虚拟仿真技术在大课间活动中的应用研究

林少悦，王艳冰

（广州市荔湾区真光中学，广东 广州 510375）

近年来由于学生体质逐年下降，我国发布了有关增强学生身体素质的一系列文件，如《关于加强青少年体育增强青少年体质的意见》等，要求通过阳光体育活动的开展，让学生每天能锻炼一个小时，促进学生身心健康全面发展。为了响应国家的政策号召，大课间活动逐渐在各校开展开来。学校大课间的编排与训练涉及音乐的选择、动作的选编、复杂路线设计和全体师生重复多次的演练，如果考虑不周极易出现混乱和错误，导致师生怨声载道，浪费时间、人力和物力，降低学生训练的积极性和影响活动的效果。如何提高编训的效率，减少师生无谓的重复演练是急需解决的难题。

20世纪90年代，虚拟现实技术为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为各类工程的大规模数据的可视化提供了新的描述方法。将虚拟现实技术应用到大课间编排中，可以随时与虚拟环境中的场景和对象进行自由交互，为设计者、实施者与决策管理者提供可视化的决策工具。虚拟现实中的三维动画技术可以建立一个标准的竞技健美操运动员动态模型，用来虚拟创编动作，进行试探、分析、评价、反馈、修改和确定等工作，减少创编环节中负面的人为因素的影响，使创编效率和质量进一步提高。

1 虚拟仿真技术应用于大课间编排阶段的介绍

（1）沉浸感（Immersion） 。沉浸感又称临场感，指参与活动的师生感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使参与活动的师生全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，所达到的最高境界就是：模拟校园环境中的一切物品看上去是真的，音乐听上去是真的，每个动作动起来是真的，如果能配备上相关的材料，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

（2）交互性（Interactivity） 。 相对早期的三维动画，虚拟仿真技术更讲求使用者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，学生可以用眼睛直接看模拟环境中虚拟的同伴，这时眼睛看到了同伴的感觉，并可以感觉到自己站立的位置是否合理，通过调整位置同伴也能立刻随着需要而移动。

（3）构想性（Imagination） 。 大课间的编排注重“一校一品”，每所学校需要展示专属于自己学校的特色，因此对编排者的创意设计提出很高的要求。虚拟仿真现实技术应为创编者提供广阔的可想象空间。拓宽编导的认知范围，不仅可以将编导已有的构思呈现出来，也可以随意构想客观不存在的内容，借助他人已经使用成熟的环境，甚至可以创设一些现实不可能发生的环境。

2 虚拟仿真技术应用于大课间实际教学阶段的介绍

2.1 在大课间各个模块的应用

大课间的形式有常规型大课间和展示型大课间2种。常规型是基础，符合国家推广大课间的原意。常规型大课间的内容分为入场、自编操、跑操、特色内容、放松操、退场等6个模块。

2.1.1 在入场和退场方面的应用每所学校的构造和布局不同，有的学校位于老城区，学校规模比较小，教室主要以多层建筑为主，上下的通道少，再加上运动场所少，给大课间的进退场造成很大的障碍。模拟仿真技术系统通过建立中央集成模块，将数据库与虚拟现实模型实时结合，实现了数据库对虚拟模型的实时、交互控制，呈现架设过程中各建筑物的楼层、尺寸、宽度、长度、拐角、位移等，与完成大课间进场退场的实时情况相结合，将所需的时间、路线等数据附着于图像展示出来，便于执行和操作。

2.1.2 在自编操和放松操方面的应用自编操和放松操是展示学校特色的主要内容，模拟仿真技术中VRP显示系统为主程序提供直观、友好的动画场景，通过动画展示动作的节数，清晰显示动作的位置、运行轨迹、动作控制的角度。师生可以随机进行交互操作学习，可以进行放大、旋转、回放、重复播放等各种控制和深入观察；也可根据教学的重点、难点进行针对性的观察和练习；也可以分发给学生回家自行练习，提高动作完成质量，减轻体育教师的工作量。

2.1.3 在跑操方面的应用跑操要求在跑动过程中步伐、步调整齐一致，间隔距离保持恒定，排面整齐，节拍统一。在常规型的大课间基础上往往会向展示型大课间转变，转变的首选就是通过跑操来显示各种图案。主程序的控制是以目录树的形式分级显示各阶段的图案变化，每一层内容变化之间层次清楚、查询方便，操作者可以通过该控件直观的调用查询各段动作变化的时间、图形、尺寸、路线、重量长度等参数。

2.1.4 在特色内容方面的应用“一校一品一特色”是大课间的核心内容，在创编特色内容时需要以学校已有的传统为基础，结合音乐再加上艺术的修饰呈现出来，在这个过程中需要多次的修改和完善。模拟仿真技术中VB-VRP操作系统的3个模块在这方面能替代人来进行试验，通过查看效果进行修改完善，减轻了人的负担。这3个模块为虚拟现实模型、数据库和中央集成模块。虚拟现实的建模是通过自己编写的应用软件“CIS2CAD”将CIS2转化为AUTOCAD文件。该软件可直接读取、设计、分析、制作大课间模型的STP文件，并可立即产生整个大课间特色活动的三维CAD实体模型。

2.2 虚拟仿真技术在大课间实践教学中的应用实例

虚拟仿真技术系统一方面可以详细地展现大课间实施阶段每一个8拍的截面尺寸、形状、面积、长度、动作规格和实时教学完成百分比，以及提供详细的教学动画演示等。

2.2.1 小班（年级）教学阶段的应用在完整大课间展示之前先根据教学需要进行分小班（年级）教学，通过虚拟仿真技术坐标系的运用，以学校体育场的东西方向为坐标轴中的X轴方向，西方向为坐标轴的正方向，南北方向为坐标轴的Y轴方向，南方向为坐标轴的正方向，垂直方向为Z轴方向，其中X的零点在体育场地的中心轴线。通过精确的坐标定位，可以将大课间的整体内容分拆成不同的模块进行小班或按年级进行教学，各个班在练习时可以独立开展，就像工厂里生产零部件一样互不干扰，为最后的“组装”做好准备。

2.2.2 集体合练阶段的应用集体合练是介于分组练习及正式展示之间的一个重要环节。音乐的适宜性和动作美观实用性都要在这个环节进行修改和提高，最终达至大课间整体方案的重新选择和优化。以往的大课间编训方法及教学组织主要是建立在施工经验的基础上，存在一定局限性，同时大课间编训是一项耗时耗力巨大的学校体育活动，具有不可重复性。使用该平台的虚拟现实技术将可以直观、科学地展示不同阶段的设计和教学效果，可以定性地完成教学方案的对比，有助于教学方案的选择和优化，实现真正的最优教学。

2.2.3 成品展示阶段的应用将虚拟现实技术应用于大课间的成品展示中，把现代教学管理的工作内容做到“图像化”“具体化”和“简单化”，将复杂的动作编排、音乐编辑、队形变化、路线设计实现了真正意义上的“数据附着于图像，图像蕴含着数据”，在成品展示的初期可以组织学生反复观看动画，熟悉流程和细节，减少现场演练面对复杂多变的人群，室外不确定的天气场地因素，大大缩短集体训练时间和训练难度，增加学生的成功感，教会学生统筹策划能力，有利于学生多种能力素质的培养。虚拟现实与可视化仿真技术在大课间成品展示阶段的应用，具有操作性强、仿真性强，设计科学、教学技术先进等优势，为减轻师生在编训过程中的劳动强度作出突出贡献。

3 结 语

虚拟仿真技术的应用为大课间的有效实施和校核工作提供了很大方便，实现了对大课间整体编排及训练的数据化管理，可以任意查询各部分的实施过程，实现了通过节点对虚拟现实模型的实时控制，方便了师生对整个活动中每个环节的监控，改变了以往单凭体育教师手绘图纸、调用学生反复试验的落后工序。这项新技术的引入实现了编训过程的直观化，革新了教学技术，有助于创编者发挥创造性，同时缩短了室外教学的时间，降低了教学的风险。虚拟现实与可视化仿真计算及显示方法已经成为大课间活动设计、实施优先考虑的手段。随着大课间活动规模的不断扩大，此项技术转向大型开幕式的设计创编、施工组织等将有更广阔的发挥空间。