運動員時間知覺虛擬仿真實驗的設計與實現

李 雪， 王小春， 張 斌， 楊 揚， 沈高飛

（上海體育大學a.教務處；b.心理學院，上海 200438）

0 引言

知覺是客觀事物直接作用于感官而在頭腦中產生對事物的整體認知［1-3］。知覺作為一種活動、過程，包含了互相聯系的幾種作用：覺察、分辨和確認［4］。知覺是在感覺的基礎上發生的，并且總是和客體意義相聯系。根據人腦所認識的事物特性，知覺可以分為空間知覺、時間知覺和運動知覺，時間知覺是對時間長短、快慢、節奏和先后順序關系的反應，它揭示了事物運動和變化的延續性和順序性［5-8］。運動員在運動過程中，所涉及的認知過程一般包括知覺、記憶、思維與決策等，知覺是后續認知過程的前提和基礎。在體育活動中，事物在知覺的變化較日常生活更加迅速，要求運動員不斷和及時對沒有固定模式的變化作出精準的判斷和決策，同時以各種運動行為對此作出反應。其中，時間知覺尤為重要，也是制約運動員競技比賽成績的重要因素之一［9-10］。在時間知覺領域內受到一致公認的研究范式有預期式和回溯式2 種［11］，時間知覺的預期式研究范式對運動領域的研究具有重要的借鑒作用，因為在多數運動項目中都涉及對時間的準確預期［12］。目前有關運動員時間知覺的訓練受到時間、人力、物力、環境等方面的制約。①運動員時間知覺的訓練是個長期過程，一學期的課程無法完全監控成效；②線下硬件設備側重單次訓練，后臺數據無法第一時間反饋并有效比對訓練前后及多次訓練累積成效，而虛擬仿真實驗能及時反饋操作數據并形成前后對比；③虛擬仿真實驗教學可以脫離空間時間的束縛，實現理論與實踐的自由切換。因此，以運動員時間知覺研究為切入點，基于虛擬仿真技術構建實驗環境，設計并實現提升運動員時間知覺理論知識與實踐能力的虛擬仿真實驗教學系統。

1 實驗教學系統設計原則和教學內容

1.1 實驗教學系統設計原則

系統的設計原則為：以運動員時間知覺的影響因素和技能提升這一研究課題為主線，以心理學和體育學的教學需求、專業理論知識、知覺虛擬測評為目標，使教學過程中的三維空間相關的測驗成為可能，而且虛擬仿真技術對于現實的高度模擬保證了結果的可靠（見圖1）。基于多因素參數設計、復制法及評估法等時間知覺測評方法，圍繞運動員時間知覺的測評和訓練，設計乒乓球、網球、羽毛球3 種虛擬場景，引導學生完成基于反應時測量的心理學實驗教學核心內容，通過虛擬仿真系統設計與時間知覺密切相關教學模式，引導學生完成理論學習、實驗操作、數據分析、實驗報告全流程。虛擬仿真技術結合計算機，可以支持學生或運動員測評結果的數據獲取，同時進行多人的測評，實現從時間知覺理解到應用的全方位實踐。

圖1 實驗教學系統設計

1.2 實驗教學系統教學內容

運動員時間知覺虛擬仿真實驗的教學內容見圖2，包括實驗簡介、實驗模擬、思考題、拓展學習4 部分。

圖2 實驗教學內容

（1）實驗簡介。實驗簡介主要以文字、圖片、表格等形式向學生展示實驗目的、實驗原理、儀器設備、數據分析、參考文獻等內容。學生通過這部分可以了解本實驗所涵蓋的知識點，學習實驗中使用的知覺測評及反應時測量的計算方法等。

（2）實驗模擬。實驗模擬部分是本虛擬仿真實驗的核心。在體現“能實不虛”的原則下，將虛擬的知覺交互訓練與現實的時間知覺預判理論相結合，設計了一組通關類實驗模式，包括學習模式、一般模式、運動模式、競技模式和考核模式。

學習模式中，訓練者可以清晰地閱讀時間知覺的定義與影響因素介紹，形成對概念的整體認識；一般模式中，通過兩種基本的測量方法，結合視覺、聽覺刺激觀察學生復制和評估時間長度的能力；運動模式中，通過三維模型和動畫效果展示羽毛球、網球、乒乓球發球的畫面，選擇進入不同的運動場景后，面對慢速、中速和快速的發球，移動和點擊角色人物完成擊球動作；競技模式中，學生選擇相應的運動場景，完成與虛擬對手的模擬對戰；考核模式中，通過概念性問題的回答和開放性話題討論深化訓練者對于時間知覺的理解與應用，完成對學習效果的測試。

（3）思考題。針對虛擬仿真實驗涉及的知識點、虛擬場景設計要素、實驗操作注意事項等設置了思考題，引導學生對實驗原理和關鍵點進行思考。

（4）拓展學習。實驗拓展學習部分提供了與時間知覺相關的拓展學習資料，包括視頻、圖片、文檔等，旨在進一步延伸虛擬仿真實驗的教學內容，啟發學生對實驗過程進行反思并能自主設計與時間知覺相關的實驗，提高學生的數據分析和科研創新能力。

2 系統模塊設計與功能

以運動員時間知覺的理論學習和技能提升這一研究課題為主線，以基礎時間知覺理論的學習、一般時間知覺的評定訓練、模擬運動場景時間知覺訓練、模擬比賽情境時間知覺訓練、時間知覺的考核評定從簡單到復雜，從低階到高階的實驗流程為線索開展系統模塊設計。學習步驟：學習模式-一般模式-運動模式-競技模式-考核模式；解鎖方式：學習模式知識點學習完畢解鎖一般模式，一般模式所有測評完成解鎖運動模式，運動模式完整體驗兩個場景解鎖競技模式；競技模式完整體驗兩個場景解鎖考核模式（見圖3）。

圖3 解鎖式系統模塊設計

2.1 學習模式

該模塊包括時間知覺的定義和影響因素2 個子模塊，幫助學生形成時間知覺的概念、特點和影響因素的整體認知。

（1）定義子模塊介紹時間知覺的概念。時間知覺是對時間長短、快慢、節奏和先后次序關系的反映，解釋了客觀事物運動和變化的延續性和順序性。時間知覺既來自外部，也來自內部的計時工具。對運動員來講，時間知覺即對某一事件延續時間長短的感知是運動員時間知覺的關鍵。

（2）影響因素子模塊介紹時間知覺受情緒、感知覺通道的影響情況。情緒對時間知覺的影響隨觀看時距長短變化而變化，在2 s以內的短時距下，情緒通過喚醒機制影響知覺；在2 s以上的長時距下，則通過注意機制影響知覺［13-14］。感知覺因素對知覺的影響包括視覺、觸覺、聽覺來評估時間，其中聽覺估計的準確性最高、視覺最低、觸覺居中［15-16］。本實驗嘗試探索在不同時距呈現時間、視聽多因素刺激情況下評估運動員時間知覺的掌握情況。

2.2 一般模式

該模式通過模擬時間知覺實驗，引導學生分別用復制法和評估法進行實驗操作，結合視覺、聽覺、視聽刺激觀察并記錄實時反饋、評價學生的實驗成績。

（1）復制法包括視覺、聽覺、視聽覺3 種刺激。進入復制法-視覺刺激，系統將呈現一定時長的圖片（見圖4），學生在反應頁面通過按鍵復制這段時長；進入復制法-聽覺刺激，系統將呈現一定時長的聲音，學生在反應頁面通過按鍵復制這段時長；進入復制法-視聽刺激，系統將同時呈現一定時長的聲音和圖片，學生在反應頁面通過按鍵復制這段時長。每種刺激測量3次，系統自動反饋每種刺激的時距誤差并判定綜合表現。

圖4 復制法-視覺刺激呈現頁面

（2）評估法與復制法類似，呈現視覺、聽覺、視聽覺3 種刺激，與復制法不同的是評估法要求學生評估持續的時間長度并輸入數值，評估的時間與實際刺激持續的時越接間近，時間知覺越準確。評估法中每種刺激測量3 次，系統自動反饋每種刺激的時距誤差并判定綜合表現。

2.3 運動模式

該模式通過三維模型和動畫效果展示羽毛球、網球、乒乓球發球的畫面，引導學生選擇不同的運動項目、感知覺通道與發球速度后，進行接球的時間判斷，并實時反饋和評價學生的接球成績。系統設置視覺模式、視聽覺模式兩種感知覺通道，每種通道設置慢速、中速、快速3 種發球速度，學生移動和點擊角色人物完成擊球動作。主試完整體驗運動模式的兩個場景，成功完成相應場景的六種接球任務，將解鎖競技模式。

（1）視覺模式。以羽毛球訓練為例，屏幕下方的虛擬人物為受試者，任務是綜合判斷球的落點和擊球時間，移動位置并點擊鼠標進行接球。選擇視覺-中速模式，左手控制WASD鍵，右手控制鼠標，做好準備后鼠標單擊“準備好了”（見圖5）；看到對方發出一個羽毛球后，控制虛擬人物尋找并移動到合適的落點位置，判斷羽毛球的飛行時間，單擊鼠標完成接球動作（見圖6）。系統自動反饋接球成功或失敗，引導開展視覺-慢速或視覺-快速練習。

圖5 羽毛球準備（視覺模式-中速）

圖6 羽毛球擊球（視覺模式-中速）

（2）視聽覺模式。以網球訓練為例，視聽覺模式和視覺模式類似，選擇視覺-中速模式，左手控制WASD鍵，右手控制鼠標，做好準備后鼠標單擊“準備好了”（見圖7）；看到對方發出一個網球后，控制虛擬人物尋找并移動到合適的落點位置，判斷網球的飛行時間，單擊鼠標完成接球動作（見圖8）；不同的是視聽覺模式會同時呈現一段純音刺激、發球動作的擊球聲音，作為受試者完成接球的時間距離測量的參考因素。系統自動反饋接球成功或失敗，引導開展相應速度的接球練習。

圖7 網球準備（視聽覺模式-中速）

圖8 網球擊球（視聽覺模式-中速）

2.4 競技模式

該模式在一般運動場景的虛擬效果上加入競技元素，通過設置證分牌、人機對戰、現場觀眾等因素，引導學生在實驗系統中進行虛擬比賽與訓練，競技模式為7 分賽制，發球以不同速度落在不同區域，接球成功方計1 分。競技模式設置羽毛球、網球、乒乓球3 種類型的比賽。主試完整體驗競技模式的兩個場景，成功完成相應場景的比賽任務，將解鎖考核模式。

以乒乓球比賽為例，屏幕下方的虛擬人物為受試者，鼠標單擊“開始比賽”進入比賽場地（見圖9）。對方發球且伴隨擊球聲音，控制虛擬人物尋找并移動到合適的落點位置，判斷乒乓球的飛行時間，單擊鼠標完成接球動作。接球成功記分牌計1 分，顯示1-0；接球不成功對方計1 分，顯示0-1（見圖10）。鼠標點擊“下一球”，對方發下一球。任意一方累積7 分后比賽結束，系統自動反饋比賽成績，學生可以選擇重新挑戰或其他場景完成競技比賽。

圖9 乒乓球開始比賽

圖10 乒乓球比賽階段

2.5 考核模式

考核模式中，通過概念性問題的回答和開放性話題討論深化訓練者對于時間知覺的理解與應用。考核方法采取百分制形式，當考核總分超過80 分時（含80分），該學生的虛擬仿真實驗課程學習通過，若低于80分（不含80 分），則為不通過，需要重新開始實驗課程，直至通過。具體評分標準為：①各部分實驗操作結果經系統測算后劃分“一般、良好、優秀”3 個水平，超過80%的操作為優秀可獲得50 分，超過70%的操作為良好可獲得30 分，70%以下（含70%）的操作為一般可獲得20 分；②考核模式，對每道客觀題賦值，總計15 分，主觀題賦值15 分，由教師進行考核給分；③實驗報告環節，學生獨立在線撰寫實驗報告，該部分總計20 分，由教師進行考核給分。

3 實驗技術實現

3.1 開發技術

系統開發工具為Unity3D、3D Studio Max，同時使用WebGL、Photoshop作為輔助工具共同完成開發。系統呈現的單場景模型總面數為900000 面，貼圖分辨率為1024 ×1024，每幀渲染次數大于30 次，顯示刷新率高于30 幀/s，分辨率為1920 ×1080。系統實現乒乓球、羽毛球、網球3 種運動項目三維虛擬場景建模，采用3D仿真技術完成虛擬場景、虛擬人物、模型材質等構件，并區分不同的球速、落點、感覺信息等專項特征，對周圍情境進行布建，如場上比分、觀眾聲音反應類型等。實驗的參數設計將發球的速度劃分為3種級別（快速、中速、慢速），中速的標準接球時間定為1700 ms，慢速的標準接球時間定為2550 ms，快速的標準接球時間定為850 ms，3 種發球速度對應成功接球的時間范圍分別是標準接球時間上下15%、10%、30%的范圍。實驗采用Ling Mapping烘焙技術對三維模型進行光照和陰影處理，增加三維模型的層次感。虛擬仿真實驗使用Adobe Photoshop 軟件進行可視化頁面設計，采用扁平化的設計風格，優化頁面視覺布局，調整人物、圖片、位置等，實現虛擬仿真各個場景的美觀、易讀、易操作。實驗支持場景漫游功能，通過Transform組件實現三維場景漫游，主試可以通過操作鍵盤的WASD鍵控制虛擬人物在場景中進行前后左右移動，并通過按住鼠標左鍵拖動實現視角旋轉。

3.2 系統架構

實驗系統采用客戶端/服務器（C/S）構架，系統架構包括四層：技術層、服務層、仿真層、應用層（見圖11）。遵循下層為上層服務的原則，實現本實驗的教學目的。

圖11 實驗系統建設架構圖

（1）技術層。支持層是虛擬仿真實驗系統的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下功能子系統：安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等。

（2）服務層。通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理和數據管理，提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。實驗管理服務包括：實驗教務管理、實驗教學管理、實驗資源管理、互動交流、實驗結果自動批改、實驗報告管理等；數據管理服務包括：基礎元件庫、實驗數據、標準答案、規則庫、用戶信息等。

（3）仿真層。仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬人物開發、提供通用的仿真器，構建可視化的仿真效果，同時對不同參數進行后臺計算，最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

（4）應用層。實現本實驗的教學應用，該框架的應用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據教學需要，利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型，面向校內外開展實驗教學應用。

4 系統應用

4.1 傳統實驗模式的創新

該虛擬仿真實驗通過人機交互系統，推進“心理學理論學習→情景模擬實戰演練→多元化實驗考核”循序漸進的實驗技能培養方案，啟發運動員由外部開創了理論和實踐相結合的啟發式教學訓練新模式。項目結合虛擬仿真訓練場景和競技比賽場景，使運動員能沉浸于其中，體驗式掌握訓練環境和比賽環境下的時間知覺技能，彌補了傳統教學中技能訓練與個人內部感知訓練脫節的局限，是傳統實驗教學的創新探索。

4.2 實驗教學應用成效

該虛擬仿真實驗于2019 年3 月上線，同年6 月向社會學習者開放。目前，已經應用于上海體育學院大一至大四心理學專業、體育教育訓練學專業和運動訓練專業相關本科實驗教學，課堂實驗學生人數達8342人次。課題組依托學校“科技冬奧”國家重點研發計劃、“社區健康師”等項目與運動隊、中小學、社區服務機構等組織保持溝通交流，促進本項目在社會中的應用，累積校外服務人數超3 萬人次。實施效果表明本實驗環節及內容設計較為合理，項目推廣效果良好。

5 結語

運動員時間知覺虛擬仿真實驗對于提高學生運用理論知識的靈活性與實驗操作能力，提升教學與科研質量，提高運動員訓練的科學性和效率具有一定的幫助，然而仍然面臨進一步優化教學內容、提升教學效果、實現推廣應用的挑戰［17-18］。在確保學生及運動員掌握基礎知識的前提下，未來本項目將增設其他的運動項目與感知覺通道，不斷完善時間知覺交互訓練的虛擬仿真內容，建設一套具有體育院校特色的虛擬仿真心理學教學程序，深入激發學生對新知識的學習興趣與持久性，鍛煉創新實驗能力。