大學體育教材中AR技術應用的實踐研究——以羽毛球教學為例*

趙 朦 耿文光 張 禾

大學體育教材中AR技術應用的實踐研究——以羽毛球教學為例*

趙 朦 耿文光 張 禾

（南京農業大學，江蘇 南京 210095）

文章介紹了增強現實（AR）的概念、在高校體育類以及其他學科教學中的應用情況，以羽毛球教學為例,探討了AR技術應用于高校體育教材編寫、課程設計的可行性，運用文獻資料法、探索性研究法、專家訪談法分析了由此給體育教學帶來的益處，并給出了AR課程開發流程。AR技術已經在其他學科包括體育學科展開運用，但目前AR體育教材開發國內尚屬空白，本研究根據大學體育教學的特點以羽毛球教學為例嘗試了將AR技術引入到體育教材編寫和體育教學中，對開發流程和學生接受度做了初步探索，但由于經費和技術的不足還沒有進行具體數據的測量，如果今后將AR體育教材完整化，又有較好的增強現實效果，不但能激發學生的興趣，提高老師的教學效果，也為未來體育教學走入信息化時代、體育教學改革和體育教學研究奠定了堅實的基礎。

AR技術；體育教材；羽毛球教學

1 AR技術的概念

增強現實，即Augmented Reality，縮寫AR，也稱混合現實，在臺灣也被稱為擴增現實，增強現實是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等），通過科學技術模擬仿真后再疊加到現實世界被人類感官所感知,也就是通過各種傳感設備使用戶“沉浸”到該環境中,增加用戶的參與度[1]，從而達到超越現實的感官體驗,實現和環境直接進行自然交互，呈現給使用戶一個感官效果真實的新環境[2]，這種技術叫做增強現實技術,簡稱AR技術[3]。

2 AR技術應用于教育教學的現狀梳理與典型案例

2.1 AR技術在高校體育教學中的應用

黑龍江八一農墾大學將VR、AR技術運用在了武術訓練中，建立了一個“籠子”型的360度攝像頭捕捉系統，可以有效的捕捉運動員各個角度的技術動作，但是該技術運用的缺點是不能大范圍的運用于教學，學生人數受限制，并且造價相對較高。上海體育學院也將AR技術運用于運動損傷的學習，學生可通過專用增強現實設備點擊設備中現實或虛擬的屏幕了解所要學習的知識。由此可見，信息技術在體育教學中也慢慢開始應用，但目前尚未普及，大部分高校體育教學中運用的信息技術手段有限，尤其是VR、AR、MR以及人工智能這類新技術，這也是體育學科在一些技術手段方面落后于其他學科的原因。

2.2 AR技術在其他學科領域中的應用

近些年，AR技術已經應用于多個學科領域[4]，AR技術在教育領域的應用案例也越來越多[5]，美國華盛頓大學開發名為“Magic Book”[6]的增強現實系統，使傳統出版讀物的圖文描述轉變為三維立體成像，開創了增強現實技術在教育教學中應用的初倪。北京師范大學現代教育研究所研發的“未來之書”[7]，該團隊制作了一本虛實融合的立體交互書，利用增強現實的圖像識別、三維成像等技術克服傳統圖書的不足，帶來了新的教學模式和方法。上海中醫藥大學附屬閔行薔薇小學制作的《微微本草》[8]，是國內首套結合AR技術的中國傳統本草文化科普啟蒙讀物。該校2018年將AR技術引入其校本課程“微微本草”中，以紙質教材內容為基礎，以AR數字化資源為核心，以AR交互學習系統為支撐，融入整個“導入—探究—實踐—分享—評估”等教學環節，激發學生的探索精神與實踐能力，培養“未來型”綜合素質人才。該套讀物第一輯全十冊，包括蒲公英、蓮、橘、銀杏、菊、桑、薄荷、姜、棗、山楂等十種孩子生活中常見的“藥食同源”本草植物。具體運用主要包括以下幾方面：

（1）動畫解說

該套讀物在開篇的本草解說中運用AR技術展示二維動畫，旁白配音，讓原本難以理解的知識點，比如本草的別名、生長過程、藥理介紹等，化為語音視頻解釋，豐富圖書內容，讓本草更加生動地展示在學生面前，增加趣味性，同時也讓學生加深知識點印象。

（2）3D模型

在本草詳細部位的剖析介紹時利用AR立體化本草，將三維的植物展現在學生面前，通過滑動手機或者pad屏幕來轉植物方向、放大細節部位等，彌補傳統圖片展示的不足，拉進學生與本草的距離。

（3）互動測試

測試環節通過AR進入H5互動頁面，通過游戲闖關的形式測試小讀者對知識點的掌握情況，起到測評與復習鞏固的作用。H5互動的形式可有效提升小讀者的參與感，激發積極性。

（4）手工視頻

在手工活動上運用AR技術，展示真人講解的手工活動視頻，讓學生在因為工作忙碌，家長無法參與指導的情況下也可以觀看學習。

3 AR技術運用于體育教材的可行性分析

3.1 硬件保障

AR體育教材硬件包括前端和后端，教師使用的前端硬件簡單易便攜，只需一部手機或電腦[9]，一本體育教材即可，如果系統升級，脫離二維碼，那么只需一部手機掃描實物或自主點擊選項學習即可。學生使用的前端硬件可以為手機（手機攝像頭）或電腦（攝像頭）[9]，也可以為頭戴式AR設備（AR眼鏡）。

3.1.1 頭戴式AR設備（AR眼鏡）

頭戴式AR設備[10]（AR眼鏡）可以在不同空間產生的增強現實效果，攜帶方便，佩戴者可以手持球拍，通過AR眼鏡顯示出來的不同角度的3D立體的小人，進行隨時隨地的模仿練習，AR眼鏡增強現實出的虛擬人物更加生動立體逼真，并且可以轉換不同角度便于學生仔細觀察，學生可以通過佩戴AR眼鏡隨時隨地進行交叉互動、運動參與，如圖1。

圖1 增強現實（AR）眼鏡設備

3.1.2 手機（手機攝像頭）

手機（手機攝像頭）是當代每個人隨身攜帶的通訊設備，較之于AR眼鏡更能降低成本，AR眼鏡需要一定的資金來購買器材，并且目前市面上的AR眼鏡普遍造價偏高，如果想要簡單易操作并且成本較低，一個手機就可以解決，學生可以通過點擊應用軟件，利用手機攝像頭掃描二維碼或實物就可以出現3D立體的動態的增強現實小人，學生可以通過翻轉小人的不同角度進行細致的學習，如圖2，學生可以通過手機掃描出不同角度的增強現實小人。當然教師和學生也可以利用電腦或電腦攝像頭來操作，但相較于電腦，手機更加便捷。

圖2 增強現實（AR）手機攝像頭設備

無論是通過AR眼鏡還是手機攝像頭，增強現實出來的人物或其他虛擬形象都可以脫離固定位置隨時移動、翻轉，例如書本上、沙發上、桌面等不同地方均可以呈現，相較于2D的圖片或視頻，更加立體生動，并且可以放大或縮小、翻轉不同角度觀察細節動作，如圖3，在書本上呈現的不同角度的增強現實立體效果。

AR體育教材開發與應用的后端硬件包括制作服務器、發布服務器、資源服務器等采用目前主流中端服務器即可，如DELL R290，為保障系統運行穩定，可以構建服務器群，采用虛擬化服務器和存儲技術，在節約硬件投入的同時可以獲得更高更穩定的性能。因此，AR體育教材開發與應用的硬件方面完全可行，無論是前端還是后端，市面上的硬件供應商日益增多，硬件產品越來越豐富。

3.2 軟硬技術

據了解，目前AR技術已經日益成熟，市面上的技術廠商也日益增多。本人通過電話訪問，面談訪問等形式，了解到制作AR教材開發的主要環節如拍攝3D視頻、3D建模[11，12]、資源錄入等所涉及的技術問題都可以解決，只是需要錄入項目的數量，拍攝和錄入內容的復雜性也決定資金投入的多少。另外，開發專門的AR體育教材應用APP所涉及的開發與呈現技術也早已完善。因此，用于AR體育教材開發的軟硬件技術已成熟。

3.3 需求分析

通過訪談法的形式訪問南京體育學院、南京中醫藥大學等一些較早一批研究增強現實技術、人工智能的專家學者，他們對于AR體育教材都有較高的評價，并且對于未來高校體育教學、中小學體育教學，甚至國家競技體育的訓練應用都會有較好的推動作用，未來的需求必不可少；本人也隨機走訪一些高校，對在校大學生進行了訪問，學生們對于這種新興的具有科技含量的事物充滿了好奇感和興趣，愿意嘗試以及使用，并且他們也愿意通過一學期至兩學期的體育課程來體驗教學效果。

3.4 學科發展

現代教學模式越來越多的向新授課模式靠近，其他學科的教學也越來越多的加入了信息化教學，多個學校開設了虛擬仿真實驗室，VR的虛擬現實體驗，包括在一些廣告業、文體娛樂、航空航天、軍事領域等也都運用了AR的增強現實的一些技術，科技不斷的進步，打破許多常規、老套的模式，VR、AR技術也越來越多的運用到了教育、科研當中，一些地域、氣候、經濟等因素不能解決的問題，學生都可以通過VR、AR技術得以實現。在體育領域，同樣的由于地域、氣候、經濟、空間等問題而接觸不到的體育項目，教師都可以通過VR、AR的形式講解給學生，而由于體育項目的特殊性，大多項目都需要與現實環境結合在一起，所以AR技術更適合體育教學，AR體育教材的逐步完善也為體育信息化發展奠定基礎。

3.5 應用優勢

大學體育課中普遍一周只有一次課，如果想達到非常明顯的教學效果并不容易，由于體育運動項目特點不同，技術難度參差不齊，普通大學生對于較難技術動作很難掌握，如果學生課上掌握不熟練，課下則更容易忘記，AR技術運用到體育教學中，立體的增強現實效果生動有趣，可以有效地提高學生的學習興趣[13]，學生在課上不能完全掌握的技術可以在課下從AR技術編制的體育教學中進行課下練習，大大地提高了教學效果，AR的生動形象、即時反饋等特點，對于教與學具有非常重要的輔助作用，結合體育教學的特點應用AR技術編制體育教材對于提高體育教學質量具有非常積極的意義[14]。

4 AR技術應用于體育教材的構建

4.1 大學體育教學的特點——學習運動

大學體育區別于初高中體育課程，大多數是學生每學期分選項上課，除了一些專業體育院校，普通大學體育課程大多都是基礎的公共選修課，為教師一人授課，班級學生跟學的傳統教學模式，課后很難得到有效監控，如果課下不加強練習，則教學效果一般。

4.1.1動作性、形象性

大學生在學習大學體育課程時普遍是沒有基礎的，動作協調性、速度、力量等身體素質都較為一般，大學生形象普遍偏瘦弱或偏胖，大多戴眼鏡，很少能看到一些肌肉發達、身材勻稱、健碩的健身體型。以羽毛球課程為例，在一學期的課程當中，學生在反復的學習和練習下大多也只能掌握非常基礎的技術動作，對于相對較難的吊球、殺球、搓球、推球等技術項目，學生的掌握程度較差，而對于已掌握的基礎動作，例如設為考試項目的正手發高遠球技術，學生動作、質量大多良莠不齊，在身體素質測試中，達到優秀的大學生數量有限。

4.1.2大學體育教材對于大學體育教學的作用

大學體育教學主要以實踐課教學為主，理論教學為輔，但是大學體育教材對于教師進行大學體育教學起著非常重要的作用，大學體育除了教授學生技術動作，還要讓學生了解相關的歷史起源、相關規則、教法學法規則等，讓學生明確大學體育在學校教育中的地位和作用，樹立終身體育的指導思想和理念。

4.1.3大學紙質體育教材運用的特點

大學體育紙質教材對于大學實踐教學起著承上啟下的作用，大學生可以在體育課前通過紙質教材預習教學內容，對即將所學內容有個初步印象，通過體育課中教師所教技術動作，在課后通過紙質教材進行復習，可以鞏固加深教學內容。

4.2 在體育教材中加入增強現實（AR）技術的目的

基于上述大學體育教學的特點，我們考慮在體育教材中引入增強現實（AR）技術。現代傳統的體育教學大多是教師在課堂上教，學生跟做的模式，課程基本上是一周一個課時，對于一些技術難度較大的動作，例如：羽毛球的頭頂滑板吊球技術、反手搓網前球技術等，學生課后若不復習，較難的細節動作則很難體會和掌握，所以想要達到較好的教學效果，就需要一些有效的教學手段來輔助課堂課后去學習和練習。AR技術是利用計算機生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環境，通過各種傳感設備使用戶“沉浸”到該環境中，實現用戶和環境直接進行自然交互。AR把虛擬的圖像和文字訊息與現實生活景物結合在一起，很多AR應用已經在Android和iPhone智能手機上紛紛亮相，呈現效果讓大家驚艷不已，所以本研究也是想將AR技術與課堂的技術教學相結合[13]，開發與教材配套的APP，學生們可以課上課下通過手機掃碼或掃描圖片、文字，用增強現實的方式跳出立體的3D動態圖和文字解說，進行學習和練習,從而也可以很好的開發學生自主學習的能力。

4.3 以羽毛球為例——AR體育教材的系統性總體設計

AR體育教材應從課程設計、教材編寫、開發配套APP入手，教材內容包括體育運動的多個項目，以羽毛球運動為例，首先進行羽毛球各項技術的拍攝3D動態圖進行建模[15]，例如正手擊后場高遠球技術、頭頂滑板吊球技術、正反手搓球技術等的全方位的3D立體動態視頻，配合該技術的重點、難點進行文字解說，將建模好的3D動態模型[16]及圖片素材存入數據中[17]，在相配套的書本教材中，學生可用配套的APP掃描書本中的圖片或者二維碼就可以看到增強現實的3D立體動態模型圖，這些動態模型圖可以通過觸摸手機屏幕進行放大、縮小和360度的多方面旋轉查看，如果想了解詳細的重點、難點，還可以繼續點擊了解詳情，這樣學生不管是在課上還是課下都可以點擊掃描，更好地鞏固學習技術（圖4）。如果技術開發更加精進，學生也可以通過該APP脫離課本，直接掃描實物，或掃描正在進行的羽毛球相關技術動作，掃描以后會增強現實出相應的動態圖或者多個選擇項目，可以進一步點擊查看或觀看。

5 存在的制約因素與解決辦法

5.1 制約因素

5.1.1 經費不足

目前開發AR體育教材，遇到最大的困難就是經費問題，AR市場近些年剛剛興起，大多用于廣告業、工業設計、航空航天等高投入行業，如果使用開發好的成品模型和應用價格相對較低，如果定制化拍攝、建模，價格相對較高[11]，針對體育教材來說，從單一項目入手相對容易，若多個項目同時拍攝、全部建模則經費需求較大。

5.1.2 技術難度

AR應用開發技術難度相對較高[18]，目前市面上提供開發服務的企業良莠不齊[19]，若進行簡單拍攝、建模一些公司尚可，能做到場景逼真、沉浸感強、細節優秀的公司不多。另外，AR應用若想獲得較好效果，對如微軟holense眼鏡這類專用設備的依賴性較大，具有研發這類設備能力的企業屈指可數。技術難度較高也影響著制作周期，效果較好的教材、APP、眼鏡等AR類應用系統開發周期較長。若因此想制作一個完整的AR體育教材，則需要一定的時間，完善內容。

5.1.3 國內缺少相關科研團隊和研究成果

隨著教育信息化進程推進,國外將AR應用于教育領域的研究越來越多,大部分的研究關注AR對某一學科領域的學習成效的具體作用。而國內關于AR與教育結合的研究較少,教育領域的AR應用研究還不成熟[20]。這就導致了AR體育教材開發的難度增加，國內可參考的相關研究成果有限，也缺少專門研究AR體育教材的相關團隊。

5.2 解決辦法

5.2.1 尋求贊助

開發AR體育教材，遇到的最大困難就是經費問題，尋求一些資質較好的公司、企業進行贊助可以有效的解決當前資金困難的問題。

5.2.2 洽談合作

與市面上資質較好，開發制作技術精良的公司尋求合作，洽談開發體育教材的優勢和發展前景，合作的互惠互利辦法，使開發出的AR體育教材能夠呈現出更逼真、現實的效果。

5.2.3 廣告宣傳

開發AR體育教材進行一定程度上的廣告宣傳，不僅可以吸引一些資金注入、贊助商加盟，另外在各大高校、中小學、教育培訓機構、喜愛健身的家庭、個人等進行宣傳的話，也可以更好的擴大AR體育教材的使用，增加學習興趣，提高學習效果，促進體育的信息化發展，廣告宣傳也可能會吸引更多的科研工作者、科研團隊來研究、優化AR體育教材，為更多的智能化體育提供幫助，使AR體育教材更加普及化。

5.2.4 建立科研團隊

開發AR體育教材需要一定的周期，并有一定的技術難度[20]，有較好的的科研團隊合作，能夠提高開發效率、增加科研成果。

6 結論

AR技術已經在多個學科包括體育學科展開運用，但目前AR體育教材開發國內尚屬空白，本研究根據大學體育教學的特點以羽毛球教學為例嘗試了將AR技術引入到體育教材編寫和體育教學中，對于開發流程和學生接受度做了初步探索，但由于經費和技術的不足還沒有進行具體數據的測量，擬解決方法為：（1）尋求贊助，解決當前資金困難的問題；（2）洽談合作，與市面上資質較好，開發制作技術精良的公司尋求合作，開發出更精良的AR體育教材；（3）廣告宣傳，使AR體育教材更加普及化；（4）建立科研團隊，提高開發效率、增加科研成果。如果今后將AR體育教材完整化，又有較好的增強現實效果，不但能激發學生的興趣，提高老師的教學效果，也為未來體育教學走入信息化時代、體育教學改革和體育教學研究奠定了堅實的基礎。

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A Practical Research on AR Technology Applied in Physical Education College Textbooks--Taking Badminton Teaching as an Example

ZHAO Meng, etal.

(Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China)

江蘇省教育科學“十三五”規劃2020年度課題“VR與AR技術在高校球類項目關鍵技術教學與訓練中的應用研究”（項目編號：SKYZ2020024）；教育部人文社會科學研究規劃基金“高校體育綜合服務應用程序（APP）的設計與初步實現研究”（項目編號：18YJA890004）。

趙朦（1987—），碩士，講師，研究方向：體育教學、體育信息技術。

耿文光（1980—），碩士，副教授，研究方向：體育管理、體育信息技術。