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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
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。