高校體育與健康虛擬現實實驗課堂的設計與應用
——以河南理工大學為例

原顏東，張志豪，郭 坤，程 慧

（河南理工大學體育學院，河南 焦作 454000）

高校體育與健康虛擬現實實驗課堂的設計與應用
——以河南理工大學為例

原顏東，張志豪，郭 坤，程 慧

（河南理工大學體育學院，河南 焦作 454000）

虛擬現實技術的迅速發展，已廣泛地運用到社會的各個領域。在高校體育與健康課堂中引入虛擬現實技術，將是未來發展的趨勢和客觀需求。尤其是在運動生理學、人體解剖學、運動康復醫學及技能主導類具有一定危險性的運動項目中，運用虛擬現實技術能夠大大提高同學們學習時的安全性，增加學習樂趣，增強現實體驗感和互動性。本文通過對河南理工大學體育學院體育與健康虛擬現實實驗課堂的設計思路、構建目標及應用前景進行分析，提出可行性論述，以期為構建體育與健康虛擬現實實驗課堂提供智力支持，為師生更加高效地學習體育理論與技能提供條件保障。

虛擬現實；高校；體育課堂；設計；應用

高等教育發展到今天，傳統教育模式越來越受到現代科學技術發展的挑戰。計算機技術的發展，改變了我國千百年來傳統板書的歷史。互聯網技術的發展，改變了從古至今的傳統課堂教學模式。近些年來逐漸發展、不斷推廣的慕課、翻轉課堂成為了高校的新寵。以“互聯網+計算機”技術為基礎發展起來的虛擬現實技術，又將顛覆近年來流行起來的翻轉課堂授課模式。虛擬現實技術在教育中的應用可以追溯到20世紀80年代。鑒于當初技術所限，并沒有在教育中泛起波瀾。到了21世紀，科技高速發展的階段，虛擬現實在教育中的應用才如雨后春筍，在高校悄悄發芽。自從2015年3月5日李克強總理在第十二屆全國人民代表大會第三次會議上提出制定“互聯網+”行動計劃之后，虛擬現實技術借此東風，在各大高校內迅速發展起來。

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實技術是由人主導，計算機管控下的一種模擬環境、感知、并提供人與物質世界進行自然交互的系統。通俗的講，就是利用計算機技術模擬現實環境和身體運動，讓人沉浸其中，達到與真實場景真假難辨的程度，體驗其中的各種程序和內容。虛擬現實技術具有多體感、沉浸感、互動性和構想性等幾個主要特征。虛擬現實運用的基本技術為計算機3D圖形處理、接口智能傳輸技術、力反饋傳感器技術和網絡交匯技術。虛擬現實系統組成的基本結構，如圖1所示。

2 體育與健康虛擬現實實驗課堂構建

2.1 虛擬現實實驗課堂的設計思路

虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它實現了建構主義、情景學習的思想，營造了自主學習的環境，有傳統的以教促學的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。這一新型學習方式在教育領域的運用，除了三維立體校園體驗，化學化工實驗，臨床醫療手術診斷，材料工程加工，采礦安全實踐等領域，還運用到了體育理論和運動技術中來。在虛擬現實技術蓬勃發展的背景下，在借鑒其他領域虛擬現實實驗室成功運用的基礎上，提出構建體育與健康虛擬現實實驗課堂的設想。在河南理工大學體育學院現有300m2人體科學實驗室的基礎上，增加一套虛擬現實設備，包括3D圖形處理計算機，立體顯示器，跟蹤定位器，3D攝像機，技術動作穿戴設備等。構建能夠集運動生理學，運動解剖學，運動康復保健學及運動技能訓練為一體的綜合實驗中心。這一設想具有一定的前瞻性和現實意義，并且能在一定程度上大大減少資源和人才的浪費。

2.2 虛擬現實實驗課堂的構建目標

通過體育與健康虛擬現實實驗課堂的構建，能夠在現有實驗室的基礎上更大程度地發揮實驗室的綜合功能，不僅能夠在實驗室內進行應用理論學習，而且更重要地是能夠在實驗室內進行術科技術動作的模擬學習。因為體育學是應用型學科，術科教學在整個體育學教學計劃中比重最大。目前術科教學存在觀念落后、模式老化、方法陳舊、手段單一，在教學目標、教學內容、教學手段及教學評價等方面都存在不少問題。尤其是在教學方法手段上，仍然脫離不了簡單示范、技術練習、糾正錯誤的傳統套路，也擺脫不了口頭講述、經驗傳授、滿堂灌輸的陳舊模式。運用虛擬現實技術能夠使同學們沉浸在虛擬的學習環境中，提高同學們學習的興趣和專注度，并且能夠改變傳統教學模式的枯燥乏味，達到人與自然的融合。虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能培養。同時，還能提高同學們的空間想象能力，最終達到只有你想不到的，沒有做不得到的這一終極目標。

圖1 虛擬現實系統組成圖（引用喻曉和編著的《虛擬現實技術基礎教程》，2015）

2.3 虛擬現實實驗課堂的基本架構

我們設計的體育與健康虛擬現實實驗課堂主要有實驗中心和控制中心構成，其中實驗中心是我們實驗課堂的主體，包括運動技能虛擬訓練實驗、人體解剖虛擬訓練實驗室、運動生理虛擬訓練實驗室、運動康復保健虛擬訓練實驗室等，見圖2。根據我院的實際需要，實驗中心依托現有實驗室搭建，主要引進一套較為先進的，兼顧理論與技能，偏重于技能主導類危險性運動項目的虛擬仿真訓練設備。在內容上能夠與傳統教學內容無縫銜接，教師經過短期培訓容易掌握、便于使用。同時，兼顧教學與科研，從教學中能否發現新的科研動向和研究領域。

3 虛擬現實在體育與健康課堂中的應用

3.1 虛擬現實實驗課堂便于多學科交叉綜合利用

虛擬現實實驗課堂利用有限的空間，能夠呈現出無限區域，重點是能夠為多個學科提供不同的學習環境和條件。利用虛擬軟件的轉換和控制中心的操作，可以提供理論或技術動作模擬場景。運動生理學虛擬模擬訓練，能夠讓同學們看到類似真實的血液流動，能夠看到肌肉的工作原理，骨骼肌的運動機制，能夠觀察到一個運動員做某個技術動作的整個生理機能變化過程。運動解剖學虛擬實驗，能夠使同學們看到生理結構的每一個地方，小到細胞結構，線粒體的機構和功能，血紅蛋白的機理等。運動康復保健虛擬實驗能夠使同學們了解到運動員從受傷到恢復的整個過程，并且在每一個恢復階段，受傷部位的恢復狀態和康復保健的效果等。運動技能虛擬現實實驗課堂，同學們通過穿戴一定的裝備，其中包括虛擬3D頭盔，紅外感應器，跟蹤器，力反饋系統等能夠使同學們達到100%真實感覺的模擬某一運動項目。尤其是那些在現實生活中很難體驗且危險系數較高的運動，如危險刺激的蹦極運動、跳傘、翼裝飛行等。

3.2 虛擬現實實驗課堂能夠提高學生培養效率

虛擬現實學習環境可以融合游戲化的特征，貫徹寓學于樂的教育理念，提高學生學習的內在動機。虛擬現實技術能夠利用不同的3D場景，使同學們暢游在微觀世界里，也能夠利用空間轉換技術，遨游在浩瀚的宇宙中。如果登上月球與嫦娥共舞，登上火星與外星人共餐都能在虛擬現實中實現，那還擔心同學們學習的興趣和積極性嗎？還用刻意培養同學們的創新和想象能力嗎？想象一下，我們在虛擬現實實驗課堂上漫步，一會兒穿越撒哈拉沙漠，與絲綢之路上的駝隊同行；一會兒奔跑在熱帶雨林，同鳥蟲畜獸追逐；一會兒跑到了南極，與企鵝賽跑。一會兒奔跑在海底，同鯨魚嬉戲，即使汗流浹背，恐怕也感覺不到辛苦，感覺不到勞累。不用教師要求和強迫，這一切都靠主觀能動性實現，因而大大提高同學們學習的效率，同時減少教師的工作量，也就是達到了教師可以少教，同學們能夠多學的目的。

圖2 河南理工大學體育學院虛擬現實實驗課堂結構圖

3.3 虛擬現實實驗課堂的機遇與挑戰

設計中的體育與健康虛擬現實實驗課堂既面臨著發展的機遇，也面臨著種種挑戰。機遇是“互聯網+”發展藍圖上升到國家戰略層面，國家大力提倡大眾創業，萬眾創新，因而給新技術的發展，尤其是以互聯網技術為基礎的虛擬現實技術得到了國家的支持，在教育領域，得到了教育部的重視。2016年被稱為中國“VR”（虛擬現實）元年，也就是從這一年開始，虛擬現實實驗室如星羅密布般出現在了各大高校之中。這是時代給予虛擬現實技術發展的機遇。當然，我國虛擬現實技術地發展還處在初級階段，還有很長的路要走。任何事物的出現都會經歷破繭化蝶的過程，虛擬現實技術也不例外。由于技術所限，價格昂貴，維護成本高，力反饋靈敏度低，體感交互類不夠精細等原因，造成了虛擬現實技術的推廣和普及較為困難，這也是目前虛擬現實技術發展的一個瓶頸。

4 結 語

虛擬現實技術的出現，帶動了社會的變革，也給教育領域帶來了更多的選擇和未來發展空間。未來的競爭是人才的競爭，是科技的競爭。只有走在時代的前列，才能看到獨特的風景。教育也要與時俱進，引領科技發展的前沿。在學校政策的大力支持下，我們提出構建體育與健康課程虛擬現實實驗課堂這一設想，具有前瞻性和現實意義。能夠為學校體育事業的發展提供智力支撐，為學校體育教學改革提供條件和保障。該實驗課堂的創建與應用，能夠提高學生培養的效率，提高學生的探索欲和創新能力，改變傳統的教學模式，為其他高校虛擬現實實驗課堂建設提供理論參考，為體育與健康虛擬現實實驗課堂地推廣和普及貢獻智慧和力量。

[1] 喻曉和.虛擬現實技術基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2015.

[2] 朱征宇，崔旭艷，林文弢.體育院校教師綜合技能訓練中心設計與應用研究—以廣州體育學院為例[J].廣州體育學院學報，2017，37（2）：1-3，8.

[3] 陳定方.五彩繽紛的虛擬現實世界[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[4] 丁楠，汪亞珉.虛擬現實在教育中的應用：優勢與挑戰[J].現代教育技術，2017，27（2）：19-25.

G807.4

A

1674-151X（2017）20-069-02

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.20.034

投稿日期：2017-08-05

河南理工大學2017年度人文社會科學研究基金規劃項目（項目編號：SKGH2017-13）。

原顏東（1980—），講師，碩士。研究方向：體育教學、體育文化學。