籃球虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)研究

中圖分類號：G80 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8902-（2025）-16-074-3-SZG

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，其在體育訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日益凸顯。傳統(tǒng)籃球訓(xùn)練受限于場地、師資等因素，難以實現(xiàn)高效個性化教學(xué)。近年來，虛擬仿真技術(shù)在實踐應(yīng)用中已取得一定成果，但針對籃球教學(xué)與訓(xùn)練的虛擬仿真實訓(xùn)室研究仍處于起步階段。本研究旨在構(gòu)建一套沉浸式的籃球虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，以提升訓(xùn)練的科學(xué)性和趣味性，為虛擬仿真技術(shù)在體育領(lǐng)域的深度應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐參考。

1、虛擬仿真實訓(xùn)室的技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬仿真也稱“虛擬現(xiàn)實”，是20世紀(jì)40年代伴隨計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究新技術(shù)。它通過視覺、聽覺、觸覺等方式作用于使用者，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真。這一新興技術(shù)融合了計算機科學(xué)、工程和社會科學(xué)等領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)主要包括虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)、增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術(shù)、動作捕捉技術(shù)和人工智能技術(shù)。主要具備以下三個特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）。VR設(shè)備能夠?qū)崟r捕捉虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中運動員的運動狀態(tài)、動作水平等數(shù)據(jù)。通過特殊的硬件設(shè)備，用戶可以感受到全方位的視覺、聽覺甚至觸覺刺激，與虛擬環(huán)境中的角色進(jìn)行對話和交互。相關(guān)設(shè)備（如傳感器、VR頭盔等）能打破場景、設(shè)施等物理限制，為體育活動的實時開展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為用戶提供了沉浸式的虛擬體驗。Klopfer將AR定義為將真實的世界和虛擬場景相結(jié)合的技術(shù)。增強現(xiàn)實是情境感知的一種應(yīng)用，它將虛擬信息與真實的世界相聯(lián)系，可以糾正情境感知結(jié)構(gòu)中虛擬信息與真實學(xué)習(xí)目標(biāo)的分離問題。在體育課程中加入AR虛擬現(xiàn)實，有效地集中了事實性和程序性知識，增強了沉浸式學(xué)習(xí)體驗，提高了學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)動機。仿真實訓(xùn)基地融合了一系列技術(shù)手段，構(gòu)建了一個能輔助學(xué)習(xí)運動技能的系統(tǒng)。

2、基于AR技術(shù)的籃球?qū)嵱?xùn)基地系統(tǒng)設(shè)計

2.1、框架設(shè)計

如圖1，虛擬仿真實訓(xùn)場景設(shè)計的流程涵蓋從教學(xué)資源準(zhǔn)備到學(xué)生課后訓(xùn)練的各個環(huán)節(jié)。圖文教材能為教學(xué)提供理論知識和視覺輔助材料。再通過動作捕捉技術(shù)采集真人動作數(shù)據(jù)，制作真人動畫，用于教學(xué)演示和虛擬仿真。學(xué)生在課前可通過多媒體教學(xué)平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，預(yù)習(xí)課程內(nèi)容。多媒體教學(xué)資源庫能夠存儲和管理各種教學(xué)資源，包括圖文教材、動畫、視頻等。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行師生互動，教師發(fā)布課程內(nèi)容，學(xué)生提交作業(yè)并提問。教師根據(jù)學(xué)生的反饋和問題，通過課件和在線互動解決學(xué)生疑問。課后，學(xué)生通過反復(fù)練習(xí)和訓(xùn)練，熟練掌握課程內(nèi)容，鞏固學(xué)習(xí)成果。通過上述環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從課前準(zhǔn)備到課后訓(xùn)練的全方位教學(xué)支持。

圖1虛擬仿真實訓(xùn)場景設(shè)計的流程

如圖2，實訓(xùn)基地系統(tǒng)框架由四個部分組成，包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和表示層。每個層次在系統(tǒng)中承擔(dān)不同的功能，共同構(gòu)建一個高效、穩(wěn)定和可擴(kuò)展的實訓(xùn)基地系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要用于存儲目標(biāo)人物動作捕捉的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)上層業(yè)務(wù)處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。服務(wù)層負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)交互，由數(shù)據(jù)訪問組件、數(shù)據(jù)傳輸組件、動畫渲染組件、動作捕捉組件、中央控制組件等組成。業(yè)務(wù)應(yīng)用層作為系統(tǒng)的核心層，可根據(jù)用戶的操作和系統(tǒng)的狀態(tài)，控制業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行與處理，如構(gòu)建虛擬場景、構(gòu)建3D人體模型、制作虛擬教學(xué)動畫等，從而將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)化為直觀的用戶操作。表演層主要為教師或培訓(xùn)師與學(xué)生或參與者之間的交互而設(shè)計，負(fù)責(zé)3D展示、學(xué)生動作跟蹤、模擬學(xué)習(xí)。

圖2實訓(xùn)基地系統(tǒng)框架

2.2、硬件和軟件設(shè)計

（1）硬件設(shè)計。

系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括動作捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、中央控制處理設(shè)備和AR顯示設(shè)備。每種設(shè)備在系統(tǒng)中承擔(dān)著不同的功能和作用，共同實現(xiàn)虛擬仿真訓(xùn)練的目標(biāo)。

動作捕捉設(shè)備能實時捕捉運動員的動作數(shù)據(jù)，包括身體姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度、運動軌跡等，并以此生成高精度的動作模型，為戰(zhàn)術(shù)分析和訓(xùn)練計劃制定提供數(shù)據(jù)支持。其中體積小、精度高、靈活性好、靈敏度高、能耗低、實時性好的慣性動作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其不僅可以為技術(shù)訓(xùn)練提供實時反饋，還能幫助運動員糾正動作。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要有高速交換機、無線傳輸模塊、光纖傳輸設(shè)備。通過增加設(shè)備傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低延遲，實現(xiàn)動作數(shù)據(jù)的高效傳輸，為實時反饋和分析提供支持。中央控制處理設(shè)備負(fù)責(zé)接收并處理動作捕捉設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，運行虛擬仿真軟件，生成虛擬訓(xùn)練場景、存儲和管理訓(xùn)練數(shù)據(jù)。為虛擬仿真訓(xùn)練提供計算支持，確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。不斷通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，提升訓(xùn)練效果。常用的服務(wù)器主要包括：高性能服務(wù)器（如戴爾PowerEdge系列），用于數(shù)據(jù)處理和存儲；圖形工作站（如NVIDIADGX系列），用于運行虛擬仿真軟件；云計算平臺（如AWS、Azure），用于分布式計算和數(shù)據(jù)存儲。AR顯示設(shè)備能將虛擬訓(xùn)練場景與現(xiàn)實環(huán)境相結(jié)合，為運動員提供沉浸式的訓(xùn)練體驗。常見設(shè)備有AR智能眼鏡、投影設(shè)備、頭戴式顯示器（HMD）等。

通過合理選擇和配置這些設(shè)備，可以構(gòu)建一個高效、穩(wěn)定和沉浸式的虛擬仿真實訓(xùn)室。

（2）軟件設(shè)計。

基于AR技術(shù)的籃球在線遠(yuǎn)程教學(xué)解決方案中，將攝像機捕捉到的真實世界圖像通過計算機的輸入，與計算機圖形系統(tǒng)生成的虛擬場景相結(jié)合，輸出并顯示在屏幕上。該系統(tǒng)的軟件程序包含四個關(guān)鍵要素，分別是動作采集與識別模塊、虛擬場景構(gòu)建模塊、人體3D模型構(gòu)建模塊和籃球動作演示模塊。動作采集從獲取運動員的圖像開始，隨后對圖像進(jìn)行預(yù)處理，以優(yōu)化圖像質(zhì)量。虛擬場景構(gòu)建模塊的任務(wù)是將兩到三幅真實場景圖像拼接在一起，合成全景虛擬場景。采用專業(yè)的第三方建模軟件3DMAX進(jìn)行虛擬建模。角色建模軟件Maya是一款專業(yè)的3D動畫、建模、仿真和渲染軟件，可用于動畫、環(huán)境、運動圖形、虛擬現(xiàn)實和角色創(chuàng)作。籃球動作演示模塊負(fù)責(zé)利用設(shè)計好的人物和場景，在3D動畫制作軟件中制作教學(xué)視頻，將渲染和合成的鏡頭放在一起，實現(xiàn)籃球動作演示。通過三種不同的交互風(fēng)格，可以幫助整個培訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)用戶與計算機的交互。在互動方式上有兩個不同的方面：一是通過3D和2D鼠標(biāo)及鍵盤切換功能界面；二是借助數(shù)據(jù)服和手套控制虛擬環(huán)境，這兩種互動方式都極其重要，被視為技術(shù)的核心部分。用戶在“新用戶指南”界面結(jié)束后，將被引導(dǎo)至“教學(xué)交互”模塊。該模塊包括基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、戰(zhàn)術(shù)運用、專項體能與一般體能、演示與競賽、規(guī)則與裁判、欣賞與評價。為了識別和解決系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題與缺陷，需進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)和負(fù)載測試。測試內(nèi)容包括功能模塊測試和負(fù)載性能測試。功能模塊測試主要涵蓋人體運動采集的實現(xiàn)、虛擬場景構(gòu)建的實現(xiàn)、虛擬人物和虛擬籃球模型的建模實現(xiàn)及籃球教學(xué)的實現(xiàn)。此外，為了支持學(xué)生同時進(jìn)行線上學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，系統(tǒng)還需具備良好的負(fù)載性能。

3、虛擬仿真實訓(xùn)室應(yīng)用場景分析

3.1、各類教學(xué)與訓(xùn)練場景

現(xiàn)代體育正迅速向高難度、高標(biāo)準(zhǔn)、高精度方向發(fā)展，因此，在高校教學(xué)中運用現(xiàn)代技術(shù)輔助體育教學(xué)和訓(xùn)練，有一定的應(yīng)用空間。有研究表明：只有 33.52% 的學(xué)生有使用虛擬仿真實驗的經(jīng)驗， 20.59% 的學(xué)生反映教師在課堂上使用虛擬仿真實驗，54.41% 的學(xué)生將其用于課前預(yù)習(xí)， 52.94% 的學(xué)生將其用于課后自學(xué)。韓麗等人認(rèn)為將動作捕捉技術(shù)引入排球教學(xué)，不僅有助于擺脫傳統(tǒng)依靠理論學(xué)習(xí)的狀態(tài)，還有助于教學(xué)質(zhì)量的提升。該技術(shù)在網(wǎng)球、乒乓球、棒球、足球等項目中也取得一定的應(yīng)用成果。Meng研究了如何利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬體育教學(xué)環(huán)境。Yao等人的研究為籃球訓(xùn)練智能系統(tǒng)選擇了最適合的運動識別算法，可為籃球輔助機器人的研究提供參考。Ferrara等人的研究表明，在難度更大的學(xué)習(xí)內(nèi)容上，使用AR組的表現(xiàn)可能更好，學(xué)習(xí)效果也更為明顯。郭文等人設(shè)計了一套基于020混合教學(xué)模式的高校體育籃球動作互動教學(xué)系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)后，學(xué)生籃球動作測試成績均有顯著提升。Chang等人的研究表明，AR輔助學(xué)習(xí)可以提供交互操作的機會，以便學(xué)生可以從各個角度觀察演示動作，并參與動覺沉浸式體驗環(huán)境。楊光等人的研究表明，虛擬仿真可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生在實際情境中的應(yīng)用能力。

3.2、籃球項目中的應(yīng)用

籃球運動不僅對身體素質(zhì)和技術(shù)能力要求較高，還注重戰(zhàn)術(shù)意識、心理素質(zhì)及團(tuán)隊協(xié)作。而傳統(tǒng)的籃球教學(xué)與訓(xùn)練方法存在諸多局限。例如，訓(xùn)練場地和時間有限制、訓(xùn)練內(nèi)容較為單一、訓(xùn)練效果不可量化等問題，制約了學(xué)生的全面發(fā)展。在國外，NBA球隊?wèi)?yīng)用虛擬仿真技術(shù)以提高球員的技戰(zhàn)術(shù)水平和心理素質(zhì)。國內(nèi)學(xué)者也開始相關(guān)技術(shù)的探索應(yīng)用。尹杰等人的研究驗證了虛擬仿真技術(shù)能顯著提升籃球運動員的奔跑速度、身體柔韌性和彈跳力。中國籃球運動學(xué)院宋志剛教授的研究結(jié)果顯示，經(jīng)過一個月訓(xùn)練，VR組比傳統(tǒng)訓(xùn)練效率高出 67% ，這可能是由于運動員佩戴AR眼鏡后，系統(tǒng)會在其視野中顯示最佳投籃軌跡和姿勢調(diào)整建議，便于運動員迅速糾正投籃動作，提高投籃命中率和訓(xùn)練效果。同時，運動員在虛擬環(huán)境中容易達(dá)到高度專注的狀態(tài)。虛擬仿真訓(xùn)練可以從投籃動作實時監(jiān)控、訓(xùn)練問題虛擬化、虛擬融合、回放式學(xué)習(xí)等方面優(yōu)化訓(xùn)練效果。

以上各位學(xué)者的研究，對虛擬仿真實驗運用于體育健康教學(xué)中運動技能學(xué)習(xí)的可行性奠定了良好的基礎(chǔ)。

4、虛擬仿真實訓(xùn)室實際應(yīng)用效果分析

通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可反復(fù)模擬，以此鞏固所學(xué)知識點。

本研究選取均為初學(xué)者或業(yè)余愛好者的20名受試者（男女各10名），進(jìn)行20分鐘的虛擬仿真訓(xùn)練，以評估該訓(xùn)練對受訓(xùn)者籃球運動技術(shù)和學(xué)習(xí)興趣的影響。運動技術(shù)方面，選取投籃命中率、運球穩(wěn)定性、傳球準(zhǔn)確性等指標(biāo)進(jìn)行討論分析。學(xué)習(xí)興趣采用問卷調(diào)查表進(jìn)行分析。

研究結(jié)果表明（見表1），虛擬仿真訓(xùn)練在短時間內(nèi)顯著提升了受試者的籃球運動技術(shù)。具體而言，投籃命中率平均值從訓(xùn)練前的 45% 提升至訓(xùn)練后的 60%[t（19）=4.32 ， plt;0.01] ，運球速度從2.5米/秒提升至3.0米／秒 plt;0.01] ，傳球準(zhǔn)確性從 70% 提升至 85%[t（19）=3.95 ， plt;0.01] 。這些數(shù)據(jù)表明，虛擬仿真訓(xùn)練通過沉浸式體驗和實時反饋，有效提升了受試者的技術(shù)動作表現(xiàn)。分析原因，可能是受試者因新奇的訓(xùn)練方式而更加集中注意力，加深了學(xué)習(xí)程度，有效提升了動作訓(xùn)練效果。此外，問卷調(diào)查結(jié)果顯示，受試者對虛擬仿真訓(xùn)練的興趣評分從訓(xùn)練前的3.2分提升至訓(xùn)練后的4.5分（滿分5分），且85% 的受試者表示對虛擬仿真訓(xùn)練非常感興趣。同時， 90% 的受試者認(rèn)為虛擬仿真訓(xùn)練對技術(shù)提升有幫助，訓(xùn)練效果的滿意度評分為4.3分。這些結(jié)果表明，虛擬仿真訓(xùn)練的趣味性和互動性顯著提高了受試者的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

表1實驗前后技術(shù)指標(biāo)分析

注：差異有統(tǒng)計學(xué)意義 （plt;0.05） ；差異無統(tǒng)計學(xué)意義 （pgt;0.05） ：

綜上所述，虛擬仿真訓(xùn)練不僅在短時間內(nèi)顯著提升了受試者的籃球運動技術(shù)，還增強了他們的學(xué)習(xí)興趣，與前人的研究結(jié)果一致。

5、結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)項目，是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。本研究初步驗證了籃球虛擬仿真實訓(xùn)室的可行性，但尚未全面評估長期訓(xùn)練的效果。數(shù)字技術(shù)在籃球訓(xùn)練中具有廣闊前景，但仍需要進(jìn)一步解決技術(shù)適配性與教學(xué)融合問題。這為后續(xù)研究提供了方向，同時也啟示體育教育應(yīng)積極探索智能化訓(xùn)練模式，以科技賦能運動技能提升。

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