虛擬仿真實驗教學在體育理論課實驗教學中的應用思考

楊 磊，吳菊花

近年來，隨著“健康中國2030規劃綱要”的實施，為充分發揮全民健身健康促進、慢性病預防和康復等方面的積極作用，繼續高質量的體醫融合人才。但目前體育院系的專業教學面臨的困境是文化基礎薄弱、理論課學習熱情不高、實驗教學流于形式等。而近年來教育的多種領域均已使用了虛擬仿真技術，如醫學、電氣等，醫學使用人體虛擬仿真實驗教學時，可通過計算機技術建立的虛擬環境，使實驗者身臨其境的對虛擬人體器官、虛擬動作進行虛擬操作，從而達到增強學生自主學習能力及興趣、提高教學質量的目的[1-3]。體育生實踐操作能力較低、缺乏創新精神，嚴重影響人才培養質量，已成為目前體育專業教學改革亟需解決的問題，因而，充分利用虛擬仿真教學平臺，無疑可為提高體育專業理論課程實驗教學質量提供新路徑。

1 虛擬仿真實驗教學平臺的特點及優勢

虛擬仿真是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，是以計算機軟件及硬件為基礎、以必要的技術手段為輔助，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實感受的一種計算機應用技術。虛擬仿真教學平臺則是以計算機技術為核心生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬實驗環境，給予學生一種真實情境，使學生對虛擬或仿真的實驗樣本進行一定虛擬狀態操作，進而實現實驗人群的身臨其境的學習反饋，具有多感知性、真實性、交互性、開放性、安全性等特征。

在體育理論課實驗教學及體育實踐性教學環節中，由于實驗操作或教學實踐可能受到師資、場地、實驗耗材等的限制，可能存在部分學生無法進行實際操作，而通過虛擬仿真平臺，則可彌補這些條件局限性，從而提高學生實踐操作及創新技能。由此，開展虛擬仿真實驗教學已成為現代教育發展的趨勢，有著傳統實驗教學手段無法比擬的優勢。

1.1 開辟生動逼真、高效安全的實驗環境

虛擬仿真教學平臺運用計算機全面仿真人體結構和人體動作, 為體育生提供生動、逼真的實驗環境。例如運動解剖學動作分析教學，由于各種技術動作是在一個三維環境中完成，骨骼、關節、骨骼肌相互配合、相互牽制，同時與人體神經系統、心血管系統、呼吸系統等又是一個整體，學生理解和掌握起來比較抽象和困難，人體虛擬仿真教學平臺通過三維軟件技術可進行人體骨骼模擬、關節模擬、各肌肉群模擬及運動模式的虛擬建造，可提供生動、安全學習情境，將抽象理論知識形象化，解決實際無法解決難題，進而突破實驗教學瓶頸，以此激發學生自主學習興趣，使專業理論課實驗教學具有交互性、高效性。

1.2 突破時空局限，建設開放性實驗室，實驗教學資源共享

體育理論的教學實驗往往需要特定實驗器材、實驗時間地點安排，由此方可順利開展其實驗教學，然而構建虛擬仿真實驗教學平臺后，則可打破這些局限。通過網絡在線，學生可自選、自主參與其感興趣的實驗，并也可利用其空暇時間完成一些實驗操作，實驗教學環境也變得“開放性、交互性”。倘若學生實驗課程未按時完成，其也可利用課余時間利用虛擬仿真系統繼續操作，增加了實驗教學的時間寬度，有利于增強學生的實踐操作。

此外，由于教學條件不同，各體育院系實驗教學可能存在一定差異性，而構建虛擬仿真教學平臺則可以促進不同體育院系實驗教學資源的共享，由此可彌補體育專業實驗教學的資源不足，進而促進體育專業實驗教學課程的飛速發展。

1.3 將演示性實驗變為操作性實驗

運動人體科學課程，如運動解剖學、運動生理學、運動生物力學等課程，所開設的實驗大多屬于演示性實驗，學生因參與度不高而缺乏對實驗的興趣。虛擬仿真教學可促使學生成為實驗教學的“主導者與參與者”，“教”與“學”相互轉換，更大地激發學習興趣，也對培養學生自主學習能力起到積極促進作用。同時，虛擬仿真教學平臺可以增加學生多重感官刺激，并通過學生的虛擬仿真情境的操作體驗，更容易激發學生情感參與，讓抽象教學內容留下深刻的記憶。

1.4 節約實驗成本，減少環境污染

昂貴先進的實驗儀器、實驗動物，嚴重困擾制約著體育理論課實驗教學。在運動解剖學教學實驗中，隨著實驗進行，標本易磨損，且并不能隨時隨地供學生進行學習實驗，此外，實驗過程中，標本量少，而學生眾多，這往往會導致實驗教學效果差。此外，運動生理學、運動生物力學等實驗儀器設備購買及維護更新成本高，且部分實驗結束后所致的廢料可能存在一定污染性。由此對比，虛擬仿真教學平臺則無須額外增加實驗成本，也不存在實驗材料緊張或過期等問題，可長期、大范圍重復使用[4]。

2 體育專業課教學引入虛擬仿真教學平臺的必要性和迫切性

由于不受實驗時間和空間的制約，學生在進行體育理論課實驗時采用虛擬實驗比真實實驗有更大的優越性。教師只需根據實驗課程內容要求，構建一個可視化的實驗操作環境，而學生則可以在實驗課堂或空閑時間進行預約，可多次地進行模擬實驗，從而加深其對實驗課程理解與應用。此外還可以開展一些探索性的綜合實驗，這也有利于學生創新能力培養。由此可知，體育專業理論課實驗教學開展虛擬仿真實驗教學是當前高校體育專業教學改革的迫切要求之一。

2.1 體育專業理論課傳統實驗教學面臨困境

體育專業教育的獨特之處在于體醫結合、理論與實踐并重，一名合格的健身教練或康復治療師的成長除了前期基礎理論知識的扎實積累外，更要有后續的實踐(實驗)技能的反復訓練和習得。但目前體育院系的專業理論課實驗經費非常有限、實驗教學資源短缺日益突出，而且目前開設的實驗多數為演示性實驗，學生參與度不高，使得實驗教學在很多情況下流于形式，僅成為理論課的重復，教學效果差。雖然一些實驗教學可以在學生身上進行，但采用真人實驗也有較大局限性。

2.2 體醫結合對體育專業人才培養提出高要求

體育生在專業學習過程中，其文化水平略低而動手能力較強，因此，對其理論知識學習而言，實驗教學則起著一個理論聯系實踐的重要指導作用，通過實驗教學，可以增強其學習興趣，增加理論學習能力，提高其技能學習。然而，由于實驗場地、實驗儀器耗材及實驗經費的影響，體育專業實驗課開設往往存在一定局限性；由于體育專業往往處于經費不足，這會導致體育專業實驗教學資源存在一定匱乏，有此限制，很多完整的教學實驗均不能滿足每個學生的獨立完成要求；許多體育學院受到種種限制，往往僅開設幾個傳統實驗，這對于學生對專業課程的理解及對相關創新想法都進行了極大限制；此外，也有部分學生過于重視運動技能獲得，而不重視理論學習，對實驗教學操作存在一定誤區，因此這部分學生往往更需要以實驗促進理論學習，由此實驗教學顯得更為重要[5]。新的體育人才培養目標要求學生不僅僅要掌握運動技能，更需要掌握堅實的理論知識，而借助于來自于實驗的感性認識，則可進一步增強學生理論聯系實際、獨立解決問題的能力及創新能力。

3 虛擬仿真教學平臺應用于體育專業課程實驗教學的可行性

虛擬仿真實驗教學具有教學訓練過程安全無風險、高效率、學習體驗真實、教學過程可調控以及知識庫多樣化等優點，對促進體育專業理論課的實驗教學改革有著重要意義。體育專業運動人體科學相關實驗課因其實驗對象、實驗技術多變性，且可進行多方面創新性研究，因此，通過虛擬仿真實驗平臺，可更利于該方面專業實驗課的順利開展及創新使用，目前，也已有部分相關虛擬仿真實驗操作系統被開發研究，并進行了一定測試，顯示其具有良好實驗教學效果；在虛擬仿真實驗教學中，雖然教師教學過程中以及學生實驗中的實際可操作性要求高，需要使用者與網絡技術人員合作，但將體育專業理論及實驗知識與網絡技術完美結合，教師在教學過程中做到取長補短，學生通過虛擬實驗課程的學習與訓練，減少其現實操作時出現的失誤問題，將虛擬實驗和真實實驗結合起來，這必然會有效提升體育專業的實驗教學效果[6]。虛擬仿真實驗教學模式已成為一種快速發展的新型實驗教學模式，實驗教學平臺的建設和發展對于推動體育專業理論課實驗和實踐教學改革、完善傳統實驗不足及提高教學質量意義重大。

隨著計算機水平的發展，虛擬仿真實驗平臺技術內容不斷更新，可逐步實現傳統實驗教學無法完成的教學功能，為提高實驗教學效果，培養創新型人才提供平臺，而增強體育專業實驗教學的虛擬仿真應用，也將為虛擬仿真實驗教學平臺可持續發展注入活力，兩者融合，必將提升體育人才質量。