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        虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        2021-11-21 21:06:45楊辰宋雅偉馮茹
        當(dāng)代體育科技 2021年26期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué)康復(fù)實(shí)驗(yàn)

        楊辰 宋雅偉 馮茹

        (南京體育學(xué)院 江蘇南京 210014)

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容。2019年教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》(以下簡稱《意見》),指出課程質(zhì)量直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量,因此必須深化教育教學(xué)改革,將改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上[1]。根據(jù)《意見》內(nèi)容,2019年至2021年間將認(rèn)定1500門左右的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要措施,也是未來教育改革的發(fā)展方向。

        體醫(yī)融合背景下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才的重要途徑?!敖】抵袊睉?zhàn)略的實(shí)施以及《國務(wù)院關(guān)于實(shí)施健康中國行動的意見》等文件的發(fā)布,標(biāo)志著我國已從國家層面著手應(yīng)對當(dāng)前突出的健康問題[2]。體醫(yī)融合作為實(shí)現(xiàn)“健康中國”的重要舉措,由戰(zhàn)略規(guī)劃進(jìn)入到實(shí)質(zhì)發(fā)展階段。這也對體育院校人才培養(yǎng)和課程建設(shè)提出了新要求,尤其對運(yùn)動康復(fù)類專業(yè)的學(xué)生而言,實(shí)踐操作能力是其立足之本,在教學(xué)過程中融入更多情景式、啟發(fā)式和互動式的教學(xué)方法和技術(shù)將更有利于學(xué)生對專業(yè)知識的理解與應(yīng)用[3]。

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)將力學(xué)、運(yùn)動科學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合,是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科[4]。人體結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特征是運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)課程理論和實(shí)踐研究的關(guān)鍵,但由于人體結(jié)構(gòu)和力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜且評估和康復(fù)手段較為多樣,其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不易被直觀展現(xiàn)與理解。將虛擬仿真技術(shù)融入運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可以通過仿真模型展現(xiàn)人體結(jié)構(gòu),通過情景模擬強(qiáng)化功能認(rèn)知,以問題為導(dǎo)向推動實(shí)驗(yàn)開展,引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中做真實(shí)驗(yàn)[5]。

        該文以“脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例,從該項(xiàng)目的教學(xué)目的、主要內(nèi)容與考核方式等方面入手,探討虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與優(yōu)勢,為虛擬仿真技術(shù)在相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的推廣與應(yīng)用提供更多參考。

        1 傳統(tǒng)運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的劣勢

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)課程最早由南京體育學(xué)院于1999年率先為學(xué)??祻?fù)類相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)。該課程把運(yùn)動生物力學(xué)和醫(yī)用生物力學(xué)的原理與方法及其在臨床康復(fù)中的應(yīng)用成果綜合成為一個新的課程體系[6]。課程不僅要求學(xué)生掌握人體運(yùn)動的基本力學(xué)原理和人體運(yùn)動系統(tǒng)的生物力學(xué)特性,還要求學(xué)生能夠?qū)⑦@些理論應(yīng)用于運(yùn)動訓(xùn)練和臨床康復(fù)的實(shí)踐中。目前,運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括三維攝像測量和解析、紅外運(yùn)動捕捉測試、三維力測量和骨材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。但在現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,仍存在一些問題。

        1.1 理論知識抽象

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)課程的學(xué)習(xí)需要具備一定數(shù)理基礎(chǔ),并要求學(xué)生具有抽象思維和邏輯推理能力[7]。這對教學(xué)提出了更高的要求,單一的課堂教學(xué)模式和講授式的教學(xué)方法都無法滿足學(xué)生對于抽象概念的理解。部分學(xué)生也反映對理論知識的掌握較為吃力,這也可能降低學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣與效果。

        1.2 實(shí)踐能力不足

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)手段和方法為主的應(yīng)用型課程[7]。婁彥濤[8]總結(jié)了沈陽體育學(xué)院近年來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與效果,認(rèn)為在充分保證課程總學(xué)時的前提下,應(yīng)安排不少于1/3的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但在課程實(shí)際開展中,仍存在實(shí)驗(yàn)學(xué)時安排較少的情況,無法有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

        1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地短缺

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的測試手段涉及很多價格高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并對實(shí)驗(yàn)場地也有一定要求[9]。但是國內(nèi)一些高校由于經(jīng)費(fèi)投入等問題,缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和場地,造成部分實(shí)驗(yàn)無法開展,影響教學(xué)效果。

        1.4 教學(xué)方法有局限

        多數(shù)運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程以驗(yàn)證或演示為主,缺乏綜合性、設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10]。這導(dǎo)致教學(xué)中教師占主導(dǎo),而學(xué)生只能被動接受,很難培養(yǎng)其獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。并且多數(shù)運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和后期數(shù)據(jù)處理過程漫長,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一次實(shí)驗(yàn)課程的時長。因此,某些實(shí)驗(yàn)操作只能由教師代替完成,學(xué)生參與感下降,進(jìn)一步影響了學(xué)生的動手操作能力。

        2 虛擬仿真技術(shù)在運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

        2.1 教學(xué)方法創(chuàng)新

        在運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的教學(xué)過程中,學(xué)生多數(shù)情況下只能在教師示范中進(jìn)行想象與思考,無法自行操作。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),可通過模擬不同場景,讓學(xué)生身臨其境地感受運(yùn)動損傷的產(chǎn)生過程及機(jī)制,這將大大提高學(xué)生應(yīng)對具體問題的分析能力,提高了教學(xué)過程中師生之間的互動性和探究性。

        2.2 評價體系創(chuàng)新

        將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以實(shí)時觀察學(xué)生對人體形態(tài)、功能、評估與康復(fù)的掌握情況,同時也有效地避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能考查學(xué)生理論知識和簡單操作能力的局限性,實(shí)現(xiàn)了對于學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑u價。

        2.3 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)全天候的開放共享服務(wù),同時,可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重復(fù)使用性強(qiáng)、安全系數(shù)高和低成本等優(yōu)點(diǎn)。因此,將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)課程,延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時間與空間,拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度與深度。

        3 運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例

        基于運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn),建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可以更有利于將抽象的理論知識直觀展現(xiàn)給學(xué)生,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時不足、設(shè)備與場地受限等狀況,并可以在教學(xué)中加入更多綜合性和設(shè)計性的實(shí)驗(yàn),從而加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。針對以上原因,南京體育學(xué)院運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊率先建立完成了“脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

        3.1 教學(xué)目的

        該項(xiàng)目的目的在于在前期理論知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行情景模擬的教學(xué)方法,讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中綜合性的開展脊柱形態(tài)認(rèn)知、力學(xué)分析、評估與康復(fù)等實(shí)驗(yàn)操作,并通過人機(jī)對話的方式,加深學(xué)生對脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的認(rèn)識,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,在探究學(xué)習(xí)的過程中形成對基礎(chǔ)知識的自主構(gòu)建。

        通過“脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),可使學(xué)生:(1)掌握脊柱相關(guān)的解剖學(xué)和生物力學(xué)原理,了解脊柱各節(jié)段的組成及力學(xué)機(jī)制;(2)掌握脊柱形態(tài)和功能的評估過程,通過三維仿真場景展示評估脊柱的主要設(shè)備,熟悉其構(gòu)造和原理,掌握其操作要領(lǐng);(3)掌握脊柱相關(guān)疾病的損傷原理和康復(fù)方法,通過模擬脊柱評估的異常結(jié)果,選擇適宜的運(yùn)動康復(fù)手段。

        3.2 主要內(nèi)容

        整個實(shí)驗(yàn)過程由脊柱認(rèn)知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運(yùn)動康復(fù)四個環(huán)節(jié)組成,包括了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識,以及儀器操作、損傷評定和康復(fù)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

        3.2.1 脊柱認(rèn)知

        該環(huán)節(jié)主要以三維模型展示出脊柱的形態(tài)結(jié)構(gòu),學(xué)生可通過旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等方式全方位觀察脊柱的組成與運(yùn)動。在更為直觀地了解脊柱結(jié)構(gòu)后,該環(huán)節(jié)還要求學(xué)生完成脊柱及其基本功能單位的重新“組裝”,即將相應(yīng)椎體和韌帶等安置在適宜的位置上,以達(dá)到學(xué)習(xí)強(qiáng)化的作用。

        3.2.2 脊柱篩查

        該環(huán)節(jié)主要以情境模擬為主展示脊柱的動、靜態(tài)評估過程,學(xué)生可以通過操作身體姿態(tài)測評系統(tǒng)和電子脊柱測量儀來完成脊柱形態(tài)和功能的篩查,并判斷篩查對象所存在的脊柱問題,給出評定意見。

        3.2.3 力學(xué)分析

        該環(huán)節(jié)涉及基本知識的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)操作兩部分的內(nèi)容?;A(chǔ)知識應(yīng)用主要包括:(1)測算不同頸部前傾角度下頸椎所受頭部重力矩的大?。唬?)在胸椎節(jié)段的X光片上選取準(zhǔn)確的Cobb角測算點(diǎn)來評估脊柱側(cè)彎程度。

        實(shí)驗(yàn)操作可使學(xué)生掌握肌力測試和材料力學(xué)測試的基本原理及流程,主要包括:(1)通過等速肌力測試系統(tǒng)測量軀干完成屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時的肌肉力量;(2)通過材料試驗(yàn)機(jī)模擬椎骨受壓縮載荷時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

        3.2.4 運(yùn)動康復(fù)

        該環(huán)節(jié)中主要以選擇題的形式由學(xué)生完成作答,題目主要針對不同脊柱疾病所對應(yīng)的康復(fù)治療方法,該部分得分將計入學(xué)生最終的考核成績。

        3.3 考核方式

        學(xué)生以個人身份登陸教學(xué)平臺,完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)后進(jìn)入考核模式。實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容主要包括學(xué)生對脊柱結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)分析、診斷及康復(fù)等理論知識和實(shí)踐操作的掌握。任課教師的評價從學(xué)生出勤、課堂討論、實(shí)驗(yàn)考核等方面開展,貫穿于在線學(xué)習(xí)的全過程。

        4 結(jié)語

        運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)手段和方法為主的應(yīng)用型課程,但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中仍存在理論知識抽象、實(shí)驗(yàn)課時與場地設(shè)備短缺、缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計等限制因素。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以更直觀地呈現(xiàn)人體各部位結(jié)構(gòu),通過虛擬場景的設(shè)定讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時擺脫空間和時間上的諸多限制,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度,也增加了學(xué)習(xí)的趣味性和考核方式的多樣性。以“脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,項(xiàng)目包括脊柱認(rèn)知、脊柱篩查、力學(xué)分析、運(yùn)動康復(fù)4個環(huán)節(jié),涵蓋了脊柱相關(guān)的解剖和力學(xué)知識,以及儀器操作、損傷評定與康復(fù)等實(shí)踐方法。這對于學(xué)生更直觀、全面地了解脊柱運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)操作,培養(yǎng)體育與醫(yī)療復(fù)合型人才,有著重要意義。

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