虛擬仿真技術在大課間活動中的應用研究

林少悅，王艷冰

（廣州市荔灣區真光中學，廣東 廣州 510375）

近年來由于學生體質逐年下降，我國發布了有關增強學生身體素質的一系列文件，如《關于加強青少年體育增強青少年體質的意見》等，要求通過陽光體育活動的開展，讓學生每天能鍛煉一個小時，促進學生身心健康全面發展。為了響應國家的政策號召，大課間活動逐漸在各校開展開來。學校大課間的編排與訓練涉及音樂的選擇、動作的選編、復雜路線設計和全體師生重復多次的演練，如果考慮不周極易出現混亂和錯誤，導致師生怨聲載道，浪費時間、人力和物力，降低學生訓練的積極性和影響活動的效果。如何提高編訓的效率，減少師生無謂的重復演練是急需解決的難題。

20世紀90年代，虛擬現實技術為人機交互界面的發展開創了新的研究領域，為各類工程的大規模數據的可視化提供了新的描述方法。將虛擬現實技術應用到大課間編排中，可以隨時與虛擬環境中的場景和對象進行自由交互，為設計者、實施者與決策管理者提供可視化的決策工具。虛擬現實中的三維動畫技術可以建立一個標準的競技健美操運動員動態模型，用來虛擬創編動作，進行試探、分析、評價、反饋、修改和確定等工作，減少創編環節中負面的人為因素的影響，使創編效率和質量進一步提高。

1 虛擬仿真技術應用于大課間編排階段的介紹

（1）沉浸感（Immersion） 。沉浸感又稱臨場感，指參與活動的師生感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使參與活動的師生全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，所達到的最高境界就是：模擬校園環境中的一切物品看上去是真的，音樂聽上去是真的，每個動作動起來是真的，如果能配備上相關的材料，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。

（2）交互性（Interactivity） 。 相對早期的三維動畫，虛擬仿真技術更講求使用者對模擬環境內物體的可操作程度和從環境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，學生可以用眼睛直接看模擬環境中虛擬的同伴，這時眼睛看到了同伴的感覺，并可以感覺到自己站立的位置是否合理，通過調整位置同伴也能立刻隨著需要而移動。

（3）構想性（Imagination） 。 大課間的編排注重“一校一品”，每所學校需要展示專屬于自己學校的特色，因此對編排者的創意設計提出很高的要求。虛擬仿真現實技術應為創編者提供廣闊的可想象空間。拓寬編導的認知范圍，不僅可以將編導已有的構思呈現出來，也可以隨意構想客觀不存在的內容，借助他人已經使用成熟的環境，甚至可以創設一些現實不可能發生的環境。

2 虛擬仿真技術應用于大課間實際教學階段的介紹

2.1 在大課間各個模塊的應用

大課間的形式有常規型大課間和展示型大課間2種。常規型是基礎，符合國家推廣大課間的原意。常規型大課間的內容分為入場、自編操、跑操、特色內容、放松操、退場等6個模塊。

2.1.1 在入場和退場方面的應用每所學校的構造和布局不同，有的學校位于老城區，學校規模比較小，教室主要以多層建筑為主，上下的通道少，再加上運動場所少，給大課間的進退場造成很大的障礙。模擬仿真技術系統通過建立中央集成模塊，將數據庫與虛擬現實模型實時結合，實現了數據庫對虛擬模型的實時、交互控制，呈現架設過程中各建筑物的樓層、尺寸、寬度、長度、拐角、位移等，與完成大課間進場退場的實時情況相結合，將所需的時間、路線等數據附著于圖像展示出來，便于執行和操作。

2.1.2 在自編操和放松操方面的應用自編操和放松操是展示學校特色的主要內容，模擬仿真技術中VRP顯示系統為主程序提供直觀、友好的動畫場景，通過動畫展示動作的節數，清晰顯示動作的位置、運行軌跡、動作控制的角度。師生可以隨機進行交互操作學習，可以進行放大、旋轉、回放、重復播放等各種控制和深入觀察；也可根據教學的重點、難點進行針對性的觀察和練習；也可以分發給學生回家自行練習，提高動作完成質量，減輕體育教師的工作量。

2.1.3 在跑操方面的應用跑操要求在跑動過程中步伐、步調整齊一致，間隔距離保持恒定，排面整齊，節拍統一。在常規型的大課間基礎上往往會向展示型大課間轉變，轉變的首選就是通過跑操來顯示各種圖案。主程序的控制是以目錄樹的形式分級顯示各階段的圖案變化，每一層內容變化之間層次清楚、查詢方便，操作者可以通過該控件直觀的調用查詢各段動作變化的時間、圖形、尺寸、路線、重量長度等參數。

2.1.4 在特色內容方面的應用“一校一品一特色”是大課間的核心內容，在創編特色內容時需要以學校已有的傳統為基礎，結合音樂再加上藝術的修飾呈現出來，在這個過程中需要多次的修改和完善。模擬仿真技術中VB-VRP操作系統的3個模塊在這方面能替代人來進行試驗，通過查看效果進行修改完善，減輕了人的負擔。這3個模塊為虛擬現實模型、數據庫和中央集成模塊。虛擬現實的建模是通過自己編寫的應用軟件“CIS2CAD”將CIS2轉化為AUTOCAD文件。該軟件可直接讀取、設計、分析、制作大課間模型的STP文件，并可立即產生整個大課間特色活動的三維CAD實體模型。

2.2 虛擬仿真技術在大課間實踐教學中的應用實例

虛擬仿真技術系統一方面可以詳細地展現大課間實施階段每一個8拍的截面尺寸、形狀、面積、長度、動作規格和實時教學完成百分比，以及提供詳細的教學動畫演示等。

2.2.1 小班（年級）教學階段的應用在完整大課間展示之前先根據教學需要進行分小班（年級）教學，通過虛擬仿真技術坐標系的運用，以學校體育場的東西方向為坐標軸中的X軸方向，西方向為坐標軸的正方向，南北方向為坐標軸的Y軸方向，南方向為坐標軸的正方向，垂直方向為Z軸方向，其中X的零點在體育場地的中心軸線。通過精確的坐標定位，可以將大課間的整體內容分拆成不同的模塊進行小班或按年級進行教學，各個班在練習時可以獨立開展，就像工廠里生產零部件一樣互不干擾，為最后的“組裝”做好準備。

2.2.2 集體合練階段的應用集體合練是介于分組練習及正式展示之間的一個重要環節。音樂的適宜性和動作美觀實用性都要在這個環節進行修改和提高，最終達至大課間整體方案的重新選擇和優化。以往的大課間編訓方法及教學組織主要是建立在施工經驗的基礎上，存在一定局限性，同時大課間編訓是一項耗時耗力巨大的學校體育活動，具有不可重復性。使用該平臺的虛擬現實技術將可以直觀、科學地展示不同階段的設計和教學效果，可以定性地完成教學方案的對比，有助于教學方案的選擇和優化，實現真正的最優教學。

2.2.3 成品展示階段的應用將虛擬現實技術應用于大課間的成品展示中，把現代教學管理的工作內容做到“圖像化”“具體化”和“簡單化”，將復雜的動作編排、音樂編輯、隊形變化、路線設計實現了真正意義上的“數據附著于圖像，圖像蘊含著數據”，在成品展示的初期可以組織學生反復觀看動畫，熟悉流程和細節，減少現場演練面對復雜多變的人群，室外不確定的天氣場地因素，大大縮短集體訓練時間和訓練難度，增加學生的成功感，教會學生統籌策劃能力，有利于學生多種能力素質的培養。虛擬現實與可視化仿真技術在大課間成品展示階段的應用，具有操作性強、仿真性強，設計科學、教學技術先進等優勢，為減輕師生在編訓過程中的勞動強度作出突出貢獻。

3 結 語

虛擬仿真技術的應用為大課間的有效實施和校核工作提供了很大方便，實現了對大課間整體編排及訓練的數據化管理，可以任意查詢各部分的實施過程，實現了通過節點對虛擬現實模型的實時控制，方便了師生對整個活動中每個環節的監控，改變了以往單憑體育教師手繪圖紙、調用學生反復試驗的落后工序。這項新技術的引入實現了編訓過程的直觀化，革新了教學技術，有助于創編者發揮創造性，同時縮短了室外教學的時間，降低了教學的風險。虛擬現實與可視化仿真計算及顯示方法已經成為大課間活動設計、實施優先考慮的手段。隨著大課間活動規模的不斷擴大，此項技術轉向大型開幕式的設計創編、施工組織等將有更廣闊的發揮空間。