張彥龍 畢耕超 張友 張麗娟 郝春麗 崔鵬

(牡丹江師范學(xué)院體育與健康科學(xué)學(xué)院 黑龍江牡丹江 157011)

模擬仿真技術(shù)發(fā)展，對體育學(xué)科的發(fā)展具有革命性的影響，技術(shù)推動著虛擬現(xiàn)實從實驗室研究走向應(yīng)用和實踐，尤其是教學(xué)中無法現(xiàn)實的三維人體運動教學(xué)。教師如何更好地適應(yīng)時代要求，如何在教學(xué)過程中對人體真實運動三維呈現(xiàn)，有哪些運動數(shù)據(jù)參與并提供三維運動，是目前需要解決的問題。應(yīng)讓學(xué)生利用電腦或移動終端，隨時隨地進行基于實驗仿真平臺的模擬實驗，為現(xiàn)代人才創(chuàng)新意識的培養(yǎng)、知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、應(yīng)用能力的提高等提供可視化資源，同時將判斷、分析、創(chuàng)新等元素引入實踐，利用多視圖的可視化，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的解釋性和可理解性，使其能夠協(xié)助教師，實現(xiàn)體育技術(shù)動作各階段仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)參數(shù)同步呈現(xiàn)，減輕教師負(fù)擔(dān)，為培養(yǎng)學(xué)生的判斷能力、創(chuàng)新能力和個性能力創(chuàng)造有利條件。

基于模擬仿真數(shù)字信息時代的實踐應(yīng)用給教學(xué)者提供了新的教學(xué)范式，對三維空間運動分析以及運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)整合，更加有效地促進學(xué)習(xí)、實踐。同時，對數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析和挖掘也為實驗研究提供了一種新的方式。在模擬仿真運動生物力學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，將為教學(xué)干預(yù)提供更多、更準(zhǔn)確的依據(jù)。因此，模擬仿真實踐與訓(xùn)練生物力學(xué)虛擬實驗，作為實驗的有效補充，具有不受時間和空間限制，可以實現(xiàn)實驗控制等優(yōu)點。該文基于建模理論學(xué)習(xí)的視角，研究如何從多維的視角和層次，構(gòu)建運動動作，建立分析模型，全面模擬實踐教學(xué)與應(yīng)用過程，并最終促進教師對教學(xué)活動進行及時反饋和有效評價。

1 基于模擬仿真在運動生物力學(xué)實驗教學(xué)中的實踐構(gòu)建模式

LifeMOD、AnyBody、OpenSim 是人體仿真軟件，其中OpenSim 是應(yīng)用于人體肌肉骨骼模型開發(fā)、模擬仿真和運動分析的免費開源系統(tǒng)，由斯坦福大學(xué)開發(fā)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如人體行走、跑、跳仿真運動學(xué)和動力學(xué)分析研究及醫(yī)療手術(shù)過程仿真、器械設(shè)計分析和可視化等。因此，LifeMOD、AnyBody、OpenSim 為生物力學(xué)人體運動仿真提供了有力保障，特別是OpenSim軟件自帶的人體模型肌肉、關(guān)節(jié)和骨骼，可依據(jù)人體肌肉骨骼系統(tǒng)功能，結(jié)合仿真需要，在原模型中添加相應(yīng)環(huán)節(jié)實體模型?；贚ifeMOD、AnyBody、OpenSim 模型，開發(fā)面向人體運動的仿真可視化過程分析工具，同時利用多視圖的可視化呈現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的解釋性和可理解性，使其能夠?qū)θ梭w運動過程的分析，促進教師對教學(xué)活動的有效評價和及時反饋。

基于LifeMOD、AnyBody等建立完成的仿真模型學(xué)習(xí)系統(tǒng)，包含運動學(xué)數(shù)據(jù)來源庫、動力學(xué)數(shù)據(jù)來源庫、呈現(xiàn)模型庫和學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。

1.1 基于模擬仿真生物力學(xué)實驗建模過程

運動學(xué)數(shù)據(jù)采集主要使用動作捕捉系統(tǒng)，采集人體空間運動軌跡點坐標(biāo)，如國內(nèi)的NOKOV（度量）光學(xué)三維動作捕捉系統(tǒng)，國外的Qualisys 動作捕捉系統(tǒng)、Vicon 動作捕捉系統(tǒng)、Motion Analysis 三維動作捕捉系統(tǒng)。動作捕捉系統(tǒng)實時準(zhǔn)確測量、記錄人體在真實三維空間中的運動姿態(tài)或軌跡，如人體關(guān)節(jié)點空間坐標(biāo)、身體某一部位坐標(biāo)以及人體重心運動軌跡，將這些參數(shù)整理后，分類建立人體運動學(xué)數(shù)據(jù)來源庫，為仿真提供數(shù)據(jù)支持，同時便于學(xué)生后期學(xué)習(xí)使用其運動學(xué)參數(shù)。

三維動作動力學(xué)數(shù)據(jù)采集，包括地面反作用力及施加到對象上的力矩，同時也可以記錄肌肉的電變化，結(jié)合肌電對肌肉仿真驗證。動力學(xué)數(shù)據(jù)采集，如美國的AMTI 三維測力臺、瑞典的Kistler 三維測力臺等，采集的指標(biāo)有力、力矩及施加到人體的力、力矩的方向和施加點。統(tǒng)一動作捕捉運動學(xué)與測量力的動力學(xué)坐標(biāo)系，導(dǎo)入LifeMOD、AnyBody、OpenSim，建立運動仿真模型。因此，建立運動學(xué)與動力學(xué)仿真模型來源庫，為分析工具的可視化呈現(xiàn)提供了關(guān)鍵的功能。

1.2 基于模擬仿真的架構(gòu)建立

構(gòu)建實驗?zāi)M仿真模型數(shù)據(jù)庫，應(yīng)包含實踐的所有要素、學(xué)習(xí)內(nèi)容、呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、課程學(xué)習(xí)中的分析模型分析系統(tǒng)以及其他所有與學(xué)習(xí)相關(guān)的參數(shù)信息。構(gòu)建模擬仿真分析的模型，需要依據(jù)體育動作項目、運動模型分析、結(jié)果評價、學(xué)習(xí)效果評估等環(huán)節(jié)。第一，針對基于模擬仿真分析的運動生物力學(xué)實驗內(nèi)容、目的建模問題，實施相關(guān)的模型動作捕獲獲取模型，以確定要建立的運動模型分析。第二，基于三維運動仿真分別建立實驗內(nèi)容的仿真模型，對實驗結(jié)果評價，如果評價結(jié)果滿足學(xué)習(xí)的目的與要求，則得出實驗學(xué)習(xí)評估結(jié)果，如果沒有達到學(xué)習(xí)者實驗結(jié)果評價要求，則返回上一層重新獲取模型，直到滿足實驗者的要求。第三，使效果評估模型中的學(xué)習(xí)興趣評估模型被賦值，通過關(guān)聯(lián)建立學(xué)習(xí)效果評價，實現(xiàn)運動仿真，完成實驗效果評估。

1.3 基于模擬仿真的理論基礎(chǔ)

模擬仿真學(xué)習(xí)模型基于認(rèn)知、數(shù)據(jù)知識建構(gòu)、聯(lián)系性思維等不同的應(yīng)用與理論視角，構(gòu)建了面向三維立體情境、人機交互及知識鏈接動作的各種分析框架，處理模塊框架涵蓋動作交互、認(rèn)知元素，面向?qū)W習(xí)者反饋模塊系統(tǒng)等要素，關(guān)注了動作仿真學(xué)習(xí)的不同層次。動作模型強調(diào)運動技能前移與交互，對于深入學(xué)習(xí)具有重要意義。人體作為一個整體，運動技能要素之間具有影響與制約的關(guān)系，發(fā)展運動技術(shù)、技能，要正確認(rèn)識各要素之間的制約因素，并通過先進有效的手段和措施，反映這種能力，要求把握學(xué)習(xí)目標(biāo)內(nèi)在規(guī)律，遵循規(guī)律，發(fā)展能力學(xué)習(xí)體現(xiàn)在再認(rèn)知過程，刻畫在動作仿真遷移過程，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的可理解性，最終促進教師對動作結(jié)構(gòu)的有效評價和對學(xué)生學(xué)習(xí)的及時反饋，如Fahy強調(diào)認(rèn)知在構(gòu)建模型分析中的重要作用。建立的模型強調(diào)認(rèn)知在分析中的重要作用，提供的模型更注重認(rèn)知結(jié)構(gòu)相關(guān)參與的因素，特別需要考慮在反饋評價中是否提出了過程思維模式、觀點，是否明確了問題導(dǎo)向、空間模式等。

然而，仿真實驗學(xué)習(xí)中動作結(jié)構(gòu)的建構(gòu)是一個相互作用多方面因素有機結(jié)合的過程，從動作技能的掌握程度、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度，針對性地鞏固知識的模塊系統(tǒng)。從文獻分析來看，雖然已有研究者試圖構(gòu)建盡可能全面的維度，對仿真實驗學(xué)習(xí)過程進行分析，但單一地為了解學(xué)習(xí)實驗學(xué)習(xí)的過程存在視角狹窄的局限性。因此，要提升不同仿真模型動作及動作結(jié)構(gòu)機制的理解，才能把教學(xué)條件作為輸入，在內(nèi)部利用三維模型完整、視覺、真實地輸出教學(xué)結(jié)果，解決學(xué)生的困惑，提升教學(xué)效果。

2 基于虛擬仿真實驗平臺的學(xué)習(xí)效果應(yīng)用評估

該研究選擇某大學(xué)三年級體育教育班64 名學(xué)生，參與運動生物力學(xué)實驗課程。該課程的開設(shè)時間為5周，共10學(xué)時，完全處于自然實驗的狀態(tài)。首先，通過量化方式獲取包含學(xué)生心理和認(rèn)知方面的課堂學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并提取學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果評估模型各指標(biāo)所需的屬性值，可以得到關(guān)于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)心理指標(biāo)效果評估，進行一次課學(xué)習(xí)態(tài)度比較。其次，對實驗后2 個教學(xué)班學(xué)生的實驗課成績進行比較，成績單的綜合成績由實驗成績、實驗活動成績和考試成績?nèi)糠纸M成，獲得指標(biāo)權(quán)重，采用統(tǒng)計法對學(xué)生課程成績進行計算，采用卡方和配對檢驗方法，比較實驗班與對照班的學(xué)習(xí)效果，顯著水平為＜0.05。

2.1 實驗后學(xué)生一次課學(xué)習(xí)態(tài)度比較

采用模擬仿真教學(xué)（實驗班）與傳統(tǒng)教學(xué)（對照班）方法，比較學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，如表1所示。實驗班的模擬仿真教學(xué)在生動直觀、容易接受、感興趣和效果方面，人數(shù)比例都高于對照班，且經(jīng)過檢驗，實驗班和對照班成績差異顯著（＜0.05），說明其采用模擬仿真實驗?zāi)軌蜉^好地表征學(xué)生的實際學(xué)習(xí)態(tài)度情況。在學(xué)習(xí)態(tài)度方面，學(xué)生更傾向于模擬仿真實驗教學(xué)，學(xué)生滿意度提升，學(xué)習(xí)主動性提高，因此，效果評估能從課程、學(xué)生、教師維度對學(xué)習(xí)者的滿意度進行刻畫。學(xué)生主體在模擬仿真特定的情境中，從三維可視化的視角去認(rèn)識人體運動與肌肉動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，進行特定動作解讀，生成個性化的知識，同時結(jié)合自身原有運動訓(xùn)練和對動作的認(rèn)知，對數(shù)據(jù)、模擬等進行提取和組合，生成個性化的理解，表明采用模擬仿真運動生物力學(xué)學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，在大腦中建立完整正確的動作結(jié)構(gòu)，對學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生積極的效果。

表1 實驗班與對照班學(xué)習(xí)態(tài)度比較表

2.2 實驗后學(xué)生實驗課成績比較與分析

自主學(xué)習(xí)策略就是倡導(dǎo)學(xué)生動手實踐、積極參與、交流合作。開發(fā)面向模擬仿真的實驗教學(xué)三維運動分析實驗，利用多視圖的可視化呈現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)結(jié)果的可理解性和解釋性，利用多維模型3 個維度互為補充和相互解釋的關(guān)系，使其能夠協(xié)助教師，從分析的視角減輕教師講解、操作負(fù)擔(dān)。

如表2所示，5次的實驗班實驗課考試平均成績高于對照班平均成績，經(jīng)實驗前后配對均數(shù)檢驗，步態(tài)分析實驗、跑的運動學(xué)分析、羽毛球殺球分析、跳高動作分析、投擲力學(xué)分析實驗等的差異性均非常顯著（＜0.01）；學(xué)習(xí)評價模型能從課堂參與、在線參與2 個層面，對實驗學(xué)習(xí)者進行刻畫。多維視角和層次的模型學(xué)習(xí)分析所涉及的實驗項目一般是與基本動作、基本方法、基本過程和基本原理相關(guān)的知識內(nèi)容，學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，借鑒以自主學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式的思想，以應(yīng)用研究來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。因此，建立的模擬仿真動作生物力學(xué)仿真教學(xué)與數(shù)據(jù)動作更清楚規(guī)范，能幫助學(xué)生在頭腦中建立正確的動作表象，明確動作完成程序，區(qū)分正確動作參數(shù)與錯誤動作參數(shù)，及時幫助學(xué)生分析在實際中錯誤動作的根源，找出最優(yōu)動作組合。并最終促進學(xué)生對實際動作的有效評價和及時反饋。

表2 仿真實驗教學(xué)班與傳統(tǒng)方式學(xué)生成績比較(± s)

3 結(jié)語

為了提高實驗學(xué)習(xí)分析活動的效果，建立有效的模擬仿真模型是關(guān)鍵。為此，該研究針對基于運動生物力學(xué)實驗應(yīng)用需求，構(gòu)建完整模擬仿真實驗教學(xué)模型。學(xué)生能運用生物力學(xué)仿真模型，學(xué)習(xí)動作技術(shù)，以確保所構(gòu)建的實驗?zāi)Ｐ湍軡M足學(xué)習(xí)分析的基本要求，對特定動作有較強的時空感，能加深學(xué)生對動作的理解，進而掌握技術(shù)動作，加速動作技能的形成，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。該研究提出構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?，建立實驗?shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，最后通過實驗對比教學(xué)實驗，驗證模型的有效性和可用性。學(xué)生表現(xiàn)出對三維仿真動作濃厚的興趣，掌握動作的時間縮短，滿足了實際應(yīng)用的需求，同時合理地使用學(xué)習(xí)效果評估，將過程與實踐結(jié)合在一起，發(fā)揮更好的評估效果，降低生物力學(xué)實驗操作教學(xué)的復(fù)雜性。