基于虛擬教學系統的高校體育課程教學改革探索與實踐

當前人工智能技術已經進入加速發展的新階段，相關技術正在對高校教育教學產生深遠影響，體育作為高校教育中的重要組成部分，如何與人工智能實現融合發展也成了當前高校及社會關注的焦點?；谌斯ぶ悄艿奶摂M現實仿真能夠實現對真實世界的動態重建，是未來教育的重要發展趨勢。在此背景下，本文深入討論了“體育強國”背景下高校體育課程教學的發展現狀，以及基于體育人工智能等新技術的運動技能虛擬教學系統在體育教學活動中的應用場景及其潛在效果和意義。

體育強國建設是促進人的全面發展，滿足人民對美好生活向往的重要途徑。全國教育大會上指出，要幫助學生在體育鍛煉中享受樂趣、增強體質、健全人格、錘煉意志。作為承擔為黨育人、為國育才使命的高校，開展教育工作要全面貫徹落實關于體育強國的重要論述，高度重視和加強體育工作。把體育健身與人民健康結合起來，將學校體育課程改革與全校師生體育鍛煉實際結合起來，不斷改革和創新，為促進師生身心健康發展貢獻力量。高等院校體育類課程教學以建設體育強國為目標，踐行體育強國理念，充分發揮在建設體育強國、增強國家凝聚力和文化競爭力等方面的優勢和獨特作用，通過信息化、人工智能技術等實現高等體育課程改革創新，提升體育教育教學水平，是體育強國建設下的必然發展趨勢。

1 “體育強國”背景下高校體育專業教學現狀

高校體育教學的建立、發展與完善整體經歷了長期的過程，建國初期體育課程的建設經過了多種方式的探索，改革開放初期轉變為以增強體質為目標的課程模式。20世紀90年代以后，高校體育教育除了增強體質這一根本要求，還要求學生身、心、社會三方面的和諧發展，由最初的單一模式逐步進行轉變，這一階段的課程改革走向了繁榮階段。近年來，在素質教育和終身體育思想的指導下，全國高校掀起了一輪大學體育改革的新高潮。在體育課程模式、課程指導思想、體育課程理念、課程內容、課程目標等方面都有了很大的突破和發展，形成了各具特色的體育課程模式，在很大程度上促進了我國大學體育課程的科學化、現代化發展。

2019年8月，《體育強國建設綱要》提出“要加快推動互聯網、大數據、人工智能與體育實體經濟深度融合”。2019年9月，國務院辦公廳《關于促進全民健身和體育消費推動體育產業高質量發展的意見》進一步指出，推動智能制造、大數據、人工智能等新興技術在體育制造領域應用，支持以冰雪、足球、籃球、賽車等運動項目為主體內容的智能體育賽事發展。2020年9月，習近平總書記在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上指出：“聚焦重點領域和關鍵環節，深化改革創新，不斷開創體育事業發展新局面。”因此要在國際競爭局勢不斷變化中加強運行機制的創新、加強科技和訓練方法的創新，改革高校人才培訓體系、完善競賽制度等，不斷增強體育強國建設的動力。

在體育強國戰略下，高校體育教育與人工智能的融合將是未來發展的必然趨勢。“人工智能+體育”可以促成教學管理“智能化”、教學過程“數字化、可視化”和教學數據“精準化”分析的教學需求，可以促進傳統體育教學向新型智慧體育教學模式轉變，提高體育教學質量，提升學生體育綜合素質。在“人工智能+體育”融合課程探索方面，多所院校已經從多個方向進行了積極嘗試。如蔣宇琨等通過設計一體化設備及智慧體測平臺，將人工智能應用于體育測評，使體測過程不僅變得更加快捷高效，還能夠大量減少人力資源投入、節約時間成本，而且體測數據能長久保存，方便進一步追溯信息。張汕通過虛擬現實技術探索人工智能技術在體育舞蹈教學上的多元化內容應用與拓展，挖掘具有可操作意義的教學模型。以上研究從不同角度探索人工智能與高校體育教育結合實施的新路徑，實現高等院校中體育教育教學方法的創新與優化，有助于培養有個性、有能力、復合型的人才。

人工智能技術的快速發展也對體育教師提出了更高的要求。高校體育學科教師作為推動體育課程信息化、多元化發展的主要推動者、參與者，教師自身能力的提升是否能夠適應教育教學改革的發展速度，是高校體育教育發展的關鍵。因此，教師需要在一定層面上拓展業務能力和教學方式，注重教學形式的多元化發展。一方面，要強化高校體育類課程專業教師的信息素養，通過信息技術知識和專業技術知識的學習，將二者進行充分結合，進行體育教育改革的探索，從而培養知識、能力、素養全面提升的體育教師團隊。另一方面，建立掌握信息應用技術的激勵機制，注重學生個體化差異，根據學生特征制訂個性化教學方案，幫助學生掌握體育專項技術技能的同時樹立正確的價值觀和人生觀，使體育信息化教育教學真正能為學生的健康發展而服務。

綜上所述，高校體育教學模式的創新發展是大勢所趨，對于我國體育教育事業的長期可持續發展具有積極推動作用。體育強國科學理念的彰顯、建設體育強國宏偉目標的確立，為高校體育教育教學健康科學發展，進而充分發揮在建設體育強國中的重要作用奠定了堅實的思想基礎，明確了正確發展方向和實踐著力點。在此基礎上，更應該查漏補缺，深入探討研究高校體育類課程改革創新的發展模式，進一步推動高校體育課程教育教學方法的改進，促進高校體育教育全面發展。

2 高校體育教學存在問題的關鍵影響因素

目前，我國在傳統體育教學中最突顯的問題：一是專業體育師資匱乏；二是運動數據難監測、難記錄、難評價；三是傳統的體育訓練項目過于枯燥，學生運動積極性不高。其中運動數據難監測、難記錄、難評價是核心問題，以運動技能教學為例，在運動技能教授過程中，教師講解以及運動技能示范過程時間一般較短，學生對“技術動作”的發力過程難以完全理解、消化和掌握。這就造成一個現象：在練習過程中學生看似能夠順利完成技術動作，但是其發力過程的發力肌群和肌群發力時機往往并不準確。這是因為運動是由神經控制肌肉發力來驅動身體實現的，本質上說技術動作是否正確取決于肌肉發力過程，而當前的教學模式下，往往只有技術動作的教學視頻以及教師的示范。學生只能是對所看到的動作進行模仿，而缺乏對肌肉發力過程的可視化、定量化認知。因此，學生在技術動作的學習中往往得其“形”而未得其“意”。例如在常見的硬拉、深蹲甚至跑步訓練中，很多學生在技術動作完成時存在動作模式不準確、肌肉代償等問題。這導致運動訓練教學中課上學生接受效率較低，一些錯誤的發力方式往往起不到預期的訓練效果，而且非常容易帶來運動損傷。這些問題都需要學生課后大量練習和對技術動作反復思考和摸索。因此，急需探索建立運動技術虛擬教學系統，從運動學和動力學等方面對技術動作進行定量解析，以及可視化展示，以提高教學質量。

在傳統的體育教學中，老師通常只能根據自己的經驗和知識水平，給出一些相對固定的教學方法和訓練計劃。而人工智能技術的引入，體育教育可以更加智能化。例如，可以根據學生的身體素質、興趣愛好、學習情況等因素，智能地生成適合學生的訓練計劃和教學方法；同時人工智能技術可以幫助老師更加高效地進行教學和管理，以提高教學效率和質量，也可以讓老師有更多的時間去關注學生的學習和成長。這不僅將有助于解決傳統體育教育中存在的痛點，也將推動高校體育教育方式甚至整個體育產業的變革。因此，在體育教學過程中，人工智能可以幫助學生更加快速地掌握基本運動知識和運動技能，也將使運動訓練變得更加科學、高效，有助于實現體育教學的可視化和個性化。

3 高校體育運動技能虛擬教學系統搭建及探索

虛擬現實技術綜合三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、顯示技術、伺服技術等多種高科技的最新發展成果，構建多源信息融合的交互式三維動態視景和實體行為的仿真系統。其利用計算機生成一種逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的模擬環境，從而給人以環境沉浸感。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術，隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業對虛擬現實技術的需求日益旺盛，虛擬現實技術也逐步成為一個新的科學技術領域。

虛擬教學系統利用虛擬現實數字技術，可以創造一個多維度教學場景，調動學生的視覺、聽覺、觸覺等多感官參與其中。利用形象逼真的虛擬現實智慧教學系統將抽象的知識形象化、復雜的知識簡單化。從而激發學生探索知識的興趣，使其真正理解并深刻記憶所學內容，從被動學習轉向主動學習，最終實現教學目標的有效達成。在高校體育類課程中應用虛擬教學既能節約教學資源，又能完善教學環節，提高教學質量，還能通過新技術實現學生專業技能的提升。本文將以運動技能虛擬教學系統為例，進行人工智能技術應用于高校體育專業教學的課程改革探索與實踐（如圖1所示）。

3.1 運動技能虛擬教學系統技術路線

運動技能虛擬教學是對實際運動技能教學的虛擬，是虛擬化的運動技能在教學中的應用。包括運動數據采集模塊、標準技術動作數據庫模塊、數據分析模塊、動作可視化模塊以及動作評估和指導模塊等。其核心邏輯在于通過對標準技術動作進行多維度深度解析，獲得身體運動學姿態、關節力矩以及肌肉發力情況的定量化描述，并進行可視化展示（技術路線如圖2所示）。同時可對學生現場示范的技術動作進行實時、定量化描述，以及可視化展示，并在最后通過動作評估模塊實現與標準技術動作的對比及評價等功能。

3.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要包括動作捕捉系統和動力學測試系統。動作捕捉系統可以是基于紅外攝像機和反光標記點的傳統動作捕捉系統，也可以是基于深度學習算法的純視覺動作捕捉系統，一般由4臺以上攝像機組成。動力學測試系統最常見的是三維測力臺系統，可以和動作捕捉系統同步采集人體運動過程中所受地面反力。目前，一些基于純運動學的地面反力評估算法也能夠得到很好的地面反力結果。

3.3 標準技術動作數據庫

標準技術動作可視化主要依賴于標準動作數據庫的建立。通過數據采集模塊收集相關專項高水平運動員的標準技術動作數據，包括運動員動作姿態和所受外力的原始數據等。同時這些數據通過數據分析模塊進行人體動力學分析，得到運動姿態、速度、關節角度、角速度等運動學數據，以及關節力矩、肌肉力、肌肉發力順序等動力學數據，這些不同維度的數據將同原始數據一起封裝形成數據庫。

3.4 數據分析模塊

數據分析模塊主要依托開源的人體動力學分析軟件框架OpenSim軟件。針對數據庫中動作模型特征，搭建數套相應的人體肌肉骨骼模型。數據分析模塊的主要功能即利用人體肌骨模型對標準技術動作數據或者實時采集到的人體運動學、動力學數據進行人體動力學分析，計算專項動作關節角度、角速度等運動學數據，以及關節力矩、肌肉力、肌肉發力順序等動力學數據。

3.5 動作可視化模塊

動作可視化模塊包括對標準專項動作以及教學過程中現場動作的可視化展示。通過標準動作可視化模塊對專項動作過程進行三維立體化展示，教師可以借助該模塊從不同視角介紹動作細節，包括肌肉發力順序等。這樣的立體化展示過程可以幫助學生快速且準確地理解技術動作要點。借助現場動作可視化，學生能夠通過定量化的反饋對自己剛剛完成的技術動作的視覺、本體感覺反饋信息進行修正，可以幫助優化運動員閉環反饋控制系統調控能力，進而提升對身體的自我控制能力。

3.6 動作評估模塊

動作評估模塊主要功能是以標準動作數據庫動作為標準對現場教學過程中學生的技術動作進行打分。包括基于深度學習算法訓練得到的評估模型的評分，也包括對比學生動作與標準動作相似度來評估動作準確性。同時結合關節力矩、肌肉力、肌肉發力順序等參數深入分析導致動作差異的發力過程，給出改進動作的發力建議。

4 虛擬教學系統對高校體育教學的意義

4.1 實現運動訓練教學可視化

運動技能虛擬教學系統的重要特色就是對運動技術的立體化展示。借助標準動作數據庫中的大量可視化數據，學生可以從不同角度反復觀察學習。另外，系統還可提供肌肉發力過程的可視化，能夠幫助學生更直觀、定量化地理解技術動作肌肉發力情況。借助現場動作可視化模塊，可以對學生的動作進行清晰的捕捉和回放，方便學生觀察自己的動作完成情況，對評價結果進行及時調整。

4.2 激發學生學習興趣

運動技能虛擬教學系統能夠將枯燥的動作技術要領轉換成可觀、可感的模型供師生解讀。動作技術評估模塊能夠促進教學相長，促進學生反復提高技術動作水平的意愿。虛擬教學系統可模擬如跳臺滑雪等特定場景下的運動情況，實現突破傳統模式受到場地、器材、天氣等原因的限制，使學生在技能學習的過程中更具體驗感。新穎的教學方式能夠激發學習興趣，營造高效和輕松的學習環境。

4.3 提升教學質量

運動技能虛擬教學系統能夠通過直觀、立體化、定量化的方式描述技術動作過程，以及其對應的肌肉發力過程，包括肌肉發力順序及肌肉力大小的定量展示。同時還能給出其動作與標準動作差異的定量化描述，借助其豐富的展示能力，實現學生對新技術發力模式的快速理解、消化和掌握。虛擬的運動技能教學系統還可以突破時空限制，充當教練和指導老師的部分角色，課堂練習中可以做到更為科學地指導和反饋。教學過程中的數據還可以儲存在數據庫中，生成個人的學習檔案，方便教師進行更為準確的評估。

5 總結和展望

作為承擔為黨育人、為國育才使命的高校，應高度重視和加強體育教育工作。首先要牢固樹立學生加強體育運動的理念，重視營造高校體育教育的文化氛圍，在完成專項課程的基礎上開展全員性、群眾性體育活動；其次，要創新高校教師體育教學的方式方法，加強高等教育體育教師隊伍建設，做好教師培訓教育，建立一支相對穩定、結構合理的師資隊伍。最終，將大學生的體育教學與健康教育相結合，提高學生的身體素質和健康水平，培養有擔當、有道德、有創新精神的優秀人才。

因此，高校體育教育需要不斷適應新的技術和教育方法的變化，人工智能技術與體育的深度融合，為教師和學生提供了更多的機會和資源，也將為高校體育教學改革及發展帶來更多可能性。從運動技術教學角度來看，基于深度學習算法的純視覺動作捕捉系統識別精度不斷提高，以及基于純運動學的地面反力評估算法快速發展，極大提高了運動捕捉和人體動力學分析的操作便捷性、實時性，為運動技能虛擬教學系統應用于體育教學提供可能，也有利于實現更加個性化和高效的學習體驗。未來，虛擬教學系統在高校體育教學中的普及發展將成為必然趨勢。

本文系北京市教委科技一般項目（Ramp;D Program of Beijing Municipal Education Commission）“基于肌肉協同效應的肌力分布算法優化及其在坐姿越野滑雪力學分析中的應用”，項目編號：KM202210029002。

（作者單位：首都體育學院）