大学体育教材中AR技术应用的实践研究——以羽毛球教学为例*

赵 朦 耿文光 张 禾

大学体育教材中AR技术应用的实践研究——以羽毛球教学为例*

赵 朦 耿文光 张 禾

（南京农业大学，江苏 南京 210095）

文章介绍了增强现实（AR）的概念、在高校体育类以及其他学科教学中的应用情况，以羽毛球教学为例,探讨了AR技术应用于高校体育教材编写、课程设计的可行性，运用文献资料法、探索性研究法、专家访谈法分析了由此给体育教学带来的益处，并给出了AR课程开发流程。AR技术已经在其他学科包括体育学科展开运用，但目前AR体育教材开发国内尚属空白，本研究根据大学体育教学的特点以羽毛球教学为例尝试了将AR技术引入到体育教材编写和体育教学中，对开发流程和学生接受度做了初步探索，但由于经费和技术的不足还没有进行具体数据的测量，如果今后将AR体育教材完整化，又有较好的增强现实效果，不但能激发学生的兴趣，提高老师的教学效果，也为未来体育教学走入信息化时代、体育教学改革和体育教学研究奠定了坚实的基础。

AR技术；体育教材；羽毛球教学

1 AR技术的概念

增强现实，即Augmented Reality，缩写AR，也称混合现实，在台湾也被称为扩增现实，增强现实是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等），通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知,也就是通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,增加用户的参与度[1]，从而达到超越现实的感官体验,实现和环境直接进行自然交互，呈现给使用户一个感官效果真实的新环境[2]，这种技术叫做增强现实技术,简称AR技术[3]。

2 AR技术应用于教育教学的现状梳理与典型案例

2.1 AR技术在高校体育教学中的应用

黑龙江八一农垦大学将VR、AR技术运用在了武术训练中，建立了一个“笼子”型的360度摄像头捕捉系统，可以有效的捕捉运动员各个角度的技术动作，但是该技术运用的缺点是不能大范围的运用于教学，学生人数受限制，并且造价相对较高。上海体育学院也将AR技术运用于运动损伤的学习，学生可通过专用增强现实设备点击设备中现实或虚拟的屏幕了解所要学习的知识。由此可见，信息技术在体育教学中也慢慢开始应用，但目前尚未普及，大部分高校体育教学中运用的信息技术手段有限，尤其是VR、AR、MR以及人工智能这类新技术，这也是体育学科在一些技术手段方面落后于其他学科的原因。

2.2 AR技术在其他学科领域中的应用

近些年，AR技术已经应用于多个学科领域[4]，AR技术在教育领域的应用案例也越来越多[5]，美国华盛顿大学开发名为“Magic Book”[6]的增强现实系统，使传统出版读物的图文描述转变为三维立体成像，开创了增强现实技术在教育教学中应用的初倪。北京师范大学现代教育研究所研发的“未来之书”[7]，该团队制作了一本虚实融合的立体交互书，利用增强现实的图像识别、三维成像等技术克服传统图书的不足，带来了新的教学模式和方法。上海中医药大学附属闵行蔷薇小学制作的《微微本草》[8]，是国内首套结合AR技术的中国传统本草文化科普启蒙读物。该校2018年将AR技术引入其校本课程“微微本草”中，以纸质教材内容为基础，以AR数字化资源为核心，以AR交互学习系统为支撑，融入整个“导入—探究—实践—分享—评估”等教学环节，激发学生的探索精神与实践能力，培养“未来型”综合素质人才。该套读物第一辑全十册，包括蒲公英、莲、橘、银杏、菊、桑、薄荷、姜、枣、山楂等十种孩子生活中常见的“药食同源”本草植物。具体运用主要包括以下几方面：

（1）动画解说

该套读物在开篇的本草解说中运用AR技术展示二维动画，旁白配音，让原本难以理解的知识点，比如本草的别名、生长过程、药理介绍等，化为语音视频解释，丰富图书内容，让本草更加生动地展示在学生面前，增加趣味性，同时也让学生加深知识点印象。

（2）3D模型

在本草详细部位的剖析介绍时利用AR立体化本草，将三维的植物展现在学生面前，通过滑动手机或者pad屏幕来转植物方向、放大细节部位等，弥补传统图片展示的不足，拉进学生与本草的距离。

（3）互动测试

测试环节通过AR进入H5互动页面，通过游戏闯关的形式测试小读者对知识点的掌握情况，起到测评与复习巩固的作用。H5互动的形式可有效提升小读者的参与感，激发积极性。

（4）手工视频

在手工活动上运用AR技术，展示真人讲解的手工活动视频，让学生在因为工作忙碌，家长无法参与指导的情况下也可以观看学习。

3 AR技术运用于体育教材的可行性分析

3.1 硬件保障

AR体育教材硬件包括前端和后端，教师使用的前端硬件简单易便携，只需一部手机或电脑[9]，一本体育教材即可，如果系统升级，脱离二维码，那么只需一部手机扫描实物或自主点击选项学习即可。学生使用的前端硬件可以为手机（手机摄像头）或电脑（摄像头）[9]，也可以为头戴式AR设备（AR眼镜）。

3.1.1 头戴式AR设备（AR眼镜）

头戴式AR设备[10]（AR眼镜）可以在不同空间产生的增强现实效果，携带方便，佩戴者可以手持球拍，通过AR眼镜显示出来的不同角度的3D立体的小人，进行随时随地的模仿练习，AR眼镜增强现实出的虚拟人物更加生动立体逼真，并且可以转换不同角度便于学生仔细观察，学生可以通过佩戴AR眼镜随时随地进行交叉互动、运动参与，如图1。

图1 增强现实（AR）眼镜设备

3.1.2 手机（手机摄像头）

手机（手机摄像头）是当代每个人随身携带的通讯设备，较之于AR眼镜更能降低成本，AR眼镜需要一定的资金来购买器材，并且目前市面上的AR眼镜普遍造价偏高，如果想要简单易操作并且成本较低，一个手机就可以解决，学生可以通过点击应用软件，利用手机摄像头扫描二维码或实物就可以出现3D立体的动态的增强现实小人，学生可以通过翻转小人的不同角度进行细致的学习，如图2，学生可以通过手机扫描出不同角度的增强现实小人。当然教师和学生也可以利用电脑或电脑摄像头来操作，但相较于电脑，手机更加便捷。

图2 增强现实（AR）手机摄像头设备

无论是通过AR眼镜还是手机摄像头，增强现实出来的人物或其他虚拟形象都可以脱离固定位置随时移动、翻转，例如书本上、沙发上、桌面等不同地方均可以呈现，相较于2D的图片或视频，更加立体生动，并且可以放大或缩小、翻转不同角度观察细节动作，如图3，在书本上呈现的不同角度的增强现实立体效果。

AR体育教材开发与应用的后端硬件包括制作服务器、发布服务器、资源服务器等采用目前主流中端服务器即可，如DELL R290，为保障系统运行稳定，可以构建服务器群，采用虚拟化服务器和存储技术，在节约硬件投入的同时可以获得更高更稳定的性能。因此，AR体育教材开发与应用的硬件方面完全可行，无论是前端还是后端，市面上的硬件供应商日益增多，硬件产品越来越丰富。

3.2 软硬技术

据了解，目前AR技术已经日益成熟，市面上的技术厂商也日益增多。本人通过电话访问，面谈访问等形式，了解到制作AR教材开发的主要环节如拍摄3D视频、3D建模[11，12]、资源录入等所涉及的技术问题都可以解决，只是需要录入项目的数量，拍摄和录入内容的复杂性也决定资金投入的多少。另外，开发专门的AR体育教材应用APP所涉及的开发与呈现技术也早已完善。因此，用于AR体育教材开发的软硬件技术已成熟。

3.3 需求分析

通过访谈法的形式访问南京体育学院、南京中医药大学等一些较早一批研究增强现实技术、人工智能的专家学者，他们对于AR体育教材都有较高的评价，并且对于未来高校体育教学、中小学体育教学，甚至国家竞技体育的训练应用都会有较好的推动作用，未来的需求必不可少；本人也随机走访一些高校，对在校大学生进行了访问，学生们对于这种新兴的具有科技含量的事物充满了好奇感和兴趣，愿意尝试以及使用，并且他们也愿意通过一学期至两学期的体育课程来体验教学效果。

3.4 学科发展

现代教学模式越来越多的向新授课模式靠近，其他学科的教学也越来越多的加入了信息化教学，多个学校开设了虚拟仿真实验室，VR的虚拟现实体验，包括在一些广告业、文体娱乐、航空航天、军事领域等也都运用了AR的增强现实的一些技术，科技不断的进步，打破许多常规、老套的模式，VR、AR技术也越来越多的运用到了教育、科研当中，一些地域、气候、经济等因素不能解决的问题，学生都可以通过VR、AR技术得以实现。在体育领域，同样的由于地域、气候、经济、空间等问题而接触不到的体育项目，教师都可以通过VR、AR的形式讲解给学生，而由于体育项目的特殊性，大多项目都需要与现实环境结合在一起，所以AR技术更适合体育教学，AR体育教材的逐步完善也为体育信息化发展奠定基础。

3.5 应用优势

大学体育课中普遍一周只有一次课，如果想达到非常明显的教学效果并不容易，由于体育运动项目特点不同，技术难度参差不齐，普通大学生对于较难技术动作很难掌握，如果学生课上掌握不熟练，课下则更容易忘记，AR技术运用到体育教学中，立体的增强现实效果生动有趣，可以有效地提高学生的学习兴趣[13]，学生在课上不能完全掌握的技术可以在课下从AR技术编制的体育教学中进行课下练习，大大地提高了教学效果，AR的生动形象、即时反馈等特点，对于教与学具有非常重要的辅助作用，结合体育教学的特点应用AR技术编制体育教材对于提高体育教学质量具有非常积极的意义[14]。

4 AR技术应用于体育教材的构建

4.1 大学体育教学的特点——学习运动

大学体育区别于初高中体育课程，大多数是学生每学期分选项上课，除了一些专业体育院校，普通大学体育课程大多都是基础的公共选修课，为教师一人授课，班级学生跟学的传统教学模式，课后很难得到有效监控，如果课下不加强练习，则教学效果一般。

4.1.1动作性、形象性

大学生在学习大学体育课程时普遍是没有基础的，动作协调性、速度、力量等身体素质都较为一般，大学生形象普遍偏瘦弱或偏胖，大多戴眼镜，很少能看到一些肌肉发达、身材匀称、健硕的健身体型。以羽毛球课程为例，在一学期的课程当中，学生在反复的学习和练习下大多也只能掌握非常基础的技术动作，对于相对较难的吊球、杀球、搓球、推球等技术项目，学生的掌握程度较差，而对于已掌握的基础动作，例如设为考试项目的正手发高远球技术，学生动作、质量大多良莠不齐，在身体素质测试中，达到优秀的大学生数量有限。

4.1.2大学体育教材对于大学体育教学的作用

大学体育教学主要以实践课教学为主，理论教学为辅，但是大学体育教材对于教师进行大学体育教学起着非常重要的作用，大学体育除了教授学生技术动作，还要让学生了解相关的历史起源、相关规则、教法学法规则等，让学生明确大学体育在学校教育中的地位和作用，树立终身体育的指导思想和理念。

4.1.3大学纸质体育教材运用的特点

大学体育纸质教材对于大学实践教学起着承上启下的作用，大学生可以在体育课前通过纸质教材预习教学内容，对即将所学内容有个初步印象，通过体育课中教师所教技术动作，在课后通过纸质教材进行复习，可以巩固加深教学内容。

4.2 在体育教材中加入增强现实（AR）技术的目的

基于上述大学体育教学的特点，我们考虑在体育教材中引入增强现实（AR）技术。现代传统的体育教学大多是教师在课堂上教，学生跟做的模式，课程基本上是一周一个课时，对于一些技术难度较大的动作，例如：羽毛球的头顶滑板吊球技术、反手搓网前球技术等，学生课后若不复习，较难的细节动作则很难体会和掌握，所以想要达到较好的教学效果，就需要一些有效的教学手段来辅助课堂课后去学习和练习。AR技术是利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户和环境直接进行自然交互。AR把虚拟的图像和文字讯息与现实生活景物结合在一起，很多AR应用已经在Android和iPhone智能手机上纷纷亮相，呈现效果让大家惊艳不已，所以本研究也是想将AR技术与课堂的技术教学相结合[13]，开发与教材配套的APP，学生们可以课上课下通过手机扫码或扫描图片、文字，用增强现实的方式跳出立体的3D动态图和文字解说，进行学习和练习,从而也可以很好的开发学生自主学习的能力。

4.3 以羽毛球为例——AR体育教材的系统性总体设计

AR体育教材应从课程设计、教材编写、开发配套APP入手，教材内容包括体育运动的多个项目，以羽毛球运动为例，首先进行羽毛球各项技术的拍摄3D动态图进行建模[15]，例如正手击后场高远球技术、头顶滑板吊球技术、正反手搓球技术等的全方位的3D立体动态视频，配合该技术的重点、难点进行文字解说，将建模好的3D动态模型[16]及图片素材存入数据中[17]，在相配套的书本教材中，学生可用配套的APP扫描书本中的图片或者二维码就可以看到增强现实的3D立体动态模型图，这些动态模型图可以通过触摸手机屏幕进行放大、缩小和360度的多方面旋转查看，如果想了解详细的重点、难点，还可以继续点击了解详情，这样学生不管是在课上还是课下都可以点击扫描，更好地巩固学习技术（图4）。如果技术开发更加精进，学生也可以通过该APP脱离课本，直接扫描实物，或扫描正在进行的羽毛球相关技术动作，扫描以后会增强现实出相应的动态图或者多个选择项目，可以进一步点击查看或观看。

5 存在的制约因素与解决办法

5.1 制约因素

5.1.1 经费不足

目前开发AR体育教材，遇到最大的困难就是经费问题，AR市场近些年刚刚兴起，大多用于广告业、工业设计、航空航天等高投入行业，如果使用开发好的成品模型和应用价格相对较低，如果定制化拍摄、建模，价格相对较高[11]，针对体育教材来说，从单一项目入手相对容易，若多个项目同时拍摄、全部建模则经费需求较大。

5.1.2 技术难度

AR应用开发技术难度相对较高[18]，目前市面上提供开发服务的企业良莠不齐[19]，若进行简单拍摄、建模一些公司尚可，能做到场景逼真、沉浸感强、细节优秀的公司不多。另外，AR应用若想获得较好效果，对如微软holense眼镜这类专用设备的依赖性较大，具有研发这类设备能力的企业屈指可数。技术难度较高也影响着制作周期，效果较好的教材、APP、眼镜等AR类应用系统开发周期较长。若因此想制作一个完整的AR体育教材，则需要一定的时间，完善内容。

5.1.3 国内缺少相关科研团队和研究成果

随着教育信息化进程推进,国外将AR应用于教育领域的研究越来越多,大部分的研究关注AR对某一学科领域的学习成效的具体作用。而国内关于AR与教育结合的研究较少,教育领域的AR应用研究还不成熟[20]。这就导致了AR体育教材开发的难度增加，国内可参考的相关研究成果有限，也缺少专门研究AR体育教材的相关团队。

5.2 解决办法

5.2.1 寻求赞助

开发AR体育教材，遇到的最大困难就是经费问题，寻求一些资质较好的公司、企业进行赞助可以有效的解决当前资金困难的问题。

5.2.2 洽谈合作

与市面上资质较好，开发制作技术精良的公司寻求合作，洽谈开发体育教材的优势和发展前景，合作的互惠互利办法，使开发出的AR体育教材能够呈现出更逼真、现实的效果。

5.2.3 广告宣传

开发AR体育教材进行一定程度上的广告宣传，不仅可以吸引一些资金注入、赞助商加盟，另外在各大高校、中小学、教育培训机构、喜爱健身的家庭、个人等进行宣传的话，也可以更好的扩大AR体育教材的使用，增加学习兴趣，提高学习效果，促进体育的信息化发展，广告宣传也可能会吸引更多的科研工作者、科研团队来研究、优化AR体育教材，为更多的智能化体育提供帮助，使AR体育教材更加普及化。

5.2.4 建立科研团队

开发AR体育教材需要一定的周期，并有一定的技术难度[20]，有较好的的科研团队合作，能够提高开发效率、增加科研成果。

6 结论

AR技术已经在多个学科包括体育学科展开运用，但目前AR体育教材开发国内尚属空白，本研究根据大学体育教学的特点以羽毛球教学为例尝试了将AR技术引入到体育教材编写和体育教学中，对于开发流程和学生接受度做了初步探索，但由于经费和技术的不足还没有进行具体数据的测量，拟解决方法为：（1）寻求赞助，解决当前资金困难的问题；（2）洽谈合作，与市面上资质较好，开发制作技术精良的公司寻求合作，开发出更精良的AR体育教材；（3）广告宣传，使AR体育教材更加普及化；（4）建立科研团队，提高开发效率、增加科研成果。如果今后将AR体育教材完整化，又有较好的增强现实效果，不但能激发学生的兴趣，提高老师的教学效果，也为未来体育教学走入信息化时代、体育教学改革和体育教学研究奠定了坚实的基础。

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A Practical Research on AR Technology Applied in Physical Education College Textbooks--Taking Badminton Teaching as an Example

ZHAO Meng, etal.

(Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China)

江苏省教育科学“十三五”规划2020年度课题“VR与AR技术在高校球类项目关键技术教学与训练中的应用研究”（项目编号：SKYZ2020024）；教育部人文社会科学研究规划基金“高校体育综合服务应用程序（APP）的设计与初步实现研究”（项目编号：18YJA890004）。

赵朦（1987—），硕士，讲师，研究方向：体育教学、体育信息技术。

耿文光（1980—），硕士，副教授，研究方向：体育管理、体育信息技术。