吴菊花 黄江涛

虚拟仿真技术在运动生理学实验教学中的应用探讨*

吴菊花 黄江涛

（广西科技大学体育学院，广西 柳州 545006）

运动生理学教学是体育专业学生必修课之一，在运动生理学教学中，除了课堂基本理论知识教授外，还包括大量实验课程，实验多、成本高。而开发虚拟仿真实验资源，可有效节约了成本，同时提高学生兴趣及参与度，大大提升了实验教学的质量。随着高校新型课程改革推进，将虚拟仿真技术应用于运动生理实验教学将变得更加迫切和重要，有利于推动运动生理学课程建设和教学改革，提升教学质量。

虚拟仿真；运动生理学；应用

运动生理学是体育专业学生必修的一门专业课程，无论本科阶段或研究生阶段，均有所开设，该课程具有一定特点：理论性强、逻辑性强、侧重于运动过程中人体机理机能的应用，为此对于体育专业学生而言，具有十分重要的应用价值，然而多数体育专业学生学习基础较弱，对于运动生理学的学习存在一定困难，因此，许多教师已从多种教学方法、教学途径等方面对运动生理学教学进行探索，努力改善该课程教学效果。随着科学技术与教学技术密切融合，越来越多新颖实用的科学信息技术应用于教学，并给课程教学带来了新视角和新切入点，如虚拟仿真技术，虚拟仿真技术是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，是以计算机软件及硬件为基础、以必要的技术手段为辅助，通过对已知或未知世界的仿真，使人获得真实感受的一种计算机应用技术[1,2]，虚拟仿真技术融合于教学中，可高度改善教学中存在的平面化、文字化、缺乏形象化等问题，可创建3D空间，给予学生更强的知识立体化感受，由此可提升学生的学习热情。运动生理学作为体育专业学生专业知识学习中的一门重要基础理论课程，相较于技术课程而言，存在枯燥、乏味、难理解、难接受等问题，由此在运动生理学教学中融合虚拟仿真技术应用，这可能会较大地改善运动生理学教学效果，提高学生对运动生理学的知识接受度。因此，本文拟从运动生理学的教学现状、虚拟仿真实验在体育专业课程中的应用以及在运动生理学教学中的应用进行综述，进而探讨虚拟仿真实验应用于运动生理学教学的必要性及前景。

1 运动生理学的教学现状

运动生理学是研究人体对运动的反应适应机理机制的体育科学基础理论课程，对于体育相关专业发展而言，具有重要的学科指导作用，因此许多院校十分重视运动生理学的教学，由此运动生理学教师运用各种教学方法、教学技能、辅助教具等，激发学生学习运动生理学的兴趣，进而提升运动生理学教学效果。李旭辉等[3]对参与式教学方法与传统式教学方法进行比较，其中参与式教学方法包括课前准备、课堂参与、反思评价等，而传统式教学则是教师讲，学生听的方式，通过对比发现参与式教学法可积极地激发学生学习乐趣，增强自学能力、理解分析重要知识点的能力，由此可知：参与式教学方法对于运动生理学教学具有良好的应用前景。而莫伟彬等[4]则从教学科研一体化的角度对运动生理学实验课程教学体系构建进行了探究，重在运动生理学教学与科研融合角度，基于创新教育、科学研究作为运动生理学教学主线，这对于运动生理学课程形式、内容的创新提升具有重要指导作用，体育专业学生在学习运动生理学课程时，不仅需要课本知识的指导，也需在此基础上进行知识创新。随着课程网络在线化、微视频技术等的发展，慕课教学模式也随之增多，该教学模式可以为学生提供随时随地学习的机会，由此，李蕊等[5]则通过探讨慕课在运动生理学教学中的应用，拓展原有传统的填鸭式教学方式，可通过慕课的技能导向模式增强学生对运动生理学应用性学习的理解，这无疑也是改善运动生理学教学构架的重要参考模式之一，例如，此次新冠疫情中，慕课教学在运动生理学在线教学中就起着重要的桥梁作用。

通过对文献的查阅发现，除了以上的教学方法或教学模式外，还有其他学者也采用PBL结合案例教学法、雨课堂等增强学生主动性学习等教学方式进行改革[6,7]，以求增强该课程的课堂教学活力，提升学生学习热情，使之较好地掌握该课程知识要点，并灵活运用于实践。然而，在针对运动生理学课程教学中，不同教学模式或教学方法均具有其优点与缺陷，例如在线教学可能存在对学生的现场监督不足、PBL教学模式可能存在课时不足及评价体系不足等，因此，为了更好改善运动生理学教学，我们仍然需要继续寻求更多的教学模式或方法，对其进行增补，尽量达到多面融合，相得益彰。

2 虚拟仿真技术在体育专业课程中的应用

虚拟仿真技术是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，是以计算机软件及硬件为基础、以必要的技术手段为辅助，通过对已知或未知世界的仿真，使人获得真实感受的一种计算机应用技术。自从该技术应用于教学之后，在许多学科中均起着重要指导作用，例如危险性较高的学科、教学成本较高的学科等。与此相应，许多学科也尝试引用该技术进入教学中，以求进一步提升教学效果，体育专业课程也是如此。例如，邵瑞芳对体育专业学生进行虚拟仿真技术教学应用（涵盖田径、高尔夫等项目），以学生的学习兴趣、体能及运动技能作为评估，发现虚拟仿真技术在体育专业术科教学中具有较高的使用价值，可更加实时、直观地改善学生的技术动作，提升技术动作准确性[8]。宋丽则探讨了虚拟仿真技术对竞技体育运动员技术动作的分析、评价等的应用，并探讨了虚拟仿真技术提升运动训练科技含量的相关研究和发展趋势[9]。除了体育专业术科外，虚拟仿真技术也应用在体育基础理论课程中，其作用效果得到较好验证。贺昆等使用桌面式虚拟技术将运动解剖学教学中所需的人体模型、其他教具等模拟至电脑，供学生进行专业课程学习，这拓宽了学生对运动解剖学学习的时间性，此外，学生可在教师的远程指导下反复学习相关知识点，并多次重复实验操作，有效增强学生对运动解剖学的理解度及应用性[10]。此外还有研究者基于体育运动理念，将虚拟仿真技术运用于人体运动的创新，马文超通过在虚拟环境中模拟逼真的人体模型，通过数学建模，构建仿真模型，探讨对人体运动学起关键作用的肌肉和关节点，这更有利于人体进行科学合理的体育运动，进而减少运动损伤发生[11]。

体育专业是一个较特殊的专业，强调理论与实操结合，理论与技术相融合，重在应用。通过虚拟技术构建学习情境，仿真实时情境，可以增加学生对专业课程的亲身体验，丰富扩展学习资源，让学生多方位、多角度、多体验，将理论知识、技术动作、课下学习训练等融合一体，建构交互式学习模式，丰富多样化教学，进而增强学习乐趣，激发学习热情，提升体育专业学生专业素养。

3 虚拟仿真技术在运动生理学实验教学中的应用探讨

在运动生理学教学中，除了课堂基本理论知识教授外，还包括大量实验课程。运动生理学实验教学主要通过教师演示、学生跟学或者模拟操作而完成。与运动解剖学实验教学相比，运动生理学实验教学往往多需要活性样本，且难度、复杂度等略高，例如使用兔子、青蛙等进行活体实验，对肺活量或神经剥离进行实验验证，在此期间，可能由于学生操作不熟练，或对知识点把握不准确，进而导致实验动物死亡，影响实验效果，此外，无形中也会增加实验成本。而采用虚拟仿真实验平台后，则可依据运动生理学实验需求，高度仿真地构建实验模型，仿拟真实的实验样本和实验操作程序，进而减少真实实验可能导致的失误；虚拟仿真平台也可供学生反复、多次进行实验操作，有效控制实验成本。此外，部分运动生理学实验可能会涉及到人体实验，例如，连续采血，监测运动强度等，这可能会导致受试者身体连续承受疼痛感，导致其不适，而采用虚拟仿真实验平台则可以避免该情况产生，并可不间断地反复进行试验。

虚拟仿真实验平台构建于网络平台，其运行使用不拘泥于实验室空间场地，学生在宿舍、图书馆、教室等场所均可凭借账号登录相应虚拟仿真实验项目，这极大地增加了学生学习实验、练习实验的时间和机会，扩展了学生对其实验学习的空间，这无形中也给予学生更多时间去思考实验原理、实验再设计等，也在变相地扩充开放实验室功能；此外，运动生理学实验作为大学生参与科研孵育、创新能力培养的基础课程之一，通过虚拟仿真实平台的空间、时间支持，极大地调动了学生学习运动生理学的乐趣和热情，增加其创新及科研能力培养。例如，在安静与运动过程中心率和血压连续变化章节学习时，由于场地或者器材受限，学生可能无法连续追踪属实分钟内心率与血压的变化，而通过虚拟实验设计，则可以构建数十分钟内心率与血压可能存在的不同变化趋势等，学生可根据相关概念，熟悉理解运动与心率、血压间的关系，并尝试自行设计实验，由此一方面有效巩固了课堂所学，另一方面也增强其创新能力。

文献检索发现，目前关于虚拟仿真技术在运动生理学中的应用尚少，且多集中于虚拟仿真技术在运动生理学实验教学可行性分析方面，而虚拟仿真技术在生理学教学中应用较多，谢敏等[12]将PBL教学法与虚拟实验技术结合应用，并与传统教师授课-学生听讲模式对比，发现虚拟仿真技术的应用解决了传统实验教学中一些困难，如成本问题、实验面窄、学生指导受限等问题。白雪等[13]则将虚拟仿真实验教学系统引入生理学实验教学，并构建“前-中-后-考核”教学流程，并针对虚拟仿真实验教学设置过程性考核，结果显示教学效果较佳。而王君等[14]在验证虚拟仿真系统对生理学教学的作用影响时发现，该系统对学生的理论学习成绩有显著性影响，而对实验技能提升则无显著性影响，但学生对该系统的辅助学习功能十分认同。运动生理学作为生理学一门分支，虚拟仿真技术应用于生理学的作用意义，对运动生理学而言，具有较重要参考价值，运动生理学的实验教学可参考生理学实验教学的可取之处，依据体育专业特点，进行虚拟仿真技术的合理应用。

4 结语

通过虚拟仿真技术的应用，可以极大地降低运动生理学实验教学成本，拓宽运动生理学实验教学时间性和空间性，进而增强学生实验技能熟练程度，还可以提升学生科研创新理念，提高其实践创新能力，进而改善运动生理学实验教学效果，提升运动生理学学科教学质量。国家为推进虚拟仿真实验技术应用，开设实验空间（http://www.ilab-x.com/）虚拟仿真实验教学平台，目前在该虚拟仿真教学实验平台已上线的体育学项目有27种，上线时间多集中于2017、2018及2019年三年，其中仅有2-3项与运动生理学科目密切相关，剩下项目多为运动训练或运动康复相关科目，由此提示：运动生理学相关的虚拟仿真实验教学项目数量较少，仍需继续开发设计，然而这也牵涉至研发资金问题。虚拟仿真技术虽然在其他学科中应用已较成熟，但在体育学科仍处于起步阶段，在运动生理学实验教学推广虚拟仿真技术仍需解决许多问题，例如相关虚拟仿真实验平台搭建、虚拟仿真软件开发、实验操作规范性、教学资金问题等。虚拟仿真技术应用于实验教学是一个长期过程，需要不断努力建设，而在医学院校中，虚拟仿真技术已有一定应用，并取得良好效果，因此，我们可继续努力尝试将虚拟仿真技术应用于运动生理学，并进行拓展性研发，进而推动运动生理学教学改革，提升教学质量。

[1]凡梨花.3D数字虚拟仿真系统在人体解剖学与组织胚胎学教学中的应用研究[J].科教导刊(上旬刊),2019(12):111-112.

[2] 李佩珍,应俊,等.分子生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].实验技术与管理,2019,36(11):99-100.

[3]李旭辉,范晓梅.参与式教学法在运动生理学教学中的应用[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版),2016,45(6):879-881.

[4]莫伟彬.基于教学科研一体化的《运动生理学》实验课程教学体系探究[J].体育科技,2019,40(4):115-116.

[5]李蕊,李建玲,李浩,等.“慕课”背景下运动生理学教学模式改革探讨[J].山东体育科技,2017,39(2):76-78.

[6]张志鑫.PBL结合案例教学在运动生理学理论课程中的应用研究[D].江西师范大学,2019.

[7]赵丽,孙晓泽,张国强,等.雨课堂在《运动生理学》课堂教学改革中的运用研究[J].体育科技,2019,40(6):149-150.

[8] 邵瑞芳.虚拟仿真技术在体育专业术课课堂教学中的应用研究[D].杭州师范大学,2018.

[9]宋丽.应用虚拟现实技术对竞技体育进行仿真训练的探讨[J].西安邮电学院学报,2007(6):170-173.

[10]贺昆,云颖,李日昌.虚拟现实运动解剖教学软件的设计与实现[J].南京体育学院学报(自然科学版),2015,14(2):36-38.

[11]马文超.基于肌肉的人体运动合成仿真研究[D].西南交通大学,2016.

[12]谢敏,朱海丽,丁洁琼,等.PBL教学法结合虚拟实验技术在生理实验教学中的应用研究[J].临床医药文献电子杂志,2019,6(13):181.

[13]白雪,扈瑞平,张海峰.生理学虚拟仿真实验教学系统的构建及过程性评价的探究[J].卫生职业教育,2019,37(20):46-47.

[14]王君,丛牧.医学虚拟仿真实验系统在生理学教学中的应用[J].科技创新导报,2018,15(27):248-249.

The Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Teaching of Exercise Physiology

WU Juhua, etal.

(Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

广西高等教育本科教学改革工程项目一般项目A类（2018JGA210）；广西科技大学博士基金（校科博17083）。

吴菊花（1985—），博士，副教授，研究方向：运动人体科学实验教学与研究。