时的公选实验课程外(该实验课程暂无学分)，还将体质健康测试项目和部分专项部分班级的体育课程纳入其中，形成了具有较强示范和应用作用的大学生体育运动虚拟仿真教学与试验平台。平台的开放不仅使学生了解了计算机仿真、计算机图形及处理、人工智能、数字图像处理等多领域的综合性信息技术，也为学生充分掌握多种运动技术、避免复杂技术带来运动伤害、激发运动自主能动性、培养“终身体育”意识提供了现实条件。

1 建设的必要性

1.1 高校体育课现存的不足之处

大学生的身体素质和健康意识对我国民族和社会发展意义重大，合理的大学体育课程内容和教学方式可以为大学生的个人发展奠定健康基础，也可以为国家和民族进步提供人才保障。目前我国高校体育教学质量参差不齐，部分大学毕业生甚至不能掌握一项实质性的体育技能，更遑论“终身体育”的健康理念[9]。为贯彻党的十九大报告关于“培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人”精神，应追本溯源，解决高校体育课教育中存在的问题：①高校体育课程内容设置不合理，一般来讲每门体育课程会包含1～2节理论课，但一项运动所涉及到的理论知识岂是2节理论课所能讲授完全。此外，理论指导通常由教师独立完成，缺少师生互动，课堂枯燥乏味，很难吸引学生深入学习；②高校体育课程教学模式单一，多数体育课仍采取教师演示动作，学生模仿学习的方式，不但缺乏趣味性和互动性的教学方法，不能吸引学生的注意力，而且教师不能掌握每个学生对动作要领的掌握程度。学生注意力不集中很难掌握正确动作要领，这会给学生带来较大的运动受伤风险；③部分体育课程教学场地和器材不足，如学生感兴趣的射击、攀岩、户外拓展和漂流等对场地建设要求较高的项目，滑冰、冰壶和冰球等对开展区域地理位置要求较高的项目，足球、田径和龙舟等对天气要求较高的项目往往都因为面临教学场地和器材不足的问题而不能全面深入开展。④部分学生易发生伤害事故，学生身体素质弱、教师课堂精力有限、预防和保护措施不当等因素也导致课堂安全事故频发。以男生多喜欢的扣篮为例，起跳时的发力原则、空中体型变化及落地时的收力保护措施等动作的完成都具有一定的危险性[10]。

1.2 虚拟仿真技术在体育领域应用

现阶段虚拟仿真技术在体育领域的研究和应用，主要体现在体育训练和体育教学上。在体育训练方面，文献[11-14]中有关学者认为，采用虚拟仿真技术进行体育项目训练的优势主要表现在：彻底打破时间、空间、场地和环境对运动员和运动项目的限制，在练习和掌握技术要领的同时，最大程度地降低训练高难度和复杂技术动作潜在的运动损伤风险；可以对运动员整体动作和技术细节进行提取、分析并给出科学的评价和建议，不断提高运动训练的科学性和系统性；可以使青少年和大学生运动员对技战术有更深刻的理解，并 以此提高其训练水平和综合素质，为我国竞技体育后备人才储备做出贡献。

在体育教学方面，虚拟仿真技术在高尔夫教学上应用较多，如宋巍[15]以虚拟仿真技术获取了高尔夫球击球过程中击球速度、击球角度、杆头运动轨迹和球飞行距离等数据并以之辅助教学。结果表明，以虚拟仿真技术辅助训练的初学者在击球速度和球飞行距离两个指标上明显优于对照组，并且击球稳定性也更好。潘永刚[16]也将虚拟仿真技术应用到高尔夫课堂上，应用结果表明，同为初学者的实验组学生，其7号铁杆多项击球数据明显优于对照组。此外，还明确提出虚拟现实技术对技术动作的修正和掌握有积极作用，对提高技术课教学质量有显著效果。卢劼[17]采用高尔夫球仿真模拟器进行分班教学，结果表明：实验组在推杆稳定性和完整击球技术动作的规范性都优于对照组，且差异显著。

1.3 体育课引入虚拟仿真技术的必要性

在高校体育课上引入模拟仿真手段是极为重要且必要的，不但可以向学生展示现实课堂上教师无法展示的高难度、高风险的技术动作，而且通过仿真模拟训练和现实真实运动训练相互结合，让学生既可以通过仿真模拟设备进行预练习，了解仿真模拟设备原理、掌握基本技术动作要领，也可以自行制定运动模式，然后再到现实中进行实际运动训练，这样可以提高大学生的学习兴趣和主观运动能动性，提高课堂效率和运动效果。同时，也可以让学生先在现实中进行简单动作的训练，再进行虚拟仿真练习，这样可以复习和加深对技战术和技术动作的理解，提高肌肉记忆水平，有效提高体育课堂教学水平和学生整体专项素质。

2 虚拟仿真技术在体育课教学中的实践

我校虚拟仿真教学和实验面向所有专业本科生，包括实验操作公选课、体质健康测试课和部分专项体育课，为大学生体质健康测试、运动损伤与康复理论课、体育项目技战术理论课及专项体育课实践教学提供实验支撑。目前我校虚拟仿真教学体系涵盖6个体测项目(肺活量、立定跳远、坐位体前屈、引体向上、50 m跑和1 000 m/800 m跑)和7个专项体育课项目(龙舟、乒乓球、羽毛球、篮球、足球、排球、网球)。虚拟仿真技术在高校体育课的教学实践应用中，可以真正实现虚拟人物临场化，虚实环境互动化，运动项目全面化。在此基础上，教学内容、学生能力培养和教学模式均发生明显改变。

2.1 深化教学内容改革，提升学生学习效果

动作规范、正确是教学内容的必然要求，也是目前高校体育课教学的重点和难点:①教师自身难以保证动作的规范性及教师之间客观上存在的教学水平差异；②部分强调速度的连续动作，如网球、羽毛球的“杀球”和篮球、足球的突破过人等，在现实中无法通过慢速动作展示给学生。而虚拟仿真技术可有效解决上述问题，将动作准确、规范的明星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，利用成像技术展示给学生并使得其获得标准动作的直观认识，同时在学生身上安置电子肌肉贴片，将学生的技术动作模拟在计算机上，并与标准动作比照，从而矫正错误动作，并使规范动作定型；并通过画幅速率近5 000帧/s的3D虚拟摄像机将高速度的技术动作以慢速播放形式清晰地展示给学生学习、理解并掌握，此外，足篮排等团体项目中，学生可通过调整虚拟场景的角度和方位全面观察和分析非控球队员的跑位、保护和防守等规范技术动作。

2.2 培养学生“终身体育”的意识

虚拟仿真实验以往多是实际操作和工艺流程的虚拟化、网络化，学生很难参与其中并形成互动。虚拟仿真教学与实验中心在教学手段及形式上形成较大突破，通过将虚拟仿真实验同理论教学、技术动作练习和综合创新运用深度融合，以理论学习、运动表现及综合运用能力培养为核心，以“终身体育”意识养成为目标，使之成为创新型人才培养体系的重要组成部分。

在基础理论和专项技术教学中，教师在虚拟仿真系统中根据学生数量自动生成同等数量不同内容的思考题，并提前一周将部分线上虚拟仿真课程和思考题开放给学生，引导学生在仿真实验中思考，而后带着结论进入课堂同授课教师共同讨论、展示，结合标准答案和仿真模拟实验操作(见图1)，进一步深化对基础知识的理解和技术动作的掌握，培养学生自主深入学习的能力。

图1 实验创新模式实践

在创新模拟仿真教学中，充分挖掘体育项目的竞争和娱乐属性，在课堂上虚拟真实比赛和运动场景，对部分团队项目，如足、篮、排等，采取“对战”模式，即可由学生自由组队，相互对抗，也可由教师建立一支实力较强的虚拟球队，由学生队伍轮番与其对战，并考察每支学生队伍的综合表现。这样即激发了学生参与运动的热情，又使学生在运动中理解了体能及科学锻炼习惯的重要性，从而实现其“终身体育”意识的培养。

2.3 改变传统教学模式，提升本科教学质量

传统体育课教学模式单一化、公式化，引入虚拟仿真技术可将教学、认知、情感体验整合成学生可以自主学习并自我进步的交互式教学机制(见图2)。这种新模式突破了传统教学方法上对技术动作要领的机械记忆，而是强调加强理论知识学习，培养学生的运动项目整体思维和理念，即掌握运动项目理论、技术动作和技战术并熟练运用之后能进行创造性的深化和延伸，达到具备一定的教学能力的目的；这种新模式还改变了传统教学中教师所传授内容抽象、空洞和过于晦涩的弊端，有利于形成积极、热烈、娱乐性强的课堂氛围，提升学生思维的积极性和创造性，促进学生自我学习并有助于形成团队学习氛围，学生更容易理解和掌握教学内容的重点和难点，可以正确的自我评价，发现问题积极改进并不断进步。虚拟仿真技术真正实现将科技和体育深度融合，将课堂上抽象晦涩的理论知识、动作要领和技战术具体化、形象化，将学生的视、听、触觉等融入到具体学习中，大大提升了体育课教学质量。

图2 虚拟仿真技术对体育课的有效教学模式

3 虚拟仿真技术在体育课教学中运用成效

3.1 实验对象

每个项目实验组和对照组均选自于我校大二非体育学院公共体育整班，实验周期为一学期共36学时(见表1)。

表1 实验项目选取及参与学生情况

3.2 运动练习处方

实验组：①根据运动动作技能的形成规律[18]，分别在第6周粗浅掌握动作阶段、第10周动作巩固阶段和第14周动作熟练运用阶段，利用环屏技术动作模拟分析系统对学生进行技术动作诊断和纠正；②课内组队互助学习，实验组学生可在课余时间进入实验室利用该系统进行技术动作的诊断、纠正和练习；③利用华为运动APP布置学生课后30 min有氧跑，休息10～15 min后再进行5 min冲刺跑，每周2次；④每周2次力量训练，训练内容：6组自重深蹲+6组40 kg×20快速深蹲+6组自重硬拉+6组40 kg×15卧推+6组20 kg×10挺举；

对照组：依然采用传统课堂教学模式，不刻意改变学生课后生活节奏和锻炼习惯，以课堂教师演示、学生模仿、教师凭经验判断并纠正学生技术动作为主要表现形式。

3.3 实验指标测量(见表2)

表2 实验测试项目及测量途径

3.4 实验结果与分析

3.4.1 实验前实验组与对照组的差异性检验结果与分析

从表3可以看出，实验前各项目实验组与对照组在理论知识、体能和运动技能水平等指标的P值都大于0.05，可以认为实验组和对照组在上述指标上无差异，属于同质样本。

表3 实验前各项目实验对象各指标独立样本T检验

注：P<0.05为有统计学差异，P<0.01为有显著统计学差异，P<0.001为有极其显著的统计学差异

3.4.2 实验后实验组与对照组的差异性检验结果与分析

从表4可以看出，实验后在理论课《运动损伤与康复》考试成绩上，男生实验组平均分为88.36，对照组平均分为73.65，经过T检验，P值为0.000；女生实验组平均分为84.69，对照组平均分为71.43，经过T检验，P值为0.015。由此表明，实验后实验组男生与对照组男生在理论课学习上有极其显著性差异(P<0.01)；实验后实验组女生与对照组女生在理论课学习上有显著性差异(P<0.05)。

此外，实验后实验组与对照组在体能维度的人体平均功率上，测试数据经T检验后，男生组和女生组P值分别为0.000和0.008，表明实验组与对照组均有极其显著性差异，在1 km、人体最大功率和人体最大摄氧量上，测试数据经T检验后，男生组P值分别为0.042、0.035和0.028，女生组P值分别为0.034、0.048和0.036，表明实验组与对照组均有显著性差异。

表4 实验后各项目实验对象各指标独立样本T检验

技能维度的四组数据表明，篮球项目实验组与对照组测试数据经T检验后P值为0.000，表明二者有极其显著差异，足球、网球和羽毛球项目各自测试数据经T检验后，P值分别为0.021、0.042和0.032，表明足球、网球和羽毛球项目的实验组和对照组有显著差异。

4 结 语

随着教育部提出虚拟实验室校园建设的发展目标，虚拟仿真技术运用到高校体育课堂教学及训练中顺应了教育信息化发展潮流。中心充分利用自身学科和资源优势，为具备“终身体育”意识的创新型人才培养提供成长土壤和成材环境。始终坚持“虚与实相结合，理论与实践相结合”的教学和育人理念，在课上和课后以各种虚拟仿真技术对学生进行激励，改变了传统教学模式，优化了整体教学过程，提高了教学效率，激发了学生兴趣；始终坚持创新人才应具备“终身体育”意识的培养理念，一手抓学生运动表现能力(身体素质)，一手抓学生技战术综合运用能力(创新能力)，努力做到“两手硬”以更好地支撑我校“双一流”建设。