虛擬仿真技術在運動生理學實驗教學中的應用探討*

吳菊花 黃江濤

虛擬仿真技術在運動生理學實驗教學中的應用探討*

吳菊花 黃江濤

（廣西科技大學體育學院，廣西 柳州 545006）

運動生理學教學是體育專業學生必修課之一，在運動生理學教學中，除了課堂基本理論知識教授外，還包括大量實驗課程，實驗多、成本高。而開發虛擬仿真實驗資源，可有效節約了成本，同時提高學生興趣及參與度，大大提升了實驗教學的質量。隨著高校新型課程改革推進，將虛擬仿真技術應用于運動生理實驗教學將變得更加迫切和重要，有利于推動運動生理學課程建設和教學改革，提升教學質量。

虛擬仿真；運動生理學；應用

運動生理學是體育專業學生必修的一門專業課程，無論本科階段或研究生階段，均有所開設，該課程具有一定特點：理論性強、邏輯性強、側重于運動過程中人體機理機能的應用，為此對于體育專業學生而言，具有十分重要的應用價值，然而多數體育專業學生學習基礎較弱，對于運動生理學的學習存在一定困難，因此，許多教師已從多種教學方法、教學途徑等方面對運動生理學教學進行探索，努力改善該課程教學效果。隨著科學技術與教學技術密切融合，越來越多新穎實用的科學信息技術應用于教學，并給課程教學帶來了新視角和新切入點，如虛擬仿真技術，虛擬仿真技術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[1,2]，虛擬仿真技術融合于教學中，可高度改善教學中存在的平面化、文字化、缺乏形象化等問題，可創建3D空間，給予學生更強的知識立體化感受，由此可提升學生的學習熱情。運動生理學作為體育專業學生專業知識學習中的一門重要基礎理論課程，相較于技術課程而言，存在枯燥、乏味、難理解、難接受等問題，由此在運動生理學教學中融合虛擬仿真技術應用，這可能會較大地改善運動生理學教學效果，提高學生對運動生理學的知識接受度。因此，本文擬從運動生理學的教學現狀、虛擬仿真實驗在體育專業課程中的應用以及在運動生理學教學中的應用進行綜述，進而探討虛擬仿真實驗應用于運動生理學教學的必要性及前景。

1 運動生理學的教學現狀

運動生理學是研究人體對運動的反應適應機理機制的體育科學基礎理論課程，對于體育相關專業發展而言，具有重要的學科指導作用，因此許多院校十分重視運動生理學的教學，由此運動生理學教師運用各種教學方法、教學技能、輔助教具等，激發學生學習運動生理學的興趣，進而提升運動生理學教學效果。李旭輝等[3]對參與式教學方法與傳統式教學方法進行比較，其中參與式教學方法包括課前準備、課堂參與、反思評價等，而傳統式教學則是教師講，學生聽的方式，通過對比發現參與式教學法可積極地激發學生學習樂趣，增強自學能力、理解分析重要知識點的能力，由此可知：參與式教學方法對于運動生理學教學具有良好的應用前景。而莫偉彬等[4]則從教學科研一體化的角度對運動生理學實驗課程教學體系構建進行了探究，重在運動生理學教學與科研融合角度，基于創新教育、科學研究作為運動生理學教學主線，這對于運動生理學課程形式、內容的創新提升具有重要指導作用，體育專業學生在學習運動生理學課程時，不僅需要課本知識的指導，也需在此基礎上進行知識創新。隨著課程網絡在線化、微視頻技術等的發展，慕課教學模式也隨之增多，該教學模式可以為學生提供隨時隨地學習的機會，由此，李蕊等[5]則通過探討慕課在運動生理學教學中的應用，拓展原有傳統的填鴨式教學方式，可通過慕課的技能導向模式增強學生對運動生理學應用性學習的理解，這無疑也是改善運動生理學教學構架的重要參考模式之一，例如，此次新冠疫情中，慕課教學在運動生理學在線教學中就起著重要的橋梁作用。

通過對文獻的查閱發現，除了以上的教學方法或教學模式外，還有其他學者也采用PBL結合案例教學法、雨課堂等增強學生主動性學習等教學方式進行改革[6,7]，以求增強該課程的課堂教學活力，提升學生學習熱情，使之較好地掌握該課程知識要點，并靈活運用于實踐。然而，在針對運動生理學課程教學中，不同教學模式或教學方法均具有其優點與缺陷，例如在線教學可能存在對學生的現場監督不足、PBL教學模式可能存在課時不足及評價體系不足等，因此，為了更好改善運動生理學教學，我們仍然需要繼續尋求更多的教學模式或方法，對其進行增補，盡量達到多面融合，相得益彰。

2 虛擬仿真技術在體育專業課程中的應用

虛擬仿真技術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。自從該技術應用于教學之后，在許多學科中均起著重要指導作用，例如危險性較高的學科、教學成本較高的學科等。與此相應，許多學科也嘗試引用該技術進入教學中，以求進一步提升教學效果，體育專業課程也是如此。例如，邵瑞芳對體育專業學生進行虛擬仿真技術教學應用（涵蓋田徑、高爾夫等項目），以學生的學習興趣、體能及運動技能作為評估，發現虛擬仿真技術在體育專業術科教學中具有較高的使用價值，可更加實時、直觀地改善學生的技術動作，提升技術動作準確性[8]。宋麗則探討了虛擬仿真技術對競技體育運動員技術動作的分析、評價等的應用，并探討了虛擬仿真技術提升運動訓練科技含量的相關研究和發展趨勢[9]。除了體育專業術科外，虛擬仿真技術也應用在體育基礎理論課程中，其作用效果得到較好驗證。賀昆等使用桌面式虛擬技術將運動解剖學教學中所需的人體模型、其他教具等模擬至電腦，供學生進行專業課程學習，這拓寬了學生對運動解剖學學習的時間性，此外，學生可在教師的遠程指導下反復學習相關知識點，并多次重復實驗操作，有效增強學生對運動解剖學的理解度及應用性[10]。此外還有研究者基于體育運動理念，將虛擬仿真技術運用于人體運動的創新，馬文超通過在虛擬環境中模擬逼真的人體模型，通過數學建模，構建仿真模型，探討對人體運動學起關鍵作用的肌肉和關節點，這更有利于人體進行科學合理的體育運動，進而減少運動損傷發生[11]。

體育專業是一個較特殊的專業，強調理論與實操結合，理論與技術相融合，重在應用。通過虛擬技術構建學習情境，仿真實時情境，可以增加學生對專業課程的親身體驗，豐富擴展學習資源，讓學生多方位、多角度、多體驗，將理論知識、技術動作、課下學習訓練等融合一體，建構交互式學習模式，豐富多樣化教學，進而增強學習樂趣，激發學習熱情，提升體育專業學生專業素養。

3 虛擬仿真技術在運動生理學實驗教學中的應用探討

在運動生理學教學中，除了課堂基本理論知識教授外，還包括大量實驗課程。運動生理學實驗教學主要通過教師演示、學生跟學或者模擬操作而完成。與運動解剖學實驗教學相比，運動生理學實驗教學往往多需要活性樣本，且難度、復雜度等略高，例如使用兔子、青蛙等進行活體實驗，對肺活量或神經剝離進行實驗驗證，在此期間，可能由于學生操作不熟練，或對知識點把握不準確，進而導致實驗動物死亡，影響實驗效果，此外，無形中也會增加實驗成本。而采用虛擬仿真實驗平臺后，則可依據運動生理學實驗需求，高度仿真地構建實驗模型，仿擬真實的實驗樣本和實驗操作程序，進而減少真實實驗可能導致的失誤；虛擬仿真平臺也可供學生反復、多次進行實驗操作，有效控制實驗成本。此外，部分運動生理學實驗可能會涉及到人體實驗，例如，連續采血，監測運動強度等，這可能會導致受試者身體連續承受疼痛感，導致其不適，而采用虛擬仿真實驗平臺則可以避免該情況產生，并可不間斷地反復進行試驗。

虛擬仿真實驗平臺構建于網絡平臺，其運行使用不拘泥于實驗室空間場地，學生在宿舍、圖書館、教室等場所均可憑借賬號登錄相應虛擬仿真實驗項目，這極大地增加了學生學習實驗、練習實驗的時間和機會，擴展了學生對其實驗學習的空間，這無形中也給予學生更多時間去思考實驗原理、實驗再設計等，也在變相地擴充開放實驗室功能；此外，運動生理學實驗作為大學生參與科研孵育、創新能力培養的基礎課程之一，通過虛擬仿真實平臺的空間、時間支持，極大地調動了學生學習運動生理學的樂趣和熱情，增加其創新及科研能力培養。例如，在安靜與運動過程中心率和血壓連續變化章節學習時，由于場地或者器材受限，學生可能無法連續追蹤屬實分鐘內心率與血壓的變化，而通過虛擬實驗設計，則可以構建數十分鐘內心率與血壓可能存在的不同變化趨勢等，學生可根據相關概念，熟悉理解運動與心率、血壓間的關系，并嘗試自行設計實驗，由此一方面有效鞏固了課堂所學，另一方面也增強其創新能力。

文獻檢索發現，目前關于虛擬仿真技術在運動生理學中的應用尚少，且多集中于虛擬仿真技術在運動生理學實驗教學可行性分析方面，而虛擬仿真技術在生理學教學中應用較多，謝敏等[12]將PBL教學法與虛擬實驗技術結合應用，并與傳統教師授課-學生聽講模式對比，發現虛擬仿真技術的應用解決了傳統實驗教學中一些困難，如成本問題、實驗面窄、學生指導受限等問題。白雪等[13]則將虛擬仿真實驗教學系統引入生理學實驗教學，并構建“前-中-后-考核”教學流程，并針對虛擬仿真實驗教學設置過程性考核，結果顯示教學效果較佳。而王君等[14]在驗證虛擬仿真系統對生理學教學的作用影響時發現，該系統對學生的理論學習成績有顯著性影響，而對實驗技能提升則無顯著性影響，但學生對該系統的輔助學習功能十分認同。運動生理學作為生理學一門分支，虛擬仿真技術應用于生理學的作用意義，對運動生理學而言，具有較重要參考價值，運動生理學的實驗教學可參考生理學實驗教學的可取之處，依據體育專業特點，進行虛擬仿真技術的合理應用。

4 結語

通過虛擬仿真技術的應用，可以極大地降低運動生理學實驗教學成本，拓寬運動生理學實驗教學時間性和空間性，進而增強學生實驗技能熟練程度，還可以提升學生科研創新理念，提高其實踐創新能力，進而改善運動生理學實驗教學效果，提升運動生理學學科教學質量。國家為推進虛擬仿真實驗技術應用，開設實驗空間（http://www.ilab-x.com/）虛擬仿真實驗教學平臺，目前在該虛擬仿真教學實驗平臺已上線的體育學項目有27種，上線時間多集中于2017、2018及2019年三年，其中僅有2-3項與運動生理學科目密切相關，剩下項目多為運動訓練或運動康復相關科目，由此提示：運動生理學相關的虛擬仿真實驗教學項目數量較少，仍需繼續開發設計，然而這也牽涉至研發資金問題。虛擬仿真技術雖然在其他學科中應用已較成熟，但在體育學科仍處于起步階段，在運動生理學實驗教學推廣虛擬仿真技術仍需解決許多問題，例如相關虛擬仿真實驗平臺搭建、虛擬仿真軟件開發、實驗操作規范性、教學資金問題等。虛擬仿真技術應用于實驗教學是一個長期過程，需要不斷努力建設，而在醫學院校中，虛擬仿真技術已有一定應用，并取得良好效果，因此，我們可繼續努力嘗試將虛擬仿真技術應用于運動生理學，并進行拓展性研發，進而推動運動生理學教學改革，提升教學質量。

[1]凡梨花.3D數字虛擬仿真系統在人體解剖學與組織胚胎學教學中的應用研究[J].科教導刊(上旬刊),2019(12):111-112.

[2] 李佩珍,應俊,等.分子生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].實驗技術與管理,2019,36(11):99-100.

[3]李旭輝,范曉梅.參與式教學法在運動生理學教學中的應用[J].內蒙古師范大學學報(自然科學漢文版),2016,45(6):879-881.

[4]莫偉彬.基于教學科研一體化的《運動生理學》實驗課程教學體系探究[J].體育科技,2019,40(4):115-116.

[5]李蕊,李建玲,李浩,等.“慕課”背景下運動生理學教學模式改革探討[J].山東體育科技,2017,39(2):76-78.

[6]張志鑫.PBL結合案例教學在運動生理學理論課程中的應用研究[D].江西師范大學,2019.

[7]趙麗,孫曉澤,張國強,等.雨課堂在《運動生理學》課堂教學改革中的運用研究[J].體育科技,2019,40(6):149-150.

[8] 邵瑞芳.虛擬仿真技術在體育專業術課課堂教學中的應用研究[D].杭州師范大學,2018.

[9]宋麗.應用虛擬現實技術對競技體育進行仿真訓練的探討[J].西安郵電學院學報,2007(6):170-173.

[10]賀昆,云穎,李日昌.虛擬現實運動解剖教學軟件的設計與實現[J].南京體育學院學報(自然科學版),2015,14(2):36-38.

[11]馬文超.基于肌肉的人體運動合成仿真研究[D].西南交通大學,2016.

[12]謝敏,朱海麗,丁潔瓊,等.PBL教學法結合虛擬實驗技術在生理實驗教學中的應用研究[J].臨床醫藥文獻電子雜志,2019,6(13):181.

[13]白雪,扈瑞平,張海峰.生理學虛擬仿真實驗教學系統的構建及過程性評價的探究[J].衛生職業教育,2019,37(20):46-47.

[14]王君,叢牧.醫學虛擬仿真實驗系統在生理學教學中的應用[J].科技創新導報,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)

廣西高等教育本科教學改革工程項目一般項目A類（2018JGA210）；廣西科技大學博士基金（校科博17083）。

吳菊花（1985—），博士，副教授，研究方向：運動人體科學實驗教學與研究。