虚拟现实技术在体育艺术类课程教学中的应用研究——以Multi Gen Creat or软件应用为例

任一春 李科峰 湛超军

（1.湖南第一师范学院体育学院 湖南 长沙 410205；2.现代教育技术中心 湖南 长沙 410205；3.Palmer college of chiropractic 美国 爱荷华州 52803）

虚拟现实技术在体育艺术类课程教学中的应用研究
——以Multi Gen Creat or软件应用为例

任一春1李科峰2湛超军3

（1.湖南第一师范学院体育学院 湖南 长沙 410205；2.现代教育技术中心 湖南 长沙 410205；3.Palmer college of chiropractic 美国 爱荷华州 52803）

根据虚拟现实技术目前的应用现状及其特点，分析其在体育艺术类课程教学中结合技术教学的特点、体育教学环境、教学资源现状等所能产生优势效果，同时将这一技术在教学模式中情感和技术目标的达成进行分析。此外基于MultiGen Creator软件的特点对其在体育教学中应用的数学模型进行构建，对在体育技术技能学习步骤中所起的作用进行论证。

虚拟现实；体育艺术类课程；MultiGen Creator

0.前言

近年来，随着现代教育技术的迅速发展和应用，体育教学模式也悄然的发生着各种变革。交互性、可视性更强的新型教学模式将大大丰富相关的教学方法、手段。当前各种多媒体、电器化教学方式已经深入到中小学校的教学中，尤其是一些体育艺术类课程如健美操、啦啦操、体育舞蹈等在教学手段上因其课程的律动、图像、动态视觉的需要而选择多媒体教学要比同类体育课程更为突出。与此同时目前一种比传统多媒体技术更为直观、体验更为真实的交互式、虚拟现实的新型教学模式在体育教学手段方面提出了理论借鉴。

1.虚拟现实技术在体育教学中的应用现状

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术解决学习媒体的情境化及自然交互性的要求，在教育教学领域有着广泛的应用空间。国外对于VR虚拟学习环境的研究比较深入其中以医学、机械操作、大型机器控制、特殊儿童教育等教学方面的应用较多。在体育教学与训练的实际应用方面。heffieldHallam大学出现的虚拟体操训练系统，使虚拟体操运动员精确地重现体操运动员的体操动作帮助运动员改进技术动作，提高技术水平。Rodnunsky开发的滑雪撬和滑雪板仿真器模拟科罗拉多州的著名滑雪场地。此外还有很多类似的竞技、娱乐、教学中的应用。[2]

反观国内的相应研究主要体现在具体应用的方面。虽然VR技术体育教学研究中国内的实用研究较少，尽管如此还是有一些这方面的探索和尝试。这些研究成果中多以不同三维图形引擎、物理引擎以及数据库的构建为主。同时具体体育教学中VR技术的应用在健美操、太极拳、高尔夫、举重、蹦床等运动的教学或者训练方面也有所探索。最后还有一些与裁判模拟、技术评定、生理生化数据采集方面的初步结合。总之无论是国内还是国外的研究基本尚处在起步阶段。还有很大的发展和开拓空间。

2.虚拟现实技术在体育艺术类课程应用的理论探讨

虚拟现实技术在体育教学中的应用是一个全新的教育技术。它实现了参与者和虚拟环境，尤其是体育场地、器材、虚拟教师、练习同伴的交互。而体育艺术类课程是由融入了艺术成分的激发人的情感、创造性、想象力、表现力的一系列“体育艺术”项目课程组成。课程项目主要包括:健美操、艺术体操、体育舞蹈等体现人体健康美、运动美和造型美的体育课程。[3]

2.1 实现虚拟师生互动

在体育教学中尤其是以肢体动作为主的体育艺术类课程的教学过程中师生间、学生间的互动是最为重要的教学环节。形体房大量的镜子就是学生对自己、教师、同伴技术动作的模仿视觉学习途径。虚拟现实技术在这一类教学活动中的作用尤其明显。它不仅能够在视频播放装置中反映出练习者本体的实时动态，而且可以根据软件中的标准模块进行评估练习动作的到位程度。真正实现了学生与教师、与软件与电脑的多方位互动。

2.2 模拟真实场地环境

体育艺术类课程以其具有一定的表演性深受女性学生的喜爱，但是常规的教学场地其环境、视觉、听觉等教学条件对于激发学生的表演欲有所欠缺。而虚拟现实技术可以为学习者提供一个与真实世界相似的三维虚拟世界，具有沉浸性、交互性和想象性的特点。这些设备的使用使人产生如同在真实世界中进行某种行为一样的感受。大型舞蹈场地、灯光、观众、裁判甚至舞蹈同伴的一举一动都可以模拟实现。这样不仅能够在数字化教学过程中节约人力物理而且极大的丰富了练习者的学习成长体验。

2.3 节约教学资源

虚拟现实技术最大的优点就是能够模拟多种教学环境、教学设备、器材。这一技术的实践过程不需要有大型的场地支持。比如宽大的舞池、大型的啦啦操场地等这一技术可以很好的进行模拟实现。使学生在常规的教室就可以体会这些场地氛围。

2.4 不受天气情况的影响

近来我国大部分地区的雾霾情况都或多或少的影响到了学生室外活动的安排。同时我国大部分学校场馆建设相对匮乏，即使一些学校有一些室内场馆也很难满足全校学生的教学要求。在这些不利于开展体育活动的前提下，虚拟现实技术在一间经过简单改造的教室上课就可以解决以上因为天气差和专业体育场馆缺乏带来的教学困扰。

2.5 优化教学过程，提高教学效率

通过虚拟现实技术结合多媒体和现代网络教育技术的综合应用可以优化教学过程，填补传统体育教学模式不能实现的教学方式。学生在虚拟现实系统可以实现多种模型的假设，并通过虚拟现实系统观察到这一假设的结果或效果。同时各种各样的角色在虚拟的世界与明星运动员、教练员一同学习，建立个人学习环境以便学生能在自然友好的气氛中交流，进行启发式教学。

3.基于虚拟现实技术体育教学目标达成的论证

体育教学模式的变化最终是为了完成体育教学目标，中小学体育课程的教学目标分为技能为主的运动参与目标和运动技能目标以及心理情感为主的心理健康与社会适应目标。[4]

3.1 情感目标的达成

从情感目标的达成来看。虚拟现实技术首先满足学生对于成功以及满足其表演欲的体验，虚拟舞台、赛场以及观众的欢呼、人机或人人表演后获得认可的真实感觉更能加深学生体会，产生等同亲临真实环境的“沉浸”感。其次对于赛场的模拟给更多练习者带来竞技的体会。往往这类体验只有教学群体中体育能力较高的少数所谓 “体育优等生”在各级的竞赛活动大型演出中才能够体会的到，大多数学生并没有直观的体验。虚拟舞台、赛场环境则提供给每个人同样的竞赛环境，即使体育能力很差，甚至一生都不会参加任何表演、比赛的练习者都有机会完成体验。第三社交体验是利用虚拟现实数字化，网络化的特点通过互联网技术使得练习者选择不同的人群完成运动，尤其对于一些学生通过网络使其避免或者摆脱现实生活中内向的性格而带来的社交困难。第四攻关体验。从心理需求与满足的角度来看练习者不断学到如何在虚拟练习中克服挑战，从而获得一种自我成就的满足。不断地得分、获得奖励、即刻的情感反馈以及自我成就感的实现都会提升练习者的自尊。

3.2 技能目标的达成

从技能目标的达成来看对于学习者身体感知的刺激与以往看教师、同学、视频等传统的教学手段有着更为深刻的影响。首先是镜面刺激。由于虚拟现实设备往往结合多种摄像头进行运作，所以在练习全程你都可以看到自己的实时影像出现在显示装置上。虽说这与镜面有一样的效果但是练习内容可录制回放、与虚拟教练动作的对比等数字技术特点更加能够对练习者产生辅助效果。第二形态刺激。虚拟技术应用到教学中的最大特点之一就是其对照性。也就是说练习者的画面不仅在显示器中能够显示出来而且在练习的幅度、动作的速度、力度控制中心都能够感知出来。这样一来就可以不断的纠正错误动作形态，为正确动作评分。第三听觉刺激。以往教师在纠错时基本是视觉判断动作所出的问题然后在学生练习过程中应用字、词、口令等提醒学生。虚拟技术实时侦测扫描练习者动作，在出现动作顺序、幅度、方向等问题时可以由不同的人声、音乐、警告来提示练习者纠正其错误动作。当然以上这些出现在情感、技能目标完成过程中的新型模式还是基于现有的虚拟技术，随着科技的不断进步必定还会出现更多的模式环节，甚至重构。

4.视景仿真建模软件（MultiGen Creator）虚拟现实技术在体育教学中的应用模型构建

Multigen Creator系列软件是一款强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合。[4]

4.1 multigen Creator的数据库结构

数据库分层结构图（图1）中可见的结构是由多个节点组成，只有一个位于顶部的节点被称为头节点数据库。按组组节点中，细节层次、开关、自由度、光、源，由许多子组和对象节点构成的组节点，这些节点形成了许多表面。表面是由多个节点构成(节点不显示于数据库层次结构中)。

图1 层次结构图

Openflight格式是建模的基础。Openflight数据库的树形结构二进制文件存储，文件包含了一系列线性记录。前两个领域是对可分析信息的记录，用来定义记录的操作代码和长度，其每条记录的最大长度为64k。该文件包含3个类型的节点：原始记录节点、记录节点和辅助控制记录节点。记录的长度随整体的增加而增加，且所有记录的大小必须是4字节的倍数。层次结构中每个节点的控制记录确定的树层次结构是由一个主节点记录和0或更多辅助记录表现出的。不同节点由主要的节点记录类型表现，且该节点包含大多数属性数据。其余节点的属性在主要辅助节点记录的峰值上前记录控制。

Openflight数据库使用树形结构来组织场景数据管理水平。该树形结构由多个节点构成，每个节点具有子节点或关联节点。以描述3D对象层次结构和属性。使用该对象描述层次结构，可以确保对象的控制，顶点，直接操作允许对数据层的集合，建模过程方便快捷。

4.2 MultiGen Creator在体育艺术类课程教学中的应用

体育教学中学练阶段存在着受伤的潜在风险。比如啦啦操中的抛接动作，健美操当中的器械动作都有此特点。因此在这一方面虚拟现实研究具有重要的现实意义。如果将这些有一定受伤风险的动作学习分为三步的话首先在3D人体运动仿真计算帮助下教练在教授一个新动作时，计算机模拟可以帮助虚拟球员提前完成新动作，从而最大限度地减小运动员在训练过程中受伤的概率。第二通过神经网络来学习，从程序理论的角度，完成布局和优化计算机辅助行动。第三，加入运动员真实训练和比赛的视频剪辑，用视频制作软件对运动员的动作进行仿真，与实际动作同步分屏对比显示，此方法可以帮助教练和运动员们检测动作中的细微瑕疵。

同时，该数据库还可以采集通过测量由教练根据特定标准打分的运动所得分数，并据此对数据库进行编辑、修订、改进。通过这个数据库，教师可以设计并最终形成一系列“完美”的候选动作。最后可以利用计算机技术进行模拟仿真训练，以协助学生实现从过去更多得到的是教练抽象的口头培训指导，到现在以图形方式显示图像模拟技术定量分析和指导有关动作。在训练过程中，系统也能充当临时教练。而且，根据标准教练会在电脑屏幕上安排同步叠加模拟对比操作，直观展示出动作的差异，帮助运动员找到技术错误并制定改进方案，大大提高了运动员的整体运动技能水平。

5.小结

虚拟现实技术对于提高体育艺术类课程教学中改善体育教学环境、优化体育教学模式、培养创新意识和创新能力的人才有深远的影响。学生可以在虚拟环境中有接近真实的体验，更快和更直观的学习体育知识和技能，以提高教学的质量体会多样的教学效果。同时这一技术的不断深化对于教学手段的充实，教学模式的重构也有着不可替代的作用。

［1］刘衡,冯婷.基于虚拟现实技术的体育教学模式的实践与思考[J].北京师范大学学报,2013,12(49):649－651.

［2］王建辉,杨俊,孙立新.计算机“虚拟现实”技术在高校体育训练中的应用研究[J].北华航天工业学院学报,2012,22(12):56-58.

［3］邱建钢.四川省普通高校开设体育艺术类课程的现状分析[J].成都体育学院学报,2011,10(37):85-87.

［4］王晶莹,周明.基于虚拟现实学习平台之通用技术课程的教学效果研究：高中生技术技能的实证调查[J].电化教育研究,2015,11(271):75-77.

［5］潘绍伟,于可红.学校体育学[M].高等教育出版社,2013，5.

G420 文献标识码：A 文章编号：2095-7327（2017）-06-0079-03

课题项目：①三网融合背景下体感交互设备在小学体育艺术类课程教学中的研究与实践，2014年湖南省教育厅教改课题，课题编号为2014（595）。②基于新媒体环境的运动学习模式研究，2015年湖南第一师范学院院级课题，课题编号XYS15N07。

任一春（1980.3—），男，汉族，山西太原人，硕士研究生，湖南第一师范学院副教授，研究方向为体育教学与训练。李科峰（1982.10—），男，汉族，湖南邵阳人，本科学历，湖南第一师范学院讲师，研究方向为教育技术学。