萬(wàn) 超， 王 偉， 于 洋， 霍 波

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

隨著全球新一輪科技革命的加速及我國(guó)“健康中國(guó)”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，與人體運(yùn)動(dòng)健康相關(guān)的研究及產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展。力學(xué)學(xué)科與基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用均密切相關(guān)，目前出現(xiàn)了生物力學(xué)、仿生力學(xué)等新興學(xué)科分支。生物力學(xué)研究主要是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)規(guī)律進(jìn)行定量分析，重點(diǎn)關(guān)注與生物學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題［1］。其中，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)一直是生物力學(xué)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其研究成果有助于人體運(yùn)動(dòng)能力提升、運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)受損診斷評(píng)估、仿人機(jī)器人優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)裝備改進(jìn)等［2-6］。

在生物力學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究及產(chǎn)品研發(fā)中，常需用到先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，如用于人體運(yùn)動(dòng)行為定量分析的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、用于測(cè)量生物組織微納米尺度力學(xué)特性的原子力顯微鏡（AFM）或納米壓痕儀等。配置這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往花費(fèi)昂貴，部分精密儀器極易損壞，單次實(shí)驗(yàn)可容納人數(shù)僅1或2人；此外，用于實(shí)驗(yàn)的人體組織樣本和特殊人群動(dòng)作也很難獲取。高昂的經(jīng)費(fèi)投入、有限的覆蓋人數(shù)和難以獲取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象等現(xiàn)實(shí)條件使很多學(xué)校無(wú)法開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，制約了學(xué)生擴(kuò)寬知識(shí)視野、提升專業(yè)技能、鍛煉實(shí)際工程能力，不利于創(chuàng)新性專業(yè)人才的培養(yǎng)。

基于虛擬仿真技術(shù)來(lái)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可以很好地解決所面臨的上述難題，目前已有部分教師開(kāi)始嘗試在人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)課程中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。王建鵬等［7］在Matlab軟件中的Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了模擬人體真實(shí)控制方式的虛擬人行走動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)具有良好的平穩(wěn)性，但虛擬人模型過(guò)于簡(jiǎn)化。類似地，曹中旺等［8］基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)捕捉技術(shù)構(gòu)建了人體的簡(jiǎn)化體段模型，并將其用于跳高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果的評(píng)估中。隨后，虛擬仿真模擬技術(shù)開(kāi)始逐漸被在籃球、羽毛球等體育教學(xué)中進(jìn)行試用［9-10］。然而，上述應(yīng)用多是對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行定性演示和功效評(píng)估，而非圍繞人體運(yùn)動(dòng)行為與生物力學(xué)特性開(kāi)展的力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，不適合力學(xué)、機(jī)械等理工科本科學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)。在所涉及的力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，孫艷娜等［11］開(kāi)發(fā)了針對(duì)混凝土力學(xué)參數(shù)測(cè)量的材料試驗(yàn)機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，李英姿等［12］開(kāi)發(fā)了用于基礎(chǔ)物理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的原子力顯微鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。然而，上述兩類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目并未包含有人體生物力學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。綜上，目前仍然缺乏能夠反映人體運(yùn)動(dòng)與生物力學(xué)前沿成果和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

基于此，筆者與軟件公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了人體運(yùn)動(dòng)與肌肉骨骼系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱肌骨系統(tǒng)）生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以解決力學(xué)、機(jī)械等理工科專業(yè)復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)中缺乏相應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目包含了人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的宏觀系統(tǒng)層面實(shí)驗(yàn)和微觀組織層面實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了動(dòng)作捕捉、肌肉骨骼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、生物組織力學(xué)特性測(cè)量等運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常用的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析方法，不僅能推進(jìn)人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)方向核心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更能幫助學(xué)生建立力學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景具體對(duì)象間的有效聯(lián)系、提升創(chuàng)新性拔尖人才培養(yǎng)水平。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握人體運(yùn)動(dòng)與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)中涉及的基本理論知識(shí)和常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為今后研究生物力學(xué)機(jī)制、研發(fā)運(yùn)動(dòng)裝備、開(kāi)展人體運(yùn)動(dòng)特性評(píng)價(jià)等奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。具體的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）理解運(yùn)動(dòng)捕捉分析和生物材料力學(xué)特性測(cè)試技術(shù)的基本原理。

（2）掌握人體運(yùn)動(dòng)捕捉和地面反力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析方法。

（3）掌握肌骨系統(tǒng)主要組織力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。

（4）理解骨和軟骨的微觀力學(xué)特性、肌肉的主動(dòng)/被動(dòng)張力特性、韌帶軟組織的橫觀各向同性超彈性等獨(dú)特力學(xué)行為。

（5）了解人體常見(jiàn)動(dòng)作下肌骨系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為達(dá)成以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，本項(xiàng)目主要包含3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：

模塊1人體運(yùn)動(dòng)捕捉與肌骨系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)人體不同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，獲得人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并得出不同動(dòng)作下人體肌肉張弛狀態(tài)等動(dòng)力學(xué)特性。

模塊2骨與軟骨壓痕實(shí)驗(yàn)與力學(xué)性能分析。針對(duì)人體肌骨系統(tǒng)中的骨與軟骨組織，使用原子力顯微鏡開(kāi)展壓痕實(shí)驗(yàn)，獲得生物組織沿不同方向的力學(xué)特性。

模塊3纖維軟組織拉伸實(shí)驗(yàn)與力學(xué)性能分析。針對(duì)人體肌骨系統(tǒng)中的肌肉和韌帶組織，使用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)獲得不同組織在不同方向和主動(dòng)/被動(dòng)工況下的力學(xué)行為。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c人才培養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

上述各模塊主要涉及的實(shí)驗(yàn)原理如下：

（1）人體運(yùn)動(dòng)捕捉及肌肉骨骼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方面。通過(guò)捕捉人體各體段骨性結(jié)構(gòu)上紅外光標(biāo)記點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而計(jì)算出人體各體段和相應(yīng)關(guān)節(jié)的速度、角速度、加速度和角加速度等；獲得人體足底的三維地反力情況，與運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)立求解出各關(guān)節(jié)載荷；結(jié)合骨骼肌張弛力學(xué)模型及其解剖分布情況，融合運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等數(shù)據(jù)進(jìn)行各肌肉張力特性的優(yōu)化求解。

（2）骨與軟骨組織的力學(xué)性能測(cè)試方面。在彈性半空間和赫茲接觸假設(shè)前提下，基于壓痕理論對(duì)材料的微尺度力學(xué)特性進(jìn)行表征。使用已知截面形狀的探針壓頭在被測(cè)樣本上進(jìn)行加載和卸載，在所得的力-位移曲線中去除探針懸臂梁的彎曲變形影響，從而得到反映待測(cè)樣本力學(xué)特性的壓入深度-力曲線，基于Oliver-Pharr公式得出被測(cè)材料在受載方向上的彈性模量E［13］。考慮到所用的金剛石壓頭具有非常高的彈性模量（1 170 GPa），具體公式如下：

式中：β為修正系數(shù)；S為接觸剛度；hc為接觸深度；E和ν為樣本的彈性模量和泊松比；A（hc）為壓頭的接觸投影面積，是接觸深度hc的函數(shù)。不同形狀的壓頭具有不同的A（hc）函數(shù)，因而式（1）可以簡(jiǎn)化成不同的形式。對(duì)于具有不同形狀特征的壓頭，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。以尖端為球型的圓錐型壓頭為例，樣本彈性模量E可由下式得出［14］：

式中：Rc為壓頭與樣本間的接觸半徑；h為壓入深度；P為壓痕載荷；Rt為探針壓頭尖端的球型半徑；θ為壓頭的圓錐半錐角。

（3）生物纖維軟組織的拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面。基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，使用中高速攝像機(jī)捕捉生物軟組織表面隨機(jī)散斑在拉伸過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況，得到樣本的應(yīng)變分布；使用力傳感器和樣本截面測(cè)量數(shù)據(jù)獲得樣本的應(yīng)力變化情況，從而得到不同樣本的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。進(jìn)一步，使用雙線性本構(gòu)模型［15］對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，得出韌帶組織明顯的非線性力學(xué)特性，具體表達(dá)式如下：

式中：σ為軸向拉伸應(yīng)力；ε為軸向拉伸應(yīng)變；E0為小應(yīng)變下的彈性模量；E1為大應(yīng)變的彈性模量；ε0為彈性模量轉(zhuǎn)變應(yīng)變。

2 項(xiàng)目架構(gòu)及設(shè)計(jì)

2.1 總體框架與功能設(shè)計(jì)

人體運(yùn)動(dòng)與肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為課前自主學(xué)習(xí)、課上主題講解、線上虛擬實(shí)驗(yàn)探究、結(jié)果研討拓展4個(gè)環(huán)節(jié)。在課前自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、MOOC、微課等資源自主學(xué)習(xí)人體肌骨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)；在課上主題講解環(huán)節(jié)，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及的主要背景知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理、技術(shù)方法和操作流程進(jìn)行講解，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究討論，最終形成共識(shí)或確定爭(zhēng)議點(diǎn)；在線上虛擬實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，學(xué)生選取不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)展線上虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵參數(shù)、重要的過(guò)程性結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；在結(jié)果研討拓展環(huán)節(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告（含關(guān)鍵步驟截圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、心得體會(huì)等），并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過(guò)程的討論進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。其中，線上虛擬實(shí)驗(yàn)是在所構(gòu)建的虛擬仿真平臺(tái)上完成。

該虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以3D仿真、HTML5和WebGL等技術(shù)為依托，使用Unity3D、3D Studio Max和Maya等開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建了人體運(yùn)動(dòng)捕捉及分析、骨與軟骨壓痕測(cè)試、人體肌骨系統(tǒng)軟組織拉伸實(shí)驗(yàn)3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)模塊內(nèi)包含實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、具體操作、數(shù)據(jù)分析、知識(shí)測(cè)驗(yàn)等環(huán)節(jié)。知識(shí)測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以對(duì)學(xué)生的課前自主學(xué)習(xí)和課上主題講解效果進(jìn)行測(cè)試，具體操作及數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)真實(shí)再現(xiàn)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵過(guò)程和核心參數(shù)。各環(huán)節(jié)間前后呼應(yīng)、相互依存、層層遞進(jìn)，系統(tǒng)性地提升了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的理解和掌握。

2.2 核心要素仿真設(shè)計(jì)

（1）運(yùn)動(dòng)捕捉場(chǎng)景及核心測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置。再現(xiàn)了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作環(huán)節(jié)，如可自由設(shè)置動(dòng)作捕捉相機(jī)和測(cè)力臺(tái)的數(shù)量和位置（見(jiàn)圖2）、自由選擇標(biāo)記點(diǎn)方案、測(cè)試前后進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定和補(bǔ)點(diǎn)操作、不同相機(jī)下顯示實(shí)際的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影像等。

（2）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬人模型。具有人體的完整體段和關(guān)節(jié)自由度，可按內(nèi)置步行、跑步動(dòng)作或由用戶提供的專業(yè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)動(dòng)，可拓展性強(qiáng)（見(jiàn)圖3）。

（3）人體肌骨系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。包含了主要骨骼、肌肉種類和肌肉束等特征，定量展示了動(dòng)作單周期內(nèi)的肌肉各束張弛情況（見(jiàn)圖4）。

（4）原子力顯微鏡壓痕測(cè)試操作及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。包含了壓痕測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù)和步驟，如視野下調(diào)節(jié)待測(cè)位置、選擇探針懸臂梁剛度和確定壓頭形狀參數(shù)（見(jiàn)圖5）、標(biāo)定探針靈敏性、自由設(shè)定關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)、基于力學(xué)模型定量分析實(shí)驗(yàn)曲線等。

（5）肌骨系統(tǒng)主要組織的真實(shí)特性?？娠@示密/松質(zhì)骨、軟骨、韌帶等的真實(shí)宏微觀影像（見(jiàn)圖6），輸出結(jié)果反映出不同交互操作下的力學(xué)行為變化，如骨/軟骨的微觀力學(xué)特性分布、韌帶的橫觀各向同性超彈性、電刺激下的肌肉主動(dòng)收縮行為等。

2.3 交互步驟設(shè)計(jì)

人體運(yùn)動(dòng)與肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)流程（見(jiàn)圖7）為：登錄系統(tǒng)——進(jìn)入模塊1開(kāi)展人體運(yùn)動(dòng)捕捉與分析實(shí)驗(yàn)——進(jìn)入模塊2開(kāi)展骨與軟骨壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)——進(jìn)入模塊3開(kāi)展軟組織拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)——綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、形成實(shí)驗(yàn)結(jié)論——完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并在系統(tǒng)內(nèi)提交。下面對(duì)人體運(yùn)動(dòng)捕捉與分析實(shí)驗(yàn)（模塊1）和密質(zhì)骨壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)（模塊2）進(jìn)行主要交互步驟的說(shuō)明。

2.3.1 人體運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)及分析（模塊1）

人體運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)及分析的主要步驟如下：

（1）選擇不同類型動(dòng)作（見(jiàn)圖8），可選擇“步行”“跑步”2種預(yù)設(shè)動(dòng)作或本地/平臺(tái)上的“自選動(dòng)作”數(shù)據(jù)（根據(jù)設(shè)定格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換）。

（2）在場(chǎng)地中央和周圍任意位置分別布置任意數(shù)量的三維測(cè)力臺(tái)和動(dòng)作捕捉相機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定操作（見(jiàn)圖9）。

（3）在任一測(cè)力臺(tái)上放置所構(gòu)建的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬人，設(shè)置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)，在人體骨性結(jié)構(gòu)處粘貼紅外光標(biāo)記點(diǎn)（見(jiàn)圖10）。

（4）開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，界面下方實(shí)時(shí)顯示出地反力曲線及各相機(jī)中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉影像（見(jiàn)圖11），結(jié)束后對(duì)因人體遮擋而造成的采集數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)操作。

（5）在人體三維解剖圖上選擇具體肌肉，展示出該肌肉在動(dòng)作過(guò)程中的張弛變化曲線（見(jiàn)圖12）。

2.3.2 密質(zhì)骨力學(xué)性能壓痕實(shí)驗(yàn)與分析（模塊2）

密質(zhì)骨力學(xué)性能壓痕實(shí)驗(yàn)與分析主要步驟為：

（1）選擇密質(zhì)骨樣本及其待測(cè)方向（矢狀面、冠狀面、橫截面）（見(jiàn)圖13），按適用于該樣本模量的懸臂梁剛度推薦方案來(lái)選擇適用的探針懸臂梁剛度。

（2）選擇探針針尖類型，并基于壓頭的掃描電鏡圖像完成對(duì)其形狀參數(shù)的測(cè)量（見(jiàn)圖14）。

（3）在原子力顯微鏡上完成裝針后，開(kāi)始對(duì)探針的偏轉(zhuǎn)靈敏度進(jìn)行擬合標(biāo)定（見(jiàn)圖15）。

（4）將樣本固定在AFM平臺(tái)上，在鏡頭下確定樣本上的壓痕測(cè)試區(qū)域（見(jiàn)圖16），進(jìn)而完成進(jìn)針操作，設(shè)置加載載荷、加載速率、卸載速率、保載時(shí)間等4種參數(shù)。

（5）開(kāi)始?jí)汉蹨y(cè)試實(shí)驗(yàn)，在線對(duì)所得壓入深度-力曲線進(jìn)行定量分析，得出樣本的彈性模量及硬度參數(shù)（見(jiàn)圖17）。

3 實(shí)施成效與展望

3.1 教學(xué)對(duì)象

（1）專業(yè)與年級(jí)要求。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要面向力學(xué)、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、航天工程及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生，針對(duì)生物力學(xué)導(dǎo)論（32學(xué)時(shí)）、生物力學(xué)與工程（32學(xué)時(shí)）等課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其他年級(jí)的學(xué)生也可通過(guò)自學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和教學(xué)課件來(lái)擴(kuò)展知識(shí)和掌握實(shí)驗(yàn)技能。

（2）基本知識(shí)和能力要求。學(xué)生應(yīng)具備理論力學(xué)、材料力學(xué)、現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)等相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識(shí)和理論分析能力，并了解人體肌骨系統(tǒng)解剖學(xué)等基本知識(shí)。

3.2 特色創(chuàng)新

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新。圍繞人體肌骨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，構(gòu)建了從人體整體運(yùn)動(dòng)到具體關(guān)鍵組織力學(xué)特性的綜合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生從人體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象“提出問(wèn)題”、應(yīng)用力學(xué)理論“分析問(wèn)題”、使用實(shí)驗(yàn)技術(shù)“解答問(wèn)題”的完整創(chuàng)新思維。

（2）教學(xué)方法創(chuàng)新。將傳統(tǒng)教學(xué)中借助書本介紹理論、實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單演示的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬母唠A人機(jī)交互式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生不再只是觀摩先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，而是能夠進(jìn)行動(dòng)手操作、切實(shí)提升工程實(shí)踐能力，為今后從事專業(yè)設(shè)備研發(fā)和學(xué)術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

（3）評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新。在評(píng)價(jià)體系中體現(xiàn)學(xué)生“認(rèn)識(shí)-學(xué)習(xí)-應(yīng)用-提升”的全過(guò)程效果，全方位地評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況和效果，最終成績(jī)中包括預(yù)習(xí)答題分（7分）、操作步驟分（68分）、數(shù)據(jù)分析分（15分）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分（10分），形成完整的綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。

3.3 實(shí)施效果

人體運(yùn)動(dòng)與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)完成后，已獲國(guó)家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)（登記號(hào)：2020SR1120028），并在我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（vredu.bit.edu.cn）上進(jìn)行布置，面向全校學(xué)生進(jìn)行使用。2020年9月開(kāi)始，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在我校工程力學(xué)專業(yè)大三學(xué)生的專業(yè)選修課生物力學(xué)導(dǎo)論和理工類專業(yè)大一學(xué)生的公共選修課生物力學(xué)導(dǎo)論中進(jìn)行應(yīng)用，使用人數(shù)達(dá)到300余人次，出色完成了相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，教學(xué)效果良好。通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，有效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)生物力學(xué)交叉學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的學(xué)習(xí)效率，學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、實(shí)驗(yàn)步驟交互操作性強(qiáng)、呈現(xiàn)形式新穎、具有非常好的體驗(yàn)感。

3.4 未來(lái)展望

在現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)基礎(chǔ)上，未來(lái)還需要在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)和拓展：

（1）完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和功能。如在人體運(yùn)動(dòng)分析中添加關(guān)節(jié)力/力矩計(jì)算分析功能；實(shí)現(xiàn)與肌骨系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析開(kāi)源軟件Opensim的數(shù)據(jù)交互和在線分析；引入可能出現(xiàn)的操作錯(cuò)誤或?qū)嶒?yàn)誤差，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性等。

（2）豐富實(shí)驗(yàn)對(duì)象和數(shù)據(jù)類型。如結(jié)合科技冬奧國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃研究成果，在虛擬人動(dòng)作中添加冬季項(xiàng)目動(dòng)作數(shù)據(jù)；增加骨/軟骨組織的粘性行為和在疾病狀態(tài)下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，建立更為豐富的生物軟組織力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（3）進(jìn)一步提升虛擬仿真技術(shù)水平和交互方式。如添加實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線填寫功能；增加平臺(tái)的最大同時(shí)在線人數(shù)及最大并發(fā)數(shù)；實(shí)現(xiàn)與可穿戴設(shè)備的連接和動(dòng)作實(shí)時(shí)在線；開(kāi)發(fā)適于VR、移動(dòng)端等多種方式的系統(tǒng)版本等。

（4）在高校及相關(guān)行業(yè)中進(jìn)行推廣。將本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目逐步推廣應(yīng)用于理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、生理解剖學(xué)、體育訓(xùn)練學(xué)、康復(fù)工程等相關(guān)課程的課程實(shí)踐和擴(kuò)展學(xué)習(xí)中，如人體運(yùn)動(dòng)分析可用于理論力學(xué)教學(xué)、生物材料的納米壓痕檢測(cè)可用于材料力學(xué)和彈性力學(xué)的教學(xué)等。此外，探索與體育、醫(yī)療、康復(fù)等相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)的交流合作，拓展該項(xiàng)目在服務(wù)于創(chuàng)新人才培養(yǎng)、“健康中國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略和產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人等方面的積極作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段可以有效地解決實(shí)際教學(xué)過(guò)程中高成本、高消耗、高風(fēng)險(xiǎn)、不可逆操作類教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的問(wèn)題，推進(jìn)對(duì)學(xué)生綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本文采用3D仿真、虛擬動(dòng)畫、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)并搭建了人體運(yùn)動(dòng)與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包含了人體運(yùn)動(dòng)捕捉及肌骨系統(tǒng)分析、骨與軟骨力學(xué)性能壓痕實(shí)驗(yàn)與分析、纖維軟組織力學(xué)性能拉伸實(shí)驗(yàn)與分析3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，切實(shí)提升了學(xué)生對(duì)生物力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技能的理解與掌握，有助于解決力學(xué)、機(jī)械等理工類專業(yè)復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)中缺乏先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)訓(xùn)練和操作的難題。