基于虚拟仿真训练模式的投篮技术动作优化设计及效果研究

周 珂 ，王 晨，房冬梅

(江苏师范大学 体育学院，江苏徐州 221116)

篮球运动以其独特的魅力在高校体育教学中,吸引着众多学生。学生作为高校体育教学的主体,其需求每年都在不断增加中,不仅仅是局限于书本知识掌握,甚至是对于当前高校篮球的发展趋势、篮球技术类型等也提出了新的要求。高校的教师是教学的主导重要因素,在教学中如能搜集新的教学资源,更新教学理念与教学方法,推陈出新,同样会吸引更多的学生投入到这项充满激情的运动中来。篮球运动的投篮技术作为得分制胜的唯一来源，是篮球运动中最为重要的一项技术，也是高校篮球教学的主要内容之一。

2017年7月13日，教育部印发了《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。教育部办公厅在上述文件中明确提出，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，能有效推动高校教学发展，积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，支撑高等教育教学质量全面提高。这充分说明了国家对高校虚拟仿真实验教学的重视程度，同样体现了虚拟仿真技术在高校教学实践中运用的价值所在。

随着科学技术的不断进步和发展，计算机技术具备了逐步成熟的模拟现实场景技术，已渗透到人类生活的多个领域当中，计算机虚拟仿真技术必将能大量应用在高校体育训练这一领域[1]。其中，虚拟仿真技术成为体育领域技能训练不可或缺的有力助手，在高校体育教学训练中同样发挥了巨大作用。运用虚拟仿真技术进行仿真训练,能够实现运动训练方法从传统的以人眼观察为主到高精度运动捕捉与分析的人体运动测量方法和从基于经验的方法到人体运动模拟与仿真的人体运动分析方法的两个转变。虚拟仿真训练模式能有效解决高校体育教学训练过程中所不能避免的难题，从而提高课上学生技术动作学习的效率。

1 研究目的与意义

1.1 研究目的

本文的研究目的旨在通过梳理篮球技术动作相关研究，运用虚拟仿真技术的运动捕捉技术对高校学生的投篮技术动作进行优化设计和效果分析，以期在高校投篮教学中规范学生的投篮动作和提高学生投篮的技术能力。

1.2 研究意义

1.2.1 理论意义

目前，虚拟仿真训练在体育领域方面应用的研究还相对较少，前人已有的研究主要着眼点在竞技领域，而不是体育教学领域。通过对投篮技术动作优化的设计，能在理论上丰富投篮训练仿真系统理论，为体育教学中投篮训练仿真系统理论的完善做出贡献。

1.2.2 实践意义

基于虚拟仿真训练模式研发的投篮技术动作优化系统可以通过运动捕捉技术对练习者投篮动作进行实时捕捉，对练习者进行数据采集，利用效果评价分析技术对练习者投篮出手后的动作效果进行分析，练习者可通过反馈报告对自身的动作进行调整以规范正确的动作，从而实现投篮技术动作优化设计及效果。

1.3 实验设计

在篮球运动员的投篮训练中，通过运动捕捉技术对篮球运动员投篮动作进行实时捕捉，篮球运动员可以通过音像资料回看，观察自己的投篮技术动作，教师观察篮球运动员的投篮动作是否保持正确的投篮技术动作。动作捕捉技术是在某固定时域上对一些生物中的一些虚拟仿真结果中具有关键信息的节点的运动轨迹进行追踪[2]。受测的篮球运动员手臂至肩需要带上两条袖套，便于数据的采集。另外，此实验采用MAYA软件构建虚拟的篮球投篮技术动作模拟仿真。袖套中有传感器连接电脑，采集到的所有数据信号会一并上传至电脑处理汇总。

1.4 实验分析

本文章受测的篮球运动员每天2分钟测试，针对其投篮技术动作，针对其投篮时篮初速度、投篮角度、投篮命中率进行数据分析。

图1 投篮角度与命中率

如图1所示，篮球运动员投篮技术动作中投篮角度对篮球运动员的命中率有着非常大的帮助，投篮角度45%有助于提高篮球运动员的投篮命中率。正确的选择投篮角度45%，可以大大提升命中率，也是投篮命中率的保证。在平时训练中，就要加强和注意投篮角度的训练，使篮球运动员保证一定的命中率，这样才能使篮球运动员在比赛中更好的得分。

表2 投篮初速度与命中率

如图2所示，篮球运动员投篮技术动作中投篮初速度对篮球运动员的命中率的多少也有着密切的联系，投篮初速度在10m/s相对于投篮初速度20m/s是篮球运动员命中率呈上升的趋势，可以看出投篮初速度在10m/s有利用提高运动员的命中率。

2虚拟仿真技术在篮球投篮技术的运用

虚拟仿真技术成为体育领域技能训练不可或缺的有力助手，在高校体育教学训练中同样发挥了巨大作用。运用虚拟仿真技术进行仿真训练,能够实现运动训练方法从传统的以人眼观察为主到高精度运动捕捉与分析的人体运动测量方法和从基于经验的方法到人体运动模拟与仿真的人体运动分析方法的两个转变。虚拟仿真训练模式能有效解决高校体育教学训练过程中所不能避免的难题，从而提高课上学生技术动作学习的效率。虚拟仿真训练可以通过以下几个方面解决投篮训练中出现的难题：第一，利用虚拟仿真技术其自身多环境捕捉功能，能够对训练者的的投篮动作进行实时监控；第二，虚拟仿真技术可以解决现实训练中所无法克服的问题，通过教师传统教学方式，学生不能很好地领悟到投篮的出手动作，而通过虚拟方式训练可将现实训练所存在的问题虚拟化，练习者可以在虚拟环境中进行投篮练习以真正地理解掌握投篮技术动作；第三，通过虚拟仿真技术，在虚拟环境中实现了力触觉和视觉多觉融合，能够增强训练者与体育仿真系统进行交互的能力，即使是在虚拟的环境中进行投篮训练，也可以体验到更加真实的感觉。在此基础上，最终可实现回放式“助理教师”功能，利用虚拟仿真效果评价技术对练习者进行投篮动作训练效果的优化，是解决上述问题的根本途径。

3 建议与结论

3.1 建议

在传统的篮球投篮技术教学中存在的问题是不容忽视的：一方面，学生在学习过程中仅通过教师的示范动作很难形成自身本体投篮感觉，而且一旦形成习惯性的错误动作，这将会导致学生不能正确地掌握投篮的动作技能，在其以后的教学过程中亦不能正确进行运动技能的传授；另一方面，投篮运动自身具有瞬时性，学生在练习过程中，很难看清篮球在空中及篮框上面的运行轨迹，相应地，投篮动作完成后练习者还没能准确地感知到出手时的动作及本体感受。学生由于获取不到力触觉和视觉上的刺激，往往会使学生缺乏学习动作技能的兴趣，会给学生在思想上带来一定的滞后性。在这种情况下，如何有效利用科学技术进行系统、科学、有效的技能学习研究成为了亟待解决的主要问题。

3.2 结论

(1)拟仿真技术其自身多环境捕捉功能，能够对训练者的的投篮动作进行实时监控。

(2)虚拟仿真技术可以解决现实训练中所无法克服的问题，通过教师传统教学方式，学生不能很好地领悟到投篮的出手动作，而通过虚拟方式训练可将现实训练所存在的问题虚拟化，练习者可以在虚拟环境中进行投篮练习以真正地理解掌握投篮技术动作。

(3)通过虚拟仿真技术，在虚拟环境中实现了力触觉和视觉多觉融合，能够增强训练者与体育仿真系统进行交互的能力，即使是在虚拟的环境中进行投篮训练，也可以体验到更加真实的感觉。

在此基础上，最终可实现回放式“助理教师”功能，利用虚拟仿真效果评价技术对练习者进行投篮动作训练效果的优化，是解决上述问题的根本途径。