虚拟仿真技术在运动康复生物力学 实验教学中的应用

杨辰 宋雅伟 冯茹

(南京体育学院 江苏南京 210014)

虚拟仿真实验教学是我国信息化教育战略的重要实践内容。2019年教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》（以下简称《意见》），指出课程质量直接决定了人才培养质量，因此必须深化教育教学改革，将改革成果落实到课程建设上[1]。根据《意见》内容，2019年至2021年间将认定1500门左右的国家虚拟仿真实验教学一流课程。虚拟仿真实验教学的开展是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容、提升实验教学质量的重要措施，也是未来教育改革的发展方向。

体医融合背景下的虚拟仿真实验教学是培养体育与医疗复合型人才的重要途径。“健康中国”战略的实施以及《国务院关于实施健康中国行动的意见》等文件的发布，标志着我国已从国家层面着手应对当前突出的健康问题[2]。体医融合作为实现“健康中国”的重要举措，由战略规划进入到实质发展阶段。这也对体育院校人才培养和课程建设提出了新要求，尤其对运动康复类专业的学生而言，实践操作能力是其立足之本，在教学过程中融入更多情景式、启发式和互动式的教学方法和技术将更有利于学生对专业知识的理解与应用[3]。

运动康复生物力学将力学、运动科学和康复医学相结合，是一门实践性极强的应用学科[4]。人体结构的生物力学特征是运动康复生物力学课程理论和实践研究的关键，但由于人体结构和力学机制较为复杂且评估和康复手段较为多样，其在实验教学中不易被直观展现与理解。将虚拟仿真技术融入运动康复生物力学的实验教学中，可以通过仿真模型展现人体结构，通过情景模拟强化功能认知，以问题为导向推动实验开展，引导学生在虚拟环境中做真实验[5]。

该文以“脊柱运动康复生物力学”虚拟仿真实验教学项目为例，从该项目的教学目的、主要内容与考核方式等方面入手，探讨虚拟仿真技术在运动康复生物力学实验教学中的实践与优势，为虚拟仿真技术在相关学科实验教学中的推广与应用提供更多参考。

1 传统运动康复生物力学实验教学的劣势

运动康复生物力学课程最早由南京体育学院于1999年率先为学校康复类相关专业本科学生开设。该课程把运动生物力学和医用生物力学的原理与方法及其在临床康复中的应用成果综合成为一个新的课程体系[6]。课程不仅要求学生掌握人体运动的基本力学原理和人体运动系统的生物力学特性，还要求学生能够将这些理论应用于运动训练和临床康复的实践中。目前，运动康复生物力学实验教学主要包括三维摄像测量和解析、红外运动捕捉测试、三维力测量和骨材料力学实验等内容。但在现阶段的实验教学过程中，仍存在一些问题。

1.1 理论知识抽象

运动康复生物力学课程的学习需要具备一定数理基础，并要求学生具有抽象思维和逻辑推理能力[7]。这对教学提出了更高的要求，单一的课堂教学模式和讲授式的教学方法都无法满足学生对于抽象概念的理解。部分学生也反映对理论知识的掌握较为吃力，这也可能降低学生对该课程的学习兴趣与效果。

1.2 实践能力不足

运动康复生物力学是一门以实验手段和方法为主的应用型课程[7]。娄彦涛[8]总结了沈阳体育学院近年来实验教学的现状与效果，认为在充分保证课程总学时的前提下，应安排不少于1/3的实验教学。但在课程实际开展中，仍存在实验学时安排较少的情况，无法有效培养学生的实践能力。

1.3 实验设备和场地短缺

运动康复生物力学的测试手段涉及很多价格高昂的实验设备，并对实验场地也有一定要求[9]。但是国内一些高校由于经费投入等问题，缺乏相关实验所需的设备和场地，造成部分实验无法开展，影响教学效果。

1.4 教学方法有局限

多数运动康复生物力学的实验课程以验证或演示为主，缺乏综合性、设计性的实验教学[10]。这导致教学中教师占主导，而学生只能被动接受，很难培养其独立思考和创新的能力。并且多数运动康复生物力学实验准备和后期数据处理过程漫长，远远超过一次实验课程的时长。因此，某些实验操作只能由教师代替完成，学生参与感下降，进一步影响了学生的动手操作能力。

2 虚拟仿真技术在运动康复生物力学实验教学中的优势

2.1 教学方法创新

在运动康复生物力学的教学过程中，学生多数情况下只能在教师示范中进行想象与思考，无法自行操作。将虚拟仿真技术应用于运动康复生物力学实验教学，可通过模拟不同场景，让学生身临其境地感受运动损伤的产生过程及机制，这将大大提高学生应对具体问题的分析能力，提高了教学过程中师生之间的互动性和探究性。

2.2 评价体系创新

将虚拟仿真技术应用于运动康复生物力学实验教学，可以实时观察学生对人体形态、功能、评估与康复的掌握情况，同时也有效地避免了传统实验只能考查学生理论知识和简单操作能力的局限性，实现了对于学生综合实验能力的评价。

2.3 传统教学的延伸与拓展

虚拟仿真实验教学可结合传统教学方法，实现全天候的开放共享服务，同时，可使实验教学具有重复使用性强、安全系数高和低成本等优点。因此，将虚拟仿真技术应用于运动康复生物力学课程，延伸了实验教学的时间与空间，拓展了实验教学的广度与深度。

3 运动康复生物力学虚拟仿真实验教学的应用实例

基于运动康复生物力学实验课程的特点，建设虚拟仿真实验教学项目可以更有利于将抽象的理论知识直观展现给学生，改善实验教学课时不足、设备与场地受限等状况，并可以在教学中加入更多综合性和设计性的实验，从而加强学生的创新与实践能力。针对以上原因，南京体育学院运动康复生物力学教学团队率先建立完成了“脊柱运动康复生物力学”虚拟仿真实验教学项目。

3.1 教学目的

该项目的目的在于在前期理论知识学习的基础上，采用虚拟仿真技术进行情景模拟的教学方法，让学生在虚拟环境中综合性的开展脊柱形态认知、力学分析、评估与康复等实验操作，并通过人机对话的方式，加深学生对脊柱运动康复生物力学的认识，提高实验教学效果，在探究学习的过程中形成对基础知识的自主构建。

通过“脊柱运动康复生物力学”虚拟仿真实验教学，可使学生：（1）掌握脊柱相关的解剖学和生物力学原理，了解脊柱各节段的组成及力学机制；（2）掌握脊柱形态和功能的评估过程，通过三维仿真场景展示评估脊柱的主要设备，熟悉其构造和原理，掌握其操作要领；（3）掌握脊柱相关疾病的损伤原理和康复方法，通过模拟脊柱评估的异常结果，选择适宜的运动康复手段。

3.2 主要内容

整个实验过程由脊柱认知、脊柱筛查、力学分析、运动康复四个环节组成，包括了脊柱相关的解剖和力学知识，以及仪器操作、损伤评定和康复等虚拟仿真实验教学内容。

3.2.1 脊柱认知

该环节主要以三维模型展示出脊柱的形态结构，学生可通过旋转、放大和缩小等方式全方位观察脊柱的组成与运动。在更为直观地了解脊柱结构后，该环节还要求学生完成脊柱及其基本功能单位的重新“组装”，即将相应椎体和韧带等安置在适宜的位置上，以达到学习强化的作用。

3.2.2 脊柱筛查

该环节主要以情境模拟为主展示脊柱的动、静态评估过程，学生可以通过操作身体姿态测评系统和电子脊柱测量仪来完成脊柱形态和功能的筛查，并判断筛查对象所存在的脊柱问题，给出评定意见。

3.2.3 力学分析

该环节涉及基本知识的应用和实验操作两部分的内容。基础知识应用主要包括：（1）测算不同颈部前倾角度下颈椎所受头部重力矩的大小；（2）在胸椎节段的X光片上选取准确的Cobb角测算点来评估脊柱侧弯程度。

实验操作可使学生掌握肌力测试和材料力学测试的基本原理及流程，主要包括：（1）通过等速肌力测试系统测量躯干完成屈伸、侧屈和旋转运动时的肌肉力量；（2）通过材料试验机模拟椎骨受压缩载荷时的应力-应变曲线。

3.2.4 运动康复

该环节中主要以选择题的形式由学生完成作答，题目主要针对不同脊柱疾病所对应的康复治疗方法，该部分得分将计入学生最终的考核成绩。

3.3 考核方式

学生以个人身份登陆教学平台，完成实验学习后进入考核模式。实验考核内容主要包括学生对脊柱结构、生物力学分析、诊断及康复等理论知识和实践操作的掌握。任课教师的评价从学生出勤、课堂讨论、实验考核等方面开展，贯穿于在线学习的全过程。

4 结语

运动康复生物力学是一门以实验手段和方法为主的应用型课程，但在实验教学过程中仍存在理论知识抽象、实验课时与场地设备短缺、缺乏综合性实验设计等限制因素。虚拟仿真技术的应用可以更直观地呈现人体各部位结构，通过虚拟场景的设定让学生在进行实验操作时摆脱空间和时间上的诸多限制，丰富了实验教学的深度与广度，也增加了学习的趣味性和考核方式的多样性。以“脊柱运动康复生物力学”的虚拟仿真实验教学为例，项目包括脊柱认知、脊柱筛查、力学分析、运动康复4个环节，涵盖了脊柱相关的解剖和力学知识，以及仪器操作、损伤评定与康复等实践方法。这对于学生更直观、全面地了解脊柱运动康复生物力学的理论知识和实验操作，培养体育与医疗复合型人才，有着重要意义。