張彥龍 畢耕超 張友 張麗娟 郝春麗 崔鵬

(牡丹江師范學院體育與健康科學學院 黑龍江牡丹江 157011)

模擬仿真技術(shù)發(fā)展，對體育學科的發(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，尤其是教學中無法現(xiàn)實的三維人體運動教學。教師如何更好地適應(yīng)時代要求，如何在教學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)，減輕教師負擔，為培養(yǎng)學生的判斷能力、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)用給教學者提供了新的教學范式，對三維空間運動分析以及運動學、動力學參數(shù)整合，更加有效地促進學習、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實驗教學中的應(yīng)用，將為教學干預(yù)提供更多、更準確的依據(jù)。因此，模擬仿真實踐與訓練生物力學虛擬實驗，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習的視角，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，全面模擬實踐教學與應(yīng)用過程，并最終促進教師對教學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實驗教學中的實踐構(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)，由斯坦福大學開發(fā)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如人體行走、跑、跳仿真運動學和動力學分析研究及醫(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習系統(tǒng)，包含運動學數(shù)據(jù)來源庫、動力學數(shù)據(jù)來源庫、呈現(xiàn)模型庫和學習分析系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。

1.1 基于模擬仿真生物力學實驗建模過程

運動學數(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，如國內(nèi)的NOKOV（度量）光學三維動作捕捉系統(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、身體某一部位坐標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數(shù)據(jù)來源庫，為仿真提供數(shù)據(jù)支持，同時便于學生后期學習使用其運動學參數(shù)。

三維動作動力學數(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)一動作捕捉運動學與測量力的動力學坐標系，導(dǎo)入LifeMOD、AnyBody、OpenSim，建立運動仿真模型。因此，建立運動學與動力學仿真模型來源庫，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、學習內(nèi)容、呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、課程學習中的分析模型分析系統(tǒng)以及其他所有與學習相關(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、學習效果評估等環(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)果滿足學習的目的與要求，則得出實驗學習評估結(jié)果，如果沒有達到學習者實驗結(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習興趣評估模型被賦值，通過關(guān)聯(lián)建立學習效果評價，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)

模擬仿真學習模型基于認知、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、認知元素，面向?qū)W習者反饋模塊系統(tǒng)等要素，關(guān)注了動作仿真學習的不同層次。動作模型強調(diào)運動技能前移與交互，對于深入學習具有重要意義。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，要求把握學習目標內(nèi)在規(guī)律，遵循規(guī)律，發(fā)展能力學習體現(xiàn)在再認知過程，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)的有效評價和對學生學習的及時反饋，如Fahy強調(diào)認知在構(gòu)建模型分析中的重要作用。建立的模型強調(diào)認知在分析中的重要作用，提供的模型更注重認知結(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，仿真實驗學習中動作結(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、學習興趣、學習態(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，對仿真實驗學習過程進行分析，但單一地為了解學習實驗學習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、真實地輸出教學結(jié)果，解決學生的困惑，提升教學效果。

2 基于虛擬仿真實驗平臺的學習效果應(yīng)用評估

該研究選擇某大學三年級體育教育班64 名學生，參與運動生物力學實驗課程。該課程的開設(shè)時間為5周，共10學時，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生心理和認知方面的課堂學習數(shù)據(jù)，并提取學習者學習效果評估模型各指標所需的屬性值，可以得到關(guān)于學習者學習心理指標效果評估，進行一次課學習態(tài)度比較。其次，對實驗后2 個教學班學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，獲得指標權(quán)重，采用統(tǒng)計法對學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習效果，顯著水平為＜0.05。

2.1 實驗后學生一次課學習態(tài)度比較

采用模擬仿真教學（實驗班）與傳統(tǒng)教學（對照班）方法，比較學生學習態(tài)度，如表1所示。實驗班的模擬仿真教學在生動直觀、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^好地表征學生的實際學習態(tài)度情況。在學習態(tài)度方面，學生更傾向于模擬仿真實驗教學，學生滿意度提升，學習主動性提高，因此，效果評估能從課程、學生、教師維度對學習者的滿意度進行刻畫。學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識人體運動與肌肉動力學參數(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)合自身原有運動訓練和對動作的認知，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學習模式，提高學生學習興趣，調(diào)動其學習積極性，在大腦中建立完整正確的動作結(jié)構(gòu)，對學習結(jié)果產(chǎn)生積極的效果。

表1 實驗班與對照班學習態(tài)度比較表

2.2 實驗后學生實驗課成績比較與分析

自主學習策略就是倡導(dǎo)學生動手實踐、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、操作負擔。

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、跑的運動學分析、羽毛球殺球分析、跳高動作分析、投擲力學分析實驗等的差異性均非常顯著（＜0.01）；學習評價模型能從課堂參與、在線參與2 個層面，對實驗學習者進行刻畫。多維視角和層次的模型學習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，學生自主探究學習，借鑒以自主學為主的教學設(shè)計模式的思想，以應(yīng)用研究來培養(yǎng)學生的實踐能力。因此，建立的模擬仿真動作生物力學仿真教學與數(shù)據(jù)動作更清楚規(guī)范，能幫助學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。并最終促進學生對實際動作的有效評價和及時反饋。

表2 仿真實驗教學班與傳統(tǒng)方式學生成績比較(± s)

3 結(jié)語

為了提高實驗學習分析活動的效果，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實驗應(yīng)用需求，構(gòu)建完整模擬仿真實驗教學模型。學生能運用生物力學仿真模型，學習動作技術(shù)，以確保所構(gòu)建的實驗?zāi)Ｐ湍軡M足學習分析的基本要求，對特定動作有較強的時空感，能加深學生對動作的理解，進而掌握技術(shù)動作，加速動作技能的形成，提高學生分析和解決問題的能力。該研究提出構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ停嶒灁?shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，最后通過實驗對比教學實驗，驗證模型的有效性和可用性。學生表現(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，同時合理地使用學習效果評估，將過程與實踐結(jié)合在一起，發(fā)揮更好的評估效果，降低生物力學實驗操作教學的復(fù)雜性。