彭 川

武漢體育學(xué)院體育科技學(xué)院，湖北 武漢 430079

全球新冠肺炎疫情肆虐的當(dāng)下，線上教學(xué)逐漸成為了高校課程教學(xué)中的重要一環(huán)。在體育運(yùn)動(dòng)中，尤其是像傳統(tǒng)武術(shù)這類對(duì)動(dòng)作準(zhǔn)確性有極高要求的項(xiàng)目，傳統(tǒng)的視頻教學(xué)已經(jīng)難以滿足線上教學(xué)與課后教學(xué)的需求。目前已有不少高校在體育項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程中結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)，例如，杭州師范大學(xué)在高爾夫教學(xué)中使用虛擬仿真技術(shù)模擬揮桿的過(guò)程，既不需要占用場(chǎng)地，又能讓學(xué)員更好的掌握揮桿技巧；北京體育大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)，在足球項(xiàng)目的教學(xué)中通過(guò)讓受訓(xùn)運(yùn)動(dòng)員以第一視角置身于比賽戰(zhàn)術(shù)場(chǎng)景中進(jìn)行選擇戰(zhàn)術(shù)決策和行動(dòng)；沈陽(yáng)體育學(xué)院和哈爾濱體育學(xué)院將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用在了冰雪運(yùn)動(dòng)上，在環(huán)境、場(chǎng)地受限的情況下，實(shí)現(xiàn)了全季節(jié)冰雪運(yùn)動(dòng)課程的教學(xué)。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)

1.1 教學(xué)方法

在以往的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)過(guò)程中，教師教授學(xué)員動(dòng)作時(shí)一般采用現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與視頻演示結(jié)合的教學(xué)方式，線下課堂教學(xué)時(shí)由教師現(xiàn)場(chǎng)演示并指導(dǎo)學(xué)員，課后復(fù)習(xí)或線上教學(xué)時(shí)學(xué)員只能通過(guò)觀看演示視頻來(lái)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)武術(shù)套路中的動(dòng)作多樣且復(fù)雜，學(xué)員在學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)新動(dòng)作時(shí)，如果想全面了解動(dòng)作的特點(diǎn)必須全方位多角度觀察動(dòng)作，然而目前的教學(xué)視頻僅僅有正面一個(gè)視點(diǎn)或正面加背面兩個(gè)視點(diǎn)，給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來(lái)極大困難。在課后練習(xí)和線上教學(xué)的過(guò)程中一旦學(xué)員養(yǎng)成了錯(cuò)誤的動(dòng)作習(xí)慣，教師需要在線下教學(xué)中花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)糾正他們。

圖1 不同視角下的動(dòng)作（演示用模型，非規(guī)范動(dòng)作）

本系統(tǒng)利用動(dòng)作捕捉技術(shù)將武術(shù)動(dòng)作導(dǎo)入到Unity3D引擎中制作成虛擬仿真運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景提供給用戶觀看。用戶使用屏幕或VR眼鏡觀看整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在觀看的過(guò)程中用戶可以隨時(shí)暫停場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)鼠標(biāo)或手機(jī)屏幕調(diào)整觀看視角，學(xué)習(xí)復(fù)雜的動(dòng)作時(shí)便可以利用該功能對(duì)各肢體的動(dòng)作進(jìn)行細(xì)致、反復(fù)的觀察學(xué)習(xí)，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

1.2 教學(xué)人員

目前傳統(tǒng)武術(shù)推廣的現(xiàn)狀：大師數(shù)量少，精力有限，只能培養(yǎng)專業(yè)武術(shù)人才和武術(shù)運(yùn)動(dòng)員。武術(shù)運(yùn)動(dòng)員忙于訓(xùn)練比賽，幾乎沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行教學(xué)，另外，想要參與教學(xué)還要有相應(yīng)的學(xué)歷，而專業(yè)武術(shù)人才可以從事武術(shù)推廣，但人群基數(shù)小，遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)的需要。[1]以往一位傳統(tǒng)武術(shù)教師在課堂上需要完成教授新動(dòng)作、復(fù)習(xí)舊動(dòng)作、糾正錯(cuò)誤等工作，一堂課能承擔(dān)的人數(shù)十分有限，如果學(xué)生通過(guò)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能提前預(yù)習(xí)新動(dòng)作復(fù)習(xí)舊動(dòng)作，將減輕教師在課堂上的壓力，在一定程度上彌補(bǔ)武術(shù)專業(yè)人員數(shù)量不足的問(wèn)題。

1.3 教學(xué)反饋

反饋教學(xué)法為全國(guó)著名特級(jí)教師、華夏教育研究院院長(zhǎng)劉顯國(guó)研究反饋教學(xué)藝術(shù)的成果。反饋教學(xué)法就是把人們對(duì)教學(xué)過(guò)程的思考，從傳統(tǒng)模式“考什么，教什么”“教什么，學(xué)什么”“怎么教，怎么學(xué)”，轉(zhuǎn)而逆向設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程為學(xué)生“怎么學(xué)，學(xué)什么”，教師決定“怎么教，教什么”。目前的傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)中教學(xué)反饋基本依靠課堂上教師的直接觀察和學(xué)生的提問(wèn)，教師在教學(xué)過(guò)程中精力有限，對(duì)每個(gè)學(xué)生的情況掌握程度必定參差不齊，不利于教師對(duì)后續(xù)的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行合理的規(guī)劃。本系統(tǒng)采用視頻反饋教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)反饋，學(xué)生使用手機(jī)的錄制功能錄制自己的練習(xí)動(dòng)作，通過(guò)系統(tǒng)功能上傳后便能實(shí)現(xiàn)師生評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)。此種方式不受時(shí)間空間的制約，使得教師能更加全面的觀察學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)的情況，獲得的反饋信息也更直觀更準(zhǔn)確，有利于教師及時(shí)有效的調(diào)整后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，視頻反饋教學(xué)法更有助于提高學(xué)生的武術(shù)技能成績(jī)。[2]

1.4 學(xué)習(xí)體驗(yàn)

當(dāng)今武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的講解、示范不利于學(xué)生興趣動(dòng)機(jī)的激發(fā)，進(jìn)而達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)將教師所要傳授的教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行建模模塊、3D模擬創(chuàng)造出虛擬環(huán)境，學(xué)生可以清晰地觀察到武術(shù)動(dòng)作的動(dòng)作軌跡和力學(xué)特征，創(chuàng)造出一種新情景模式，給學(xué)生帶來(lái)沉浸式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。[3]

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)前端使用Unity3D引擎開(kāi)發(fā)，在實(shí)現(xiàn)虛擬仿真效果的同時(shí)也具有良好的跨平臺(tái)支持和互動(dòng)性。動(dòng)作捕捉采用

2.1 Unity3D 引擎

Unity3D也稱Unity，是由Unity Technologies 公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開(kāi)發(fā)工具。時(shí)至今日，市場(chǎng)上出現(xiàn)了眾多種類的虛擬仿真產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)引擎種類繁多，而Unity3D開(kāi)發(fā)引擎以其強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性與絢麗的3D渲染效果而聞名于世，現(xiàn)在很多商業(yè)游戲、虛擬仿真產(chǎn)品都采用Unity3D引擎來(lái)開(kāi)發(fā)。Unity3D內(nèi)置NVIDIA的PhysX物理引擎，物理引擎是模擬牛頓力學(xué)模型的計(jì)算機(jī)程序，其中使用了質(zhì)量、速度、摩擦力和空氣阻力等變量，開(kāi)發(fā)中可以用高效、逼真、生動(dòng)的方式復(fù)原和模擬真實(shí)世界中的物理效果，例如，碰撞檢測(cè)、彈簧效果、布料效果、重力效果等，進(jìn)而達(dá)到虛擬仿真的效果。

2.2 動(dòng)作捕捉

動(dòng)作捕捉是在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后得到三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品主要使用光學(xué)動(dòng)作捕捉和慣性動(dòng)作捕捉。光學(xué)動(dòng)作捕捉原理是基于光從演員身上標(biāo)記點(diǎn)的反射到多個(gè)不同位置的攝像機(jī)，通過(guò)不同位置的成像信息測(cè)算出標(biāo)記點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)。而慣性動(dòng)作捕捉則是通過(guò)感知演員身上陀螺儀的旋轉(zhuǎn)信息推算出演員的肢體運(yùn)動(dòng)。光學(xué)動(dòng)作捕捉發(fā)展時(shí)間比較久，廣泛應(yīng)用于電影行業(yè)，已經(jīng)達(dá)到了非常高的精度。而慣性動(dòng)作捕捉發(fā)展還處在比較早期的階段，目前主要的劣勢(shì)是推算誤差會(huì)被積累，捕捉一定時(shí)間后容易出現(xiàn)動(dòng)作姿態(tài)偏斜，而它的優(yōu)勢(shì)是比光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)便宜，對(duì)捕捉場(chǎng)地要求低。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是光學(xué)動(dòng)作捕捉設(shè)備HTC VIVE Tracker，使用11個(gè)采集器和一副手套綁定在演員身上，通過(guò)SteamVR可以直接將捕捉到的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D虛擬仿真場(chǎng)景中再現(xiàn)演員的動(dòng)作。

3 管理端功能設(shè)計(jì)

后端數(shù)據(jù)部署在服務(wù)器上，管理員可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)登陸進(jìn)行管理。管理端主要包含以下3個(gè)功能。（1）用戶管理：為了方便統(tǒng)一管理，管理員可以批量添加、修改、刪除學(xué)生和教師。（2）動(dòng)作添加：經(jīng)過(guò)專業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)作捕捉后，將動(dòng)作數(shù)據(jù)生成虛擬仿真場(chǎng)景下的動(dòng)作演示，再將動(dòng)作演示文件上傳到后端服務(wù)器。上傳完畢后學(xué)生端與教師端即可觀看該動(dòng)作演示。（3）數(shù)據(jù)分析：隨著學(xué)生用戶的增多，對(duì)各動(dòng)作的觀看頻率、各動(dòng)作的觀看時(shí)長(zhǎng)、學(xué)生復(fù)習(xí)同一個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔等數(shù)據(jù)加以分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同動(dòng)作的學(xué)習(xí)難度，教學(xué)效果等數(shù)據(jù)的量化。后期教學(xué)人員根據(jù)量化的數(shù)據(jù)進(jìn)一步展開(kāi)實(shí)踐研究最終達(dá)成對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)教學(xué)的改進(jìn)。

4 學(xué)生端功能設(shè)計(jì)

學(xué)生端為手機(jī)APP形式，學(xué)生根據(jù)后端安排的賬號(hào)直接登錄即可使用APP。學(xué)生端主要包含以下4個(gè)功能。（1）動(dòng)作學(xué)習(xí)：學(xué)生可以使用屏幕或VR眼鏡觀看虛擬仿真場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在觀看的過(guò)程中學(xué)生可以滑動(dòng)屏幕和點(diǎn)擊功能按鍵調(diào)整視角對(duì)整個(gè)動(dòng)作進(jìn)行更加細(xì)致的觀察。（2）班級(jí)交流：輸入由老師提供的班級(jí)號(hào)即可加入班級(jí)查看老師發(fā)布的信息和任務(wù)或和老師同學(xué)交流。（3）視頻提交：在該功能中，學(xué)生需要根據(jù)教師在系統(tǒng)中發(fā)布的作業(yè)任務(wù)錄制自己的練習(xí)視頻提交到后端服務(wù)器，提交成功后由老師評(píng)審，學(xué)生再依據(jù)評(píng)審結(jié)果對(duì)自己的動(dòng)作進(jìn)行改進(jìn)練習(xí)。通過(guò)以上流程，在教學(xué)過(guò)程中就達(dá)成一次有效的教學(xué)反饋。（4）小游戲任務(wù)：在運(yùn)動(dòng)技能的熟練過(guò)程中練習(xí)必須的過(guò)程，但是高校武術(shù)教學(xué)中傳統(tǒng)的“講解——示范——練習(xí)”模式重復(fù)而枯燥，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。系統(tǒng)中利用小游戲的功能使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行輔助教學(xué)?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”是教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)生實(shí)際把教學(xué)任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)小目標(biāo)，學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)問(wèn)題解決式的自主學(xué)習(xí)方式來(lái)完成任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的一種創(chuàng)新教學(xué)方法。小游戲中每天會(huì)生成一定量的任務(wù)，任務(wù)需要取學(xué)生練習(xí)已經(jīng)完成學(xué)習(xí)某個(gè)動(dòng)作，通過(guò)手機(jī)陀螺儀檢測(cè)來(lái)判斷學(xué)生是否有執(zhí)行練習(xí)，完成練習(xí)后學(xué)生的虛擬角色會(huì)獲得一定經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生之間可以通過(guò)小游戲發(fā)起“切磋”，小游戲會(huì)根據(jù)學(xué)生的作業(yè)平均成績(jī)和經(jīng)驗(yàn)值隨機(jī)生成一段虛擬角色的戰(zhàn)斗畫面，以此鼓勵(lì)學(xué)生相互交流提升學(xué)習(xí)興趣。

5 教師端功能設(shè)計(jì)

教師端為電腦應(yīng)用形式，考慮到各高校都已經(jīng)使用了某款在線教學(xué)工具，所以，本系統(tǒng)并沒(méi)有添加在線教學(xué)功能。教師端主要包含以下5個(gè)功能。（1）動(dòng)作學(xué)習(xí)：和學(xué)生端的動(dòng)作學(xué)習(xí)功能一致，教師也可以隨時(shí)查看動(dòng)作文件對(duì)學(xué)生進(jìn)行動(dòng)作講解。如果要進(jìn)行線上教學(xué)只需要開(kāi)啟軟件使用學(xué)校注冊(cè)的在線教學(xué)工具分享屏幕即可。（2）班級(jí)管理：教師根據(jù)自己所教授的課程情況開(kāi)設(shè)班級(jí)，每個(gè)班級(jí)都會(huì)由后臺(tái)生成一個(gè)唯一的班級(jí)號(hào)。教師想發(fā)布信息或作業(yè)都需要選擇班級(jí)來(lái)進(jìn)行。（3）任務(wù)發(fā)布：任務(wù)發(fā)布功能用于提供給教師發(fā)布作業(yè)任務(wù)或自主練習(xí)任務(wù)。對(duì)應(yīng)班級(jí)的學(xué)生都會(huì)收到發(fā)布的任務(wù)信息。（4）作業(yè)評(píng)審：教師收到學(xué)生上傳的作業(yè)錄像后應(yīng)通過(guò)此功能對(duì)學(xué)生進(jìn)行語(yǔ)音點(diǎn)評(píng)，語(yǔ)音點(diǎn)評(píng)會(huì)和作業(yè)視頻一起反饋給上傳的學(xué)生。（5）賽場(chǎng)模擬：該功能需要配備VR眼睛和耳機(jī)來(lái)使用，軟件會(huì)模擬賽場(chǎng)的視覺(jué)環(huán)境和聲音環(huán)境，還原高度現(xiàn)實(shí)的賽場(chǎng)試聽(tīng)效果，讓學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)進(jìn)入賽場(chǎng)的心理變化，再通過(guò)教師的指導(dǎo)逐步學(xué)會(huì)控制這種心理變化。由于穿戴VR設(shè)備的時(shí)候使用者自身無(wú)法觀察周邊情況有一定危險(xiǎn)性，必須有教師在場(chǎng)看護(hù)，所以并沒(méi)有在學(xué)生端開(kāi)放這一功能。

6 結(jié)語(yǔ)

本教學(xué)系統(tǒng)包含了虛擬仿真動(dòng)作演示、任務(wù)發(fā)布、視頻作業(yè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，相比傳統(tǒng)的教學(xué)視頻可以更直觀、細(xì)致的將武術(shù)動(dòng)作展示給觀看者，更系統(tǒng)更全面地將學(xué)生的問(wèn)題反饋給教師。該系統(tǒng)既可以作為線下課程的課后輔導(dǎo)工具，讓學(xué)生能更直觀更準(zhǔn)確地復(fù)習(xí)武術(shù)動(dòng)作，同時(shí)又可以作為線上課程的教學(xué)工具，保障線上課程的教學(xué)效果。系統(tǒng)后續(xù)開(kāi)發(fā)可以針對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化訓(xùn)練進(jìn)行設(shè)計(jì)，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)利用動(dòng)作捕捉設(shè)備將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，在虛擬仿真場(chǎng)景中和規(guī)范動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比分析，精確指出運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作有哪些地方?jīng)]有達(dá)標(biāo)，從而制定個(gè)性化訓(xùn)練方案，采集的數(shù)據(jù)也能為其他研究提供基礎(chǔ)。