乒乓球技能教学反馈系统的开发与应用

陈志勇, 张尧, 王乐军

(1.同济大学 浙江学院 体育部，嘉兴 314000;2.同济大学 运动与健康研究中心，上海 200092)

0 引言

乒乓球是一项全球性的运动项目，全世界共有200多个国家和地区开展此项运动，我国是目前世界上乒乓球竞技水平最高的国家，在近6届奥运会中获得了该项目中55.3%的奖牌[1]。在竞技水平不断提高的同时，乒乓球运动也成为了一项大众性体育项目，尤其在新一轮体育教学改革提倡高中和大学实行体育专项化教学的背景下，乒乓球运动也成为培养学生形成“终生体育”意识的重要手段。乒乓球运动属于技能主导类对抗性运动项目，对运动技能的规范性要求较高，尤其是基本技术动作规范与否直接决定着乒乓球技术水平的高低。要想掌握好乒乓球运动的基本技术，需要学习者具有良好的协调和控制身体的能力，在乒乓球技术教学过程中，很多学生会常常因为肢体协调性差，动作僵硬，对乒乓球技术动作缺乏正确的认识和理解，导致技术学习的效率低下或形成错误的技术动作。体育教学过程中运动技能的形成与巩固实质上就是在反馈信息的校正下，形成的复杂的、连锁的和本体感受性的条件反射的过程[2]。学生如何能够获取正确的反馈信息无疑决定着运动技能形成的效率[3]，视频反馈作为一种直观的方式为我们提供了能够记录完整学习过程的方法和手段，在体育课堂教学中能够合理的运用视频反馈将极大的提高乒乓球技术学习的有效性[4]。随着现代电子科技的不断进步和影像设备的不断革新，体育电化教学无疑是当前体育教学改革的重点和发展方向，也为视频反馈在体育课堂教学中的应用创造了平台。本研究根据乒乓球技术教学的特点与要求，设计和研发了一套能够辅助乒乓球技术教学的视频反馈系统，以帮助学生在体育课堂上能够及时了解自己完成技术动作的基本情况，并能实现课堂上即时的对比分析，进而提高反馈信息的有效性和技能学习的成效。

1 乒乓球技能教学反馈系统的设计

1.1 乒乓球技能教学反馈系统的设计思路

该系统的设计主要是为研发能够用在乒乓球教学过程中的影像分析和即时反馈系统。技能教学的视频分析与即时反馈系统，能够帮助学生在体育课技能学习过程中及时地了解自身完成乒乓球技术动作的状况，进而促进其运动技能的形成与巩固。同时将学生完成的动作以视频的形式上传至服务器，使学生能够在课后进行深入的学习和探讨。本系统的设计思路,如图1所示。

图1 乒乓球技能教学反馈系统总体功能框架

动作视频的采集通过3个高清摄像头从正面、背面、正侧面等角度拍摄不同视角的运动技能视频信息，通过无线网络将学习者完成的动作视频信息传至电脑储存，根据学习者的需求进行分析、处理、回放和共享等工作。

1.2 乒乓球技能教学反馈系统的硬件配置

根据设计需求，配置视频采集、传输、反馈和处理及共享需求的硬件，包括高清摄像头、无线路由器、计算机、高清显示器和服务器等，如图2所示。

由于乒乓球技术动作在不同视角所呈现的直观效果具有一定的差异性，因此为了更好的展现乒乓球技术动作的结构特征，该系统选择使用3个像素为200万的高清摄像头作为动作影像的采集装置，从学习者的正面、背面、侧面等不同视角进行同步拍摄。选用大功率无线路由器为系统工作创建无线网络环境，保证系统无线传输信号的稳定性。同时在笔记本电脑上安装相关配套软件，用于视频的接收、存放、回放和编辑等。具有触摸功能的交互式液晶显示器可以为学习者提供视频回放，以利于在完成动作的即刻对错误动作的纠正。网络平台服务器配有论坛功能供学生在课后进行学习和互动交流。同时设置对不同乒乓球技术动作视频上传权限，实现乒乓球技术动作视频的网络共享。学习者可以通过电脑和手机等终端设备下载服务器上的共享资料，帮助学习者在课后进行教学内容的复习和错误动作的纠正。

图2 系统硬件配置一览

2 乒乓球技能教学反馈系统的软件集成与开发

乒乓球技能教学反馈系统主要实现对技术动作视频进行数字化采集、储存、处理和回放以及共享等功能。软件设计上主要包括即时视频反馈界面、网络视频反馈界面、视频分析界面和文件管理界面，如图3所示。

图3 系统的总体功能模块

其中视频即时反馈界面主要实视频的采集和快速回放功能，分为采集视频模块和播放视频模块。网络反馈界面主要功能是将存储视频网络化，包括用户管理、视频管理和交流评论三个模块。视频分析界面主要功能有视频叠加分析，画中画同步比较，重点动作环节分解，视频定位等处理功能，根据视频序列进行运动学参数解析，能够输出完成运动技术动作的重心变化参数、各环节动作参数、关节角度变化参数和角速度等参数的功能。

软件系统程序的开发，采用自主研发与调用现有视频分析和运动学软件相结合的形式实现各模块的功能[5]。乒乓球技能教学反馈系统采用Microsoft Visuio Studio 2008和11SQL Server 2008环境完成系统软件开发。网络反馈系统采用同济大学浙江学院体育部资料库和乒乓球电子资源学习网平台实现，通过平台可以分享乒乓球课堂教学中个人学习的视频资料，同时对规范性、模板性视频资料实现全体共享。视频处理与分析子功能的设计通过调用Dartfish(瑞士DartFish公司)和TJ-Motion 2.0(同济大学开发)视频解析系统的运动学分析功能来实现。Dartfish软件是目前世界先进的运动学分析软件，通过该软件可实现视频的采集、播放，视频编辑、视频叠加分析，体育动作分解，图像标记等功能的视频分析软件，被广泛的应用到体育比赛、体育教学训练、体育研究和康复等的各个领域[6]。TJ-Motion 2.0是同济大学研发的一款运动学分析软件，是基于Visual Basic 6.0平台开发的一款对运动视频进行处理和逐帧打点输入的运动学参数计算软件，能够计算出人体运动时身体各关节的空间位置、移动速度、关节角度、角速度、重心和运动器械运动等参数。乒乓球教学技能反馈系统的即时分析功能通过调用dartfish软中视频编辑，体育动作分解，图像标记和运动学参数测量功能实现。运动学参数分析则调用dartfish的视频叠加功能和TJ-motion 2.0软件的运动学分析功能实现。在主程序执行过程中，采用多线程同步调用方式，分别调用Dartfish和TJ-Motion2.0软件系统，完成视频处理和视频解析工作，并将处理结果返回给主程序进行播放、显示和对比分析。

3 乒乓球技能教学反馈系统的实际应用与功能测试

传统教学模式从工程学视角理解属于负反馈系统，主要通过教师的讲解、评价和学生完成动作的击球效果结合自身的本体感觉作为反馈回路，如果在反馈系统中加入视频反馈回路，就相当于增大了负反馈系数，将有效缩短学习和掌握技术时间[7,8]，如图4所示。

图4 采用乒乓球技能学习反馈系统的技术教学模式

乒乓球项目属于隔网类对抗性项目，练习者对运动技术表象和概念的认知理解将决定着运动技能掌握的效果。通过在乒乓球即时教学中使用视频反馈，可以增加视频的动作表象对练习者视觉的刺激，能够辅助练习者对练习动作与标准的模版动作进行动作结构耦合和动作差异性比较，进而加深练习者对动作概念结构的理解。系统开发完成后在同济大学浙江学院乒乓球专项体育教学班和乒乓球训练队中进行应用，通过与常规教学班进行对比中可以看出，该系统不但可以提高乒乓球基本技术学习效率，还可以增加大学生对乒乓球技能学习兴趣。此外，经系统开发人员在同济大学浙江学院体育教学班和乒乓球队的训练的实际应用中对软硬件指标的测试和系统性能的反馈表明，该系统硬件模块具有画面清晰、运行稳定、界面友好、反馈直观和容错技术好的特点，具有良好的推广和应用价值。

4 总结

本文从乒乓球技能学习的特征和学习者的需求出发，以运动技能形成的阶段性特征为依据，通过现代化电子设备与课堂教学反馈结合，以自主研发和整合利用先进信息技术资源的方式，设计和开发了乒乓球技能教学反馈系统，该系统具有画面清晰、运行稳定、界面友好、反馈直观和容错技术好的特点，具有良好的推广和应用价值。该系统可以适用乒乓球教学的各个阶段，能够有效缩短初学者乒乓球基本技能形成的周期，提高乒乓球技能教学和学习的效率，也能够为高水平运动员提供运动技术的分析和诊断。

参考文献

[1] 黎涌明, 吴贻刚, 任杰, 等. 乒乓球项目的生物学特征及其未来研究展望 [J]. 上海体育学院学报, 2016(5): 86.

[2] 陆耀飞. 运动生理学 [M]. 北京: 北京体育大学出版社, 2006.

[3] 王海燕, 杨斌胜, 赖勤. 复合反馈对普通高校体育教学影响的实证研究 [J]. 北京体育大学学报, 2015(4): 90-97.

[4] 唐夏琳. 探析视频融合技术在运动技能学习中的应用 [J]. 广州体育学院学报, 2010(5): 69-72.

[5] 王乐军, 龚铭新, 游松辉, 等. 蛙泳实验教学视频分析与反馈系统的研究与开发 [J]. 实验室科学, 2016(2): 10-12.

[6] DARTFISH [J]. 体育科技文献通报, 2015(6): 2.

[7] 阮哲. 互动反馈式教学在体育教学中的应用 [J]. 教育与职业, 2013(24): 155-161.

[8] 谢路, 廖庆敏, 陈小平. 跳水技术训练视频分析与快速反馈系统的设计与应用 [J]. 中国体育科技, 2005(5): 104-122.