韓 麗， 張美超

(遼寧師范大學(xué) 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116081)

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融合動作捕捉技術(shù)的體育微課教學(xué)設(shè)計與實驗研究

韓 麗， 張美超

(遼寧師范大學(xué) 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116081)

將三維動作捕捉技術(shù)與體育教學(xué)有效融合，從情感導(dǎo)入、動作演示及姿態(tài)分析3個層次對體育教學(xué)進(jìn)行微課綜合設(shè)計，有效激發(fā)了學(xué)生對體育學(xué)習(xí)的熱愛與興趣.采用動作捕捉系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為學(xué)習(xí)者構(gòu)建虛實融合的學(xué)習(xí)情境，不僅增強(qiáng)了交互式學(xué)習(xí)體驗，而且使得體育教學(xué)過程更加數(shù)字化、直觀化、立體化.通過運(yùn)用數(shù)據(jù)量化的方式進(jìn)行動作姿態(tài)的精準(zhǔn)性分析促進(jìn)了體育教學(xué)評價的科學(xué)化，提高了教學(xué)效率，豐富了體育教學(xué)資源.以定點投籃教學(xué)為例，系統(tǒng)進(jìn)行了微課設(shè)計與綜合實驗分析，充分驗證了本設(shè)計在體育教學(xué)中的高效性.

三維動作捕捉；體育教學(xué)；微課；教學(xué)設(shè)計

微課是以闡述某一知識點為目標(biāo)，以短小精悍的在線視頻為表現(xiàn)形式，以學(xué)習(xí)或教學(xué)應(yīng)用為目的的在線教學(xué)視頻[1].具有教學(xué)主題明確、教學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)完整，教學(xué)內(nèi)容精煉、多種媒體技術(shù)支持、學(xué)習(xí)資源豐富、滿足個性化學(xué)習(xí)需求等特點.微課在體育教學(xué)中的應(yīng)用尚處于初步探索階段，在中國知網(wǎng)搜索體育微課相關(guān)文獻(xiàn)僅115篇，其中，10.64%探討體育微課資源開發(fā)的策略，75.53% 探討將微課理念引入體育教學(xué)，13.83%分析體育教學(xué)中應(yīng)用微課的意義.對第二屆全國高校微課大賽[2]參賽作品中310部體育專業(yè)相關(guān)作品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，體育類微課的設(shè)計多為課堂實錄方式，例如參賽作品《雙手胸前傳接球》《跆拳道腿法——旋風(fēng)踢》等運(yùn)動技能類微課缺乏針對體育學(xué)科特征的創(chuàng)新性設(shè)計，運(yùn)動技能教學(xué)并沒有突破傳統(tǒng)演示教學(xué)思維局限.體育教師對于微課的認(rèn)識尚存在體育微課就是體育片段課、體育微課就是模擬上課視頻等諸多錯誤觀念[3]，致使信息技術(shù)的應(yīng)用無法達(dá)到輔助體育教學(xué)的目的.教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》提出加強(qiáng)高校數(shù)字校園建設(shè)與應(yīng)用，利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，創(chuàng)新信息化教學(xué)與學(xué)習(xí)方式，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[4]，如何高效運(yùn)用信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)促進(jìn)體育教學(xué)改革迫在眉睫.高校體育教學(xué)是高等教育的重要組成部分，教育信息化是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，體育教學(xué)應(yīng)當(dāng)注重教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)/網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[5]，研究表明，針對體育數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析時，計算機(jī)技術(shù)比人工技術(shù)更便捷[6]，更有助于促進(jìn)教學(xué)的數(shù)字化、專業(yè)化、科學(xué)化.

動作捕捉(Motion Capture)系統(tǒng)集合動作捕捉技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在運(yùn)動物體關(guān)鍵部位設(shè)置追蹤器，記錄物體移動的過程，再經(jīng)過計算機(jī)處理后得到三維空間數(shù)據(jù)[7]，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化保護(hù)、游戲、動畫、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、虛擬現(xiàn)實等研究領(lǐng)域[8].運(yùn)動捕捉不僅可以捕捉各種動作，亦可對運(yùn)動特征進(jìn)行量化分析，可有效實現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化教學(xué)[9].近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和數(shù)字教育應(yīng)用的推廣，動作捕捉技術(shù)不斷被應(yīng)用于體育訓(xùn)練等教育項目中，輔助體育訓(xùn)練數(shù)字化、科學(xué)化.在國外，2004年起，不斷有學(xué)者嘗試將動作捕捉技術(shù)應(yīng)用于高爾夫球訓(xùn)練研究[10-11]，2012年，Evansab 等人采用一套電磁捕捉系統(tǒng)對高爾夫球員的動作進(jìn)行了實驗與分析[12]，同年，Covaci將動作捕捉技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)研究，他利用動作捕捉技術(shù)開發(fā)了一個虛擬籃球訓(xùn)練系統(tǒng)，供學(xué)習(xí)者在無教師指導(dǎo)的環(huán)境下自主練習(xí)投籃技術(shù)[13].國內(nèi)相關(guān)研究始于2005年，馮利正、陳健分析了運(yùn)動捕捉技術(shù)在現(xiàn)代體育運(yùn)動中的作用，提出可將其應(yīng)用于捕捉運(yùn)動數(shù)據(jù)、運(yùn)動監(jiān)控、技術(shù)診斷與分析等方面[14]，2013—2015年，動作捕捉技術(shù)應(yīng)用于實際教學(xué)的研究案例頻出[15-16]，引起教育領(lǐng)域研究者的高度重視.

至今，動作捕捉技術(shù)在傳統(tǒng)體育教學(xué)訓(xùn)練中并未普遍應(yīng)用，其主要原因在于動作捕捉系統(tǒng)設(shè)備昂貴、安裝環(huán)境要求較高.隨著微課教學(xué)理念的出現(xiàn)，為解決這一關(guān)鍵問題提供了新的思路.筆者融合動作捕捉技術(shù)與微課教學(xué)理念，提出了三維、立體、虛實融合的多元化體育微課設(shè)計思想，并通過定點投籃教學(xué)為例，進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計與實驗論證. 本設(shè)計方法不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，而且有效提高了學(xué)習(xí)效果.

1 融合動作捕捉技術(shù)的體育教學(xué)微課設(shè)計

基于動作捕捉系統(tǒng)的可視性、實時性、交互性特點，以及能夠?qū)崟r捕捉姿態(tài)動作并通過量化的數(shù)據(jù)來再現(xiàn)人體在三維空間中的運(yùn)動軌跡的優(yōu)勢，制作多角度、精準(zhǔn)化的三維可視化體育教學(xué)視頻，同時引入情感化設(shè)計，交互式演示講解，實現(xiàn)體育微課教學(xué).本設(shè)計包括前期準(zhǔn)備、中期教學(xué)與拍攝和后期制作3個階段，如圖1所示.

圖1 融合動作捕捉技術(shù)的體育教學(xué)微課設(shè)計Fig.1 The design of micro course of physical education in the fusion motion capture technology

1.1 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備包括微課教案及視頻腳本的編寫和教學(xué)資源的采集2個環(huán)節(jié).通過對大學(xué)生體育課程選課情況進(jìn)行廣泛調(diào)查，以及對籃球任課教師的訪談，獲知定點投籃教學(xué)具有較強(qiáng)的技能性與突出的教學(xué)難度性，更適宜開發(fā)和實施微課教學(xué).因此將籃球教學(xué)中“定點投籃”作為微主題進(jìn)行了教案及腳本撰寫.教學(xué)資源采集環(huán)節(jié)中，融合動作捕捉技術(shù)，不僅需要采集圖像和文字，還包括教學(xué)數(shù)據(jù)的采集與編輯.其工作原理及數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示.

圖2 動作捕捉系統(tǒng)Fig.2 Motion system capture

動作捕捉系統(tǒng)在實驗室周邊360°均勻分布12臺攝像機(jī)，由教師穿著關(guān)鍵部位貼有Marker標(biāo)識點的特定服裝，在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行動作演示，計算機(jī)將捕捉到的關(guān)鍵點運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)編輯與格式轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行處理，再導(dǎo)入至Motion Builder與已有模型綁定、存儲.系統(tǒng)工作原理如圖2a所示，具體數(shù)據(jù)采集流程如圖2b.對教師演示的標(biāo)準(zhǔn)動作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與編輯，建立標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)數(shù)據(jù)庫，為后期教學(xué)與評價做準(zhǔn)備.

1.2 中期教學(xué)與拍攝

我們以體育教學(xué)中的“定點投籃”為案例，從情感化、交互式、科學(xué)性3個層次對導(dǎo)入環(huán)節(jié)、演示教學(xué)環(huán)節(jié)、姿態(tài)分析環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計.

1.2.1 情感化導(dǎo)入設(shè)計

教學(xué)內(nèi)容的情感化設(shè)計是其內(nèi)在特質(zhì)與視覺感官的結(jié)合[17].導(dǎo)入環(huán)節(jié)的情感化不僅僅包括內(nèi)容情感化設(shè)計，還應(yīng)包括媒體視覺情感化.在內(nèi)容設(shè)計方面，以學(xué)科知識文化、技能應(yīng)用為主，注重培養(yǎng)學(xué)生終身體育意識.在視頻畫面及虛擬教學(xué)情境構(gòu)建方面，強(qiáng)調(diào)構(gòu)圖簡潔，給予學(xué)生直接、清晰的感官刺激.圖3為本研究為學(xué)生構(gòu)建的三維虛擬籃球場館效果圖.適當(dāng)?shù)奈淖州o助，可以潛意識影響學(xué)生無意注意，使其盡快融入教學(xué)情境.

圖3 三維虛擬籃球場館效果圖Fig.3 3D virtual basketball stadium renderings

1.2.2 交互式演示教學(xué)設(shè)計

三維動作捕捉系統(tǒng)融合了動作捕捉技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為演示教學(xué)提供了良好的人機(jī)交互功能.系統(tǒng)將捕捉到的教師演示動作在計算機(jī)中生成三維動畫，在微課視頻設(shè)計中從前、后、左、右同步播放演示動作(圖4)，無須教師多次、多角度反復(fù)演示.

圖4 多角度同步演示教學(xué)Fig.4 The multiple perspectives synchronous demonstration teaching

同時，在視頻制作中引入三維骨架來講解動作要領(lǐng)，如圖5所示.教師結(jié)合理論知識，利用采集的教師標(biāo)準(zhǔn)動作，進(jìn)行骨骼分析，實時再現(xiàn)動畫效果，直觀地對關(guān)鍵部位進(jìn)行分解教學(xué)，不再局限于教師身體演示.教師可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)需求，分析動作技能特征，對關(guān)鍵部位進(jìn)行特寫或中景拍攝，對關(guān)鍵部位角度變化進(jìn)行立體、直觀、清晰的講解和分析.

圖5 投籃動作骨架連續(xù)幀動畫Fig.5 Continuous frame animation of shooting skeleton

1.2.3 姿態(tài)分析設(shè)計

運(yùn)動姿態(tài)的分析能夠幫助學(xué)生了解導(dǎo)致技能操作錯誤的根本原因，掌握技能操作核心要點，在微課的設(shè)計中，如何直觀、精確的呈現(xiàn)技能要點也是亟須解決的關(guān)鍵問題.因此，在姿態(tài)分析設(shè)計環(huán)節(jié)，運(yùn)用基于特征向量匹配的姿態(tài)分析方法[16]對動作進(jìn)行精準(zhǔn)分析，更加直觀的描述學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)的常見問題.

例如在定點投籃教學(xué)中，動作姿態(tài)要求兩膝微屈，五指自然分開，翻腕持球的后部稍下部位，與手臂約90°角，大臂與肩關(guān)節(jié)平行，大、小臂約90°角，肘關(guān)節(jié)內(nèi)收，與軀干約成90°角(如圖6所示).因此在教學(xué)中選取人體骨骼的4個關(guān)鍵點：肩部、肘部、膝關(guān)節(jié)、雙手腕關(guān)節(jié)作為動作技能特征參數(shù)，針對骨骼構(gòu)成的8個特征平面P1～P8與向量夾角θ1～θ8作為判別依據(jù)，進(jìn)行教師和學(xué)生動作差異度分析(如圖7所示).

圖6 定點投籃姿態(tài)Fig.6 Shooting posture

圖7 人體骨骼模型及特征平面Fig.7 The skeleton model and characteristics of the plane

姿態(tài)分析結(jié)果如圖8，圖8a為學(xué)生的右手腕動作(特征平面P1)與教師的標(biāo)準(zhǔn)動作的差異度分析； 圖8b為學(xué)生右肩部姿態(tài)(特征向量夾角θ5)與教師標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)的差異度分析(具體計算方法詳見文獻(xiàn)[18]).圖中：藍(lán)色曲線(“+”符號)代表教師的標(biāo)準(zhǔn)動作，紅色曲線(“Δ”符號)代表待測學(xué)生的動作.

圖8 待測學(xué)生與教師標(biāo)準(zhǔn)動作差異對比Fig.8 The comparison between student and teacher in the action

從對比圖中可以明顯看出在5 s時學(xué)生操作過程中手腕運(yùn)動方向及肩部角度與教師標(biāo)準(zhǔn)動作存在較大差異.這種分析方法不僅能夠精準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的具體問題，更便于科學(xué)、高效的對學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評價分析，體現(xiàn)了教學(xué)過程的科學(xué)性、公正性.

1.3 后期制作

伴隨著微課研究熱潮的持續(xù)升溫，微課設(shè)計與開發(fā)軟件隨之出現(xiàn)，如思維導(dǎo)圖、Snap[19]、Camtasia Studio[20]等.本文選用PPT、Camtasia Studio錄屏軟件和Adobe Premiere視頻后期制作軟件進(jìn)行微課后期制作.同時運(yùn)用3DMax建模軟件進(jìn)行虛擬情境的構(gòu)建，實現(xiàn)虛擬教師模型、動畫與場景的融合.并在虛實融合設(shè)計中運(yùn)用Adobe Premiere軟件中“極致鍵”功能，將教師與虛擬教學(xué)情境進(jìn)行融合，創(chuàng)建實時、立體、交互式的教學(xué)視頻.

2 實驗分析

采用實驗研究法對融合動作捕捉技術(shù)的體育微課設(shè)計的實用性與有效性進(jìn)行驗證.

2.1 被試及分組

本研究以遼寧師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院2015級籃球選修班的60名學(xué)生為實驗對象進(jìn)行教學(xué)實驗，實驗前依據(jù)國家大學(xué)生體能測試標(biāo)準(zhǔn),對所有實驗對象通過50 m跑[21]、立定跳遠(yuǎn)等測試方式對其個人身體素質(zhì)進(jìn)行測試，籃球技術(shù)測試采用定點投籃的方法，由學(xué)生自主選擇投籃點進(jìn)行投籃，共10個球，每個球10分，共計100分，測試采取自投、自搶的方式進(jìn)行.對所有學(xué)生各項測試結(jié)果進(jìn)行均衡化處理，將60名學(xué)生分為實驗組和對照組.運(yùn)用T檢驗方法對兩組學(xué)生最終個人身體素質(zhì)和籃球技術(shù)水平進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1、表2.

表1 個人身體素質(zhì)測試結(jié)果

表2 籃球技術(shù)測試結(jié)果

從表1中可以看出兩組學(xué)生個人身體素質(zhì)測試結(jié)果顯著性P均大于顯著水平0.05，說明兩組學(xué)生在個人身體素質(zhì)方面不存在顯著性差異；表2中，兩組學(xué)生籃球技術(shù)測試結(jié)果顯著性P=0.793大于0.05，說明兩組學(xué)生在籃球技術(shù)方面同樣不存在顯著性差異.因此排除個人身體素質(zhì)及籃球技術(shù)差異等前攝因素影響，實驗對象符合本次實驗要求.

2.2 實驗安排

針對“定點投籃”微課教學(xué)授課2學(xué)時.實驗組采取融合動作捕捉技術(shù)的體育微課視頻進(jìn)行教學(xué)，實驗安排如表3所示，對照組采取傳統(tǒng)教學(xué)方式.對兩組學(xué)生實驗前后的定點投籃技能進(jìn)行測試并記錄結(jié)果，以備后續(xù)學(xué)習(xí)效果對比分析.

表3 實驗安排

2.3 實驗分析

2.3.1 實驗前后定點投籃技術(shù)對比

從表4中可以看出，兩組學(xué)生在學(xué)習(xí)前后籃球技術(shù)均得到了明顯提高，其中，實驗組學(xué)生均值約為66.333分，對比實驗前籃球技術(shù)得分均值增加約30分；對照組學(xué)生實驗前后成績增加約22分，從P值上看，實驗后實驗組學(xué)生和對照組學(xué)生的實驗后成績顯著性P值為0.023小于0.05，兩組學(xué)生的籃球技術(shù)成績在實驗后存在了顯著性差異，說明通過微課的學(xué)習(xí)方法比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)效率更高.

表4 定點投籃技術(shù)對比

2.3.2 問卷調(diào)查及分析

實驗結(jié)束后，以問卷的形式對實驗組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及微課視頻應(yīng)用效果方面進(jìn)行調(diào)查，問卷共發(fā)放60份，回收60份，有效率100%，調(diào)查結(jié)果如圖9所示.

圖9 問卷調(diào)查結(jié)果Fig.9 The results of the questionnaire

從圖9可以看出，74.9%的學(xué)生認(rèn)為運(yùn)用動作捕捉技術(shù)進(jìn)行姿態(tài)分析的方法能夠幫助其深化和理解相關(guān)知識，53.9%的學(xué)生認(rèn)為虛擬籃球場館場景真實，其中14.4%的學(xué)生認(rèn)為非常真實，51.3%的學(xué)生認(rèn)為運(yùn)用動作捕捉技術(shù)進(jìn)行動作技能的講解很詳細(xì)，20.4%的學(xué)生認(rèn)為非常詳細(xì)，76%的學(xué)生認(rèn)為三維演示很清晰.總體上看，融合了動作捕捉技術(shù)的體育微課設(shè)計在媒體設(shè)計和內(nèi)容設(shè)計方面均取得了良好的教學(xué)效果.從問卷調(diào)查中，部分學(xué)生表現(xiàn)出對虛擬場景及三維教學(xué)的不適應(yīng)情況，針對這一問題在今后的研究中會對學(xué)生學(xué)習(xí)需求及視覺體驗需求進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查分析并改進(jìn).

教學(xué)結(jié)束后，對參與本次實驗的教師進(jìn)行了訪談，教師表示實驗組教學(xué)時親自演示的次數(shù)在1～2次，而對照組教學(xué)時大約在8～10次以上，可見微課教學(xué)不僅能夠提高教學(xué)效率，還能夠減輕教師教學(xué)任務(wù)量.同時，任課教師表示運(yùn)用動作捕捉技術(shù)的微課教學(xué)方法減輕了課堂教學(xué)負(fù)荷，為學(xué)生動作技能的學(xué)習(xí)提供了更有針對性的輔導(dǎo)與支持，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會反復(fù)觀看視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，教學(xué)過程更加輕松高效率.

3 總 結(jié)

面向數(shù)字化發(fā)展趨勢以及計算機(jī)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用需求，計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展必將為微時代的信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)提供新的深度、創(chuàng)新性融合途徑.在計算機(jī)技術(shù)與傳播媒體形式的支持下，動作捕捉技術(shù)與體育微課教學(xué)的深度融合，體現(xiàn)了動作捕捉技術(shù)在體育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價值，促進(jìn)了體育微課資源及文化的推廣與傳播.隨著數(shù)據(jù)時代及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，動作捕捉技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展將有著更廣闊的應(yīng)用前景.因此，微課的發(fā)展勢必要求當(dāng)代教師不斷加強(qiáng)自身的計算機(jī)應(yīng)用能力及微課的開發(fā)能力，設(shè)計開發(fā)符合微時代的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，以滿足廣大學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)需求.

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Research on the teaching design and experiment of sports micro course based on the fusion of motion capture technology

HANLi,ZHANGMeichao

(School of Computer and Information Technology, Liaoning Normal University, Dalian 116081, China)

Integrating the 3-D motion capture technology with sports teaching, three levels, including the emotion, action demonstration and attitude analysis, are used to design the sports micro course, which effectively stimulate the enthusiasm and interests of learning sports. The virtual reality technology of the motion capture system is used to construct the learning environment for learners. It not only enhances the interactive learning experience, but also makes the teaching process more digital,intuitive, three-dimensional. By using the method of data quantization, the precision analysis of the movement posture promotes the scientific teaching evaluation, improves the teaching efficiency and enriches the teaching resources. Take a study of basketball shooting techniques as an example we canny out,the design of the course and the comprehensive experimental analysis and verify the effectiveness of the design in the teaching of physical education.

3D motion capture;physical education;micro course;instructional design

2017-01-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(61202316)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持項目(LJQ2013110)

韓麗(1973-),女,遼寧大連人,遼寧師范大學(xué)教授,博士. E-mail:hl_dlls@dl.cn.

1000-1735(2017)02-0199-08

10.11679/lsxblk2017020199

G434

A