虛擬仿真模擬技術在運動生理學實驗教學中的應用

王 平 陳玉平 李戰(zhàn)華

杭州師范大學體育與健康學院，浙江 杭州 311121

在國外，虛擬仿真技術已經(jīng)被應用到大學課堂的教學中，而在國內，該項技術被應用于教學，尤其是實驗的教學過程中才剛剛起步，將掀起新的教育教學理念，對于運動生理學的實驗課而言，虛擬仿真技術的出現(xiàn)，在很大程度上降低了實驗教學中對環(huán)境或場地的要求，同時降低了實驗耗材、還可達到“取之不盡，用之不絕”的效果，同時增強實驗的安全性，且可反復實驗，直至成功，也可同時進行多人運動、同時監(jiān)控多人生理指標、體能測試等功能，對推動運動生理學實驗教學改革、創(chuàng)新運動生理學教學模式具有重要作用。[1]故本研究以提高學生對運動生理學實驗部分的學習和教學效果為目的，觀察虛擬仿真技術對學生實驗教學部分的理論成績、實驗技術成績和實驗報告成績等指標，檢驗對教學效果的影響，為虛擬仿真實驗技術在運動生理學實驗教學的開展提供一定的理論依據(jù)。

1 教學對象與分組

我校體教專業(yè)學生是經(jīng)過高考的同一批次錄取，高中修過生物學者，且第一學期運動解剖學期末分數(shù)無顯著性差異者，共40名，按照隨機數(shù)據(jù)的形式分為傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組，每組各20名。

2 教學設計

依據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程大綱的要求，結合體育專業(yè)學生的特點和要求，對傳統(tǒng)實驗組的學生，課前要求預習實驗指導書，課中實驗員根據(jù)每個實驗的要求準備好實驗所需物，教師示教、學生觀察，隨后學生按照分組進行實驗操作。對虛擬仿真模擬組的學生，課前使用虛擬仿真技術進行預習、了解本節(jié)課的實驗目的、熟練操作方法、學習操作過程，分析實驗結果，并且分辨出重點和難點，課中教師講解、示范、然后學生進行自己操作。課后兩組實驗的學生，部分實驗教學內容進行理論測試，部分實驗內容進行實驗技能測試和部分實驗內容進行實驗報告的書寫，最后由同一個教師批改，給予相應的分數(shù)。

3 教學效果的檢測指標

（1）理論考核：實驗結束后，針對本實驗的內容采用同樣的試卷對2組學生進行理論考試，題型包括填空題、選擇題、判斷題、分析題和論述題，每個實驗包括3種不同的題型，如運動與身體機能的測定，滿分共30分；

（2）實驗報告的考核：實驗結束后，針對本實驗的內容進行實驗報告的書寫，實驗報告的內容分為實驗目的、實驗方法、實驗步驟和分析與討論，如運動與身體素質，滿分為10分；

（3）技能考核：實驗結束后，對學生進行操作技能和過程指標評價考核，虛擬仿真模擬組和傳統(tǒng)實驗組的考核標準均采用《普通高等學校體育教育專業(yè)主干課教材配套的運動生理學實驗指導》的實驗要求作為評分標準，如實驗方法是否熟練、過程是否順利，組內人員配合是否默契，如運動與能量消耗，滿分共20分；三種測試形式的時間均為20分鐘，當場進行當場收回。

4 統(tǒng)計方法

采用Spss21.0軟件進行統(tǒng)計學處理，所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標準差（x±s）表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對t檢驗，顯著性差異以 p＜0.05 表示。

5 實驗結果

表1顯示，運用獨立樣本t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組的理論成績進行比較發(fā)現(xiàn)，實驗前，傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組的學生理論成績無顯著性差異（p＞0.05），但經(jīng)過32學時實驗教學后，虛擬仿真模擬組的理論成績顯著高于傳統(tǒng)實驗組（p＜0.05）；運用配對t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組的理論成績分別進行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗組在實驗前、后的理論成績未見發(fā)生顯著變化，但虛擬仿真模擬組學生的理論成績在實驗后顯著高于實驗前（p＜0.05）。

表1 兩種實驗前后的理論成績比較（x±s）

表2顯示，運用獨立樣本t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組的實驗報告成績進行比較發(fā)現(xiàn)，實驗前，傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組學生的實驗報告成績無顯著性差異（p＞0.05），但經(jīng)過32學時實驗教學后，虛擬仿真模擬組學生的實驗報告成績顯著高于傳統(tǒng)實驗組（p＜0.05）；運用配對t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組學生的實驗報告成績進行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗組學生的實驗報告成績在實驗前、后未見發(fā)生顯著變化，但是虛擬仿真模擬組學生的實驗報告成績在實驗后顯著高于實驗前（p＜0.05）。

表2 兩組實驗前后的實驗報告成績比較（x±s）

表3顯示，運用獨立樣本t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組的實驗技能成績進行比較發(fā)現(xiàn)，實驗前，傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組學生的實驗技能成績無顯著性差異（p＞0.05），經(jīng)過32學時實驗教學后，傳統(tǒng)實驗組學生的實驗技能成績顯著增加（p＜0.05）；運用配對t檢驗對傳統(tǒng)實驗組和虛擬仿真模擬組學生的實驗技能成績進行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗組學生的實驗技能成績在實驗后顯著增加（p＜0.05），但虛擬仿真模擬組學生的實驗技能成績在實驗前后無顯著性差異（p＞0.05）。

表3 兩組實驗前后的實驗技能成績比較（x±s）

6 分析與討論

本研究采用虛擬仿真模擬技術進行運動生理學實驗部分的教學，結果發(fā)現(xiàn)，理論考試成績方面，虛擬仿真實驗技術的考試成績顯著高于傳統(tǒng)教學模式的成績，促進了教學效果，提示，虛擬仿真模擬技術的實施是有效的、且教學設計方面是合理的，可在運動生理學的實驗教學中繼續(xù)使用和廣泛推廣，本研究結果與王君[2]的研究結果一致，他們采用虛擬仿真實驗系統(tǒng)對護理專業(yè)學生進行教學，結果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的使用可顯著增加學生的理論考試成績。

為了進一步檢測虛擬仿真模擬技術在運動生理學實驗教學中的效果，本研究采用虛擬仿真模擬技術繼續(xù)對運動生理學部分實驗采用實驗報告書寫的形式進行考核，結果發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真模擬技術的教學對部分實驗的實驗報告成績顯著增加，說明采用虛擬仿真模擬技術的提前預習、對實驗過程和實驗方法的模擬預習均起到積極的作用，為正式實驗在實驗目的、實驗方法、實驗步驟和實驗技術操作等方面均起到了無縫對接的功效，此外，該虛擬仿真模擬技術的逼真性、交互性和靈活性等特點,[3]可增強體育專業(yè)學生對實驗教學內容的興趣和積極性，進而更深的了解實驗的目的、過程和結果，提高實驗報告的成績。

虛擬仿真模擬技術使用的教學效果好，分析其原因，可能是以下幾點：（1）每個模塊包括虛擬訓練場景、生理生化數(shù)據(jù)采集和不同的項目鍛煉，如電子健身游戲能量測試系統(tǒng)中有瑜伽、有氧運動、平?jīng)_運動等模式；敏捷反應測試訓練系統(tǒng)中有籃球運球和足球守門等技術；動態(tài)平衡測試系統(tǒng)中有車流中躲避車輛、蜜蜂扎氣球等游戲。學生可在實驗室進行各種運動項目包括籃球、網(wǎng)球、馬拉松等運動的模擬，且運動的真實感很強，規(guī)避了運動場地限制的缺點；（2）可避免運動項目對抗的危險性，如人機互動的拳擊運動；（3）可對多名學生的心率、血壓進行同時監(jiān)測，節(jié)省時間；（4）實驗結束后，學生還可進行反復練習以達到熟練掌握實驗的整個操作技術；（5）由于虛擬仿真模擬系統(tǒng)中含有視頻動畫，可促進學生的學習欲望和提高學習的參與性和積極性；（6）學生可通過模擬實驗的操作進行新的實驗設計、可做到舉一反三的效果，從而也能提高學生的實驗設計的創(chuàng)新能力。[4]

但虛擬仿真實驗并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗[5]，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過傳統(tǒng)實驗教學的學生實驗技術成績優(yōu)于虛擬仿真的學生，說明傳統(tǒng)的實驗教學在提高學生實際動手能力方面更好，促進學生掌握和熟練實驗操作技能，虛擬仿真實驗由于主要是模擬實驗，對學生實驗技能的培養(yǎng)和培訓方面相對較弱。且該結果同樣在王君[2]等人的研究中也得到證實,提示，在運動生理學的實驗教學過程中，虛擬仿真實驗還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，虛擬仿真模擬實驗可對傳統(tǒng)實驗起到促進和輔助作用。

7 展望

將虛擬仿真模擬技術應用于運動生理學實驗教學中，可不受實驗室場地的限制、也不受時間和空間的限制、且可模擬多種運動項目，使運動生理學的實驗教學過程更加生動有趣，增強學生的自主學習能力和獨立思考能力，最終，很大程度上提高了學生在運動生理學上的實驗教學效果。但是，值得我們注意的是，虛擬仿真模擬技術不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，它可作為傳統(tǒng)實驗的有益補充、進一步完善和拓展。故我們以后可以開發(fā)更多、更好的虛擬仿真實驗教學模塊，為運動生理學的實驗教學內容服務。