基于虛擬現實技術的高校體育教學應用研究

葛金琰 閆振龍 李云鑌

（西安交通大學 陜西 西安 710049）

伴隨著信息技術的發展，體育學類的教學模式及教學方法發展迅速，對于體育教師的培養和就業環境均發生了顛覆性變化。高校內的體育教育具有專業理論知識接受性強，多樣性的體育專項課程覆蓋面廣的特點，隨著時代發展，高等教育的教學模式也應順應時代的發展進行有意義的革新，傳統的高校體育教學模式和方法注重線下課堂單方面的專項理論知識和實踐技術的傳授，鮮少運用現代科學技術手段改革體育教學內容和手段，創新體育教學模式。

1、虛擬現實技術及特點

1.1、虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機技術，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，高效能計算機信息處理技術主要包括數據轉換技術、數據處理技術、聲音空間化技術、數據壓縮及數據庫生成技術等。可借助傳感頭盔、數據手套等專業設備，讓用戶進入虛擬空間，將計算機生成的虛擬空間中的事物和作用反饋到真實世界中，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受，讓使用者感知產生于虛擬空間的各種逼真刺激，并產生等同親臨真實環境的“沉浸”感。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多種技術的融合，是一門富有挑戰性的交叉技術。

1.2、虛擬現實技術特點

1994年Burdea和Coiffet描述了Virtual Reality的3個基本特征，即想象、交互和沉浸，(3I，Imagination Interaction Immersion)。因虛擬現實技術的硬件、軟件和領域不同，3I的偏重也各有不同。想象是指虛擬現實技術具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認知范圍，可再現真實環境，也可以隨意構想客觀不存在的環境；沉浸即臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度，虛擬現實能提供給用戶一個真實的虛擬環境，用戶在其生理和心理的角度上，對虛擬環境難以分辨真假，如同在現實世界中的感覺；交互是指用戶實時地對虛擬空間的對象進行操作和反饋。虛擬場景的構建、人機交互的體驗需要軟硬件多種技術作為支撐實現。包括三維圖形模型構建、模型驅動技術、立體聲合成技術、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術，使用者通過利用頭盔顯示器、手套等傳感裝置設備將自己置身于虛擬的環境中。目前，虛擬技術發展日趨成熟，其在醫學、航空航天、城市規劃、建筑、虛擬演播室、藝術、娛樂游戲、教育等各個領域的應用已經取得了長足的進步。

2、虛擬現實技術在高校體育教學中的運用

2.1、改善教學環境

改善教學環境，彌補各種因素導致的場地、教師、時間等不足及場地受限。虛擬現實技術正在廣泛地應用于高等學校中醫學、建筑、材料、化工、機械等學科，以信息技術改變了傳統的實驗、教學模式。虛擬現實技術利用多傳感交互技術、三維圖形生成技術和高分辨顯示技術，生成逼真三維的虛擬環境，為學生提供感官之上的真實模擬過程，使學生如同身臨其境，這項技術的特質可以在一定程度上彌補當前高校體育教學所面臨的教學困境。例如，當前疫情形勢下，高校的體育課堂因疫情防控需要，體育課的教學形式從線下課堂配合轉為線上，相較于其他學科，線上授課的方式對其教學效果影響較小。然而對于高校的體育課程，線上的體育教學形式意味著部分要求特定場景環境（如，游泳）的體育項目的專項練習面臨停擺，影響了專項教學進度的推進。同時天氣與環境因素也是制約部分高校開展日常體育課程教學的原因，如，遇雨雪、霧霾天氣影響，部分授課場地在室外的體育課程就會面臨停課的現實，阻礙了教學目標的實現。將虛擬現實技術引入體育學教學中，可以通過構建相關專項體育課程的虛擬場景為學生提供創新式的教學平臺，使學生身臨其境的感受“虛擬化”教學，通過與學生的感官互動促使教學過程游戲趣味化、沉浸體驗化。

2.2、推進高校體育課程建設

推進高校體育課程建設，豐富體育課程選擇。當前隨著時代對高校體育教學課程改革的要求和各體育專業人才的引進，高校體育課程的教學內容、教學形式更加多樣和多變。隨著傳統體育項目、新興體育項目進校園的推進，我國傳統項目如舞龍舞獅、龍舟、毽球，新興體育項目如跆拳道、瑜伽、賽艇等體育項目已經成為了不少高校體育課程的選擇。然而由于場地、環境、運動風險等因素的限制，不少運動項目在現實環境下無法在高校進行普及和推廣，例如，冰雪運動的滑雪項目、水上項目沖浪等。這些體育項目最為新興的熱門體育項目，深受年輕人的喜愛，在高校的普及具有帶動年輕人的參與，增加項目人才儲備、影響項目發展的重大作用。因此，高校可以運用虛擬現實技術避開校內發展這些項目的限制，以冰雪運動的滑雪項目為例，虛擬現實技術可以虛擬仿真冰雪環境并制作基礎的動作教學，通過外部硬件設備將學生置身于虛擬環境中，同時穿戴滑雪裝備進行模擬練習，完成對項目的初步掌握，培養學生興趣，也能極大程度地避免運動傷害事故的產生。虛擬現實新興運動項目在高校內的開展，為學生提升鍛煉興趣，自覺開展體育鍛煉，培養終身體育思想奠定堅實的基礎。

2.3、探索科學運動訓練方式

探索科學運動訓練方式，創新訓練手段。在具備高水平招生資格的高校，高水平的運動訓練也可以借助虛擬現實技術改變傳統的訓練模式。首先，虛擬現實技術可以通過構建虛擬訓練場景如虛擬訓練場地、虛擬訓練器材和虛擬人等的建模來完成有些對訓練場景有特定的要求的運動項目的虛擬訓練系統，例如，可以通過模擬競技比賽場景，使學生身臨其境的處身于比賽環境和氛圍中進行專項訓練，將其作為訓練手段加強學生在體育競賽中的抗壓及應變能力，在虛擬的競技賽場上感受比賽氛圍，感受體育運動的魅力；其次，通過在虛擬環境中借助傳感器跟蹤設備，完成對學生技術動作的運動數據捕捉，同時通過各種傳感器和智能化儀器完成對運動員的生理生化數據、心理數據進行采集，對其身體機能進行有效監測，例如，生理數據的捕獲主要包括對脈搏、血壓等人體的新陳代謝指標和各器官、各系統的機能指標的獲取；再次，虛擬現實技術通過對學生運動過程中動作的捕捉，建立對所監測學生技術動作的3D影像呈現，使學生能夠360°甚至720°的觀看自身技術的動作形態，不同于其他視頻教學資料，虛擬現實技術可以使學生從任意角度觀看動作細節并通過構造人體虛擬現實系統，結合各體育專項運動動態發力特點，進行評估和數據分析，從而構建正確的動力定型，幫助學生改進和創新技術動作，為提升動作質量創造有利條件；最后，運動項目技戰術的理論知識以及實踐運用也可以通過運用虛擬現實手段來呈現，輔助教師完成教學。

3、體育教學中運用虛擬現實技術存在的問題及應對措施

3.1、存在問題

（1）缺少專業技術人才。

虛擬現實技術在高校體育教學中的實際運用要求制作者熟練掌握所制作體育項目技能外，同時還需具有計算機、材料、生物學科的專業知識，具備數學建模、圖像處理、數據管理能力，對拍攝所使用的各種傳感器、人機交互設備等硬件的使用方法也要有必要了解。目前體育學科缺少與工科、理科等學科的交叉學科，缺少相關背景人才。

（2）建設經費緊張。

虛擬現實技術在體育教學中的“沉浸感”離不開包括立體投影系統、顯示器頭盔式顯示器、數據手套等外部硬件設備，同時還需搭建支持虛擬現實教學的網絡配套，通常都較為昂貴。

（3）虛擬教學與真實教學差異。

虛擬環境為高校體育帶來創新實踐教學的同時也需明確虛擬的環境中練習不能完全替代真實環境中的體育鍛煉。因此虛擬現實技術應與實際的課程教學相結合實現優勢資源互補。虛擬現實教學用虛擬環境、體育系統仿真的形式將目前高校難以接觸到的體育項目、3D虛擬人動作技術教材展示給學生，允許學生嘗試不同的體育運動項目，虛擬現實教材的實現使學生能夠提前預習和復習，更直觀地掌握技術動作，但是無法保證學生的身體素質得到有效鍛煉。

3.2、應對措施

虛擬現實技術的體育教材或是體育項目的虛擬環境構建是需要多學科參與的系統工程，因此虛擬現實技術在高校體育教學中的應用需要借助高校內跨學科的力量，與相關學科建立項目合作、基地建設、加強相關人才的培訓學習，以團隊的形式完成研究探索。

利用實際課程教學中教師與學生的互動教學、有效監督等特點，將兩者深度融合，能夠最大程度的保證學生的身體素質通過體育課程得到提高，可以有效解決虛擬現實技術教學模式中存在的問題。在體育課程學習過程中可以通過虛擬仿真教材進行預習、復習、在虛擬環境中嘗試新興體育項目的學習和實際場景中教師與學生的互動教學之間靈活交互、優勢互補，開拓創新教學模式，為學生構建全方位的學習體驗。

4、結語

隨著虛擬現實技術的發展與興起，未來教育領域應用虛擬現實技術范圍將進一步擴大，應用成本也會趨于平民化。對于高校來說，將虛擬現實技術在教學領域中的應用，是當代教育科技發展的趨勢，是改變教師教學與學生學習方式的推動力量，教材內容、教學手段、教學模式都將發生深刻的變革，給高校的教學工作帶來更為深遠的影響。隨著越來越多的學校、學者參與到研究探索虛擬現實技術在教育教學等方面的深化應用，虛擬現實技術將應用在更多學科教學建設的工作中，同時也將為高校的體育學科帶來新的發展機遇，為新體育教育的創發展打開新局面。