体育教学虚拟现实技术实践

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1虚拟现实相关技术

利用虚拟现实技术科学的模拟虚拟教学环境，需要多种相应技术作为支撑．从体育教学的角度分析，实物虚化、虚物实化和高效能计算机信息处理是实现虚拟现实的3个主要内容．实物虚化是将真实世界的多维信息映射到计算机的数字空间，从而生成相应的虚拟空间．它主要包括三维图形模型构建、模型驱动技术、立体声合成技术、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术可以让使用者操作虚拟环境中的物体，突破物理空间与时间的限制，实现“超越现实”的虚拟性．1）三维图形建模技术．它是生成虚拟现实世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的三维数字空间中重构，并根据系统和应求需要映射部分物理属性，不同的虚拟现实系统和虚拟现实应有不同的建模要求．例如，虚拟体育比赛场地，每项体育比赛对场地要求会有所不同；采用气象数据建模，生成虚拟环境中的各种气象情况，如阴天、雨天、昼夜等等．2）模型驱动技术．模型驱动软件通常是一个软件开发包，提供访问三维模型的接口，通过接口的调用实现三维模型的加载、删除、移动、旋转、放大等控制，完成力量检测、地形匹配、视场角调整、特效显示等功能．这样虚拟场景就在各类输入数据的控制下运作起来，并实时向使用者传送各类信息．3）立体声合成技术．是向使用者提供逼真听觉感受的一项基本技术．如在不同距离、方向上声音的衰减以及声音的位置变化，造成使用者双耳感受到的效果不相同．4）视觉跟踪与视点感应技术．使用从视频摄像机到X－Y平面阵列，利用环境光或者由位置跟踪光源发出的光在图像平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向．视觉跟踪的实现必须考虑精度和操作范围之间的权衡选择．视点感应必须与显示技术相结合，采用多种定位方法确定使用者在某一时刻的视线．较为常见的视点感应方法有眼罩定位、头盔显示、遥视技术和基于眼肌的感应技术［2］．虚物实化是将计算机生成的虚拟空间中的事物和作用反馈到真实世界中．虚物实化能让使用者感知产生于虚拟空间的各种逼真刺激，并产生等同亲临真实环境的“沉浸”感．高效能计算机信息处理技术主要包括数据转换技术、数据处理技术、声音空间化技术、数据压缩及数据库生成技术等．

2体育教学中运用虚拟现实技术的意义

虚拟现实技术应用于体育教育是体育教育界发展的一个飞跃．就教育理论而言，虚拟现实技术实现了人的临场化，使用者与虚拟环境是互相联系的一个整体的两个方面，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转变为“交互式”（学生通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能）的新型学习方式［3］．体育教学中运用虚拟现实技术有以下几方面的意义：1）符合现代化科技教育学习理念．虚拟现实能够满足教育者的人本主义理想．虚拟环境的创设，为现代体育教学方式提供了崭新的平台，为多种体育理论的融合提供了理想的舞台．虚拟环境的刺激与反馈，具有强大的冲击力，能给学生的内部需要和动机能产生强烈的满足感，使学生获得对客观事物的各种感性或理性认识，有助于激发学生的形象思维和创造性思维，从而深化概念和建造新的构想与创意．2）改善教学环境，实现教学场景真实化．利用虚拟现实技术，可以使物体的变化过程合乎理想地展现出来，时间和空间可以扩大和缩小，自然事件可以加速或延缓，学生可以将器材、场地甚至天气搬进教室，浸入虚拟环境进行观察、学习，实现足不出户就能真实体验各种运动技能，并自主决策技战术方案，切实感受实景操作．3）提高教学效率．教师在虚拟教学中可以根据教学需求迅速创设出相应的教学场景、外部环境、各类人物形象等多种教材资源，将动作重难点、技战术和环境真实清晰地展现在学生面前，使更多的学生有机会零距离、多角度地进行虚拟练习，使学生由单纯的印象记忆变成视觉记忆和文字记忆的结合，有利于学生的正确理解和掌握．学生独自练习时可以进行反复的模拟训练，可大大提高教学的效率．4）优化体育教学过程．通过虚拟现实、多媒体及现代网络教育等技术的综合应用，可以优化教学过程，展现出传统体育教学模式无法实现的教学方式．在虚拟现实系统中学生可以实现各种假设模型，并通过虚拟现实系统直观地观察到这一假设所产生的结果或效果，还可以进行实物虚化，虚拟世界上体育明星、教练员等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行交流、学习，开展启发式教学．5）开创新型现代化体育教学模式．虚拟现实技术，变革了传统体育教学过程的特征，使教师由知识的传授者转变为教学活动的指导者和组织者，学生由知识的被动接受者转变为知识的主动探究发现者．教学媒体由教师的教辅手段、教学工具转变为学生的认知工具，教学过程由“教师讲、学生听”转变为“创设情景，教学双方互动、探索、讨论和意义建构”．

3虚拟体育教学与情境认知

虚拟现实技术能够利用计算机生成各种虚拟的体育器材模型及各类不同的气候环境，学生可以通过虚拟的环境来获得近乎真实的感受，从而解决教学资源缺乏、教学手段单一的难题．其一个优势就是交互性，系统通过信息的输入和反馈装置，能够达到学生与环境互动的效果，从而变单向教学为互动教学．利用情境认知理论，通过分析虚拟现实技术如何应用于体育教学，能够为虚拟教学的有效设计和开发提供有力的理论支撑，弥补传统教学模式的局限性．情境认知理论认为，知识是情境化的，是个体与环境互动过程中建构的一种交互状态，并通过活动或者实践不断向前发展［1］．该理论运用于教学的方法之一就是给学生提供可参与和互动的情境，促使学生通过与学习相关的活动在情境中构建知识的意义，从而形成一种开放、自主的教学方式．将虚拟现实技术应用于体育教学，实质上就是利用该技术构建一种虚拟的学习情境．学生通过可视化操作与环境进行交互，获得近乎真实的体验，这将是一种有效的学习行为．学生与虚拟环境互动的过程实际上就是实践的过程，相比于对知识信息的简单记忆，这种学习情境能够帮助学生动态的建构与组织知识，从而促进学习和理解。在虚拟学习情境中，学生通过角色扮演能融入到学习环境中，主动去感受、理解和体验各类运动项目，将运动技能、情绪体验与实践活动融为一体，增强体育项目学习过程中的趣味性，从而提高学生的学习积极性．认知理论强调知与行是交互的，在虚拟环境中学生通过视觉、听觉、触觉等多种感觉去完成这种交互，比如多角度观察教学内容、讨论动作技术要点，还能体验不同运动项目所带来的真实感受，从而实现教学手法多样化．（本文来自于《北京师范大学学报·自然科学版》杂志。《北京师范大学学报·自然科学版》杂志简介详见.）

4基于虚拟现实技术的体育教学模式

体育教学模式在体育教学理论中占据着无比重要的地位．如何应用虚拟现实技术，构建新型体育教学模式，发挥虚拟现实技术优势，提高体育教学质量，正是我国体育教学的发展新方向．基于虚拟现实技术的体育教学模式是依据体育学习的情感特点和认知规律而设计、构建的教学过程的结构模式．强调的是学生“自主学习”方式和情感的体验（图2）．该模式是针对传统体育教学中单一化、公式化的被动体育教学模式，在教学思想上从虚拟情境教学入手，利用虚拟现实技术使体育教学的认知规律和情感体验规律达到有机整合，从而建立一种明确而益于自主学习的教学机制；在教学方法上强调培养学生的思维创造能力，促进学生综合体育能力的形成，增加学生的自主选择性，从而使学生更深刻地体验运动和学习的乐趣［4］．基于虚拟现实技术的体育教学模式，能有效的弥补传统教学的不足之处，化抽象为具体，把难以理解的内容或是不容易观察到的技术动作更形象、直观的展现出来，全方位的剖析教学重、难点，提高教学效率．这种教学模式还有利于发挥学生的积极性、创造性，给学生思考问题和创造性能力的培养留空间，有利于形成积极、生动、趣味性强的教学气氛，使学生能够互帮互学，边学边练，自定目标，自选场景，自我评价，在学习中充分体会多种运动乐趣，并能增强体育锻炼能力．基于虚拟现实技术的体育教学模式在教学指导思想上，促进学生个性的发展，引导学生逐步与终身体育接轨．在教学目标上，培养学生的运动能力、主动学习能力、问题解决能力、思考与创造力和体育实践能力．在教学过程中，让学生充分体验运动学习中的乐趣，满足学生的个体需要，使学生逐步形成一定的运动习惯，培养学生的学习兴趣．在教学方法上，以主体性教学观为视野，提供个别化和个性化的教学方法［2］．在教学评价上，要以学生生动活泼的学习、个性充分发展、兴趣习惯能力养成、主要学习目标的达成为基准．总之，基于虚拟现实技术的体育教学模式，使学生从科学与艺术相融的视觉信息中感知抽象、理解复杂，有利于调动学生的所有感官功能，全身心地投入学习，从而达到传统教学无法达到的特殊效果，实现教学的最佳目的．

5体育教学中运用虚拟现实技术存在的问题及应对措施

虚拟现实技术将会给现代体育教学中产生巨大影响，其优势无可否认，但虚拟现实技术应用于体育教学中仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍．

5．1存在的问题

1）虚拟设备“贵族化”．普通意义上的虚拟现实需要昂贵的外部设备，无论是高分辨率头盔、立体投影显示器、空间定位器、还是光纤数据手套的价格都不菲，其基本费用在7万美元左右［2］．要想功能更强，设备更优，则其费用还需增加，一般的教育单位可能会望而却步，资金不足严重制约着虚拟现实技术在教育领域中的应用．2）硬件设备还有待扩展．目前虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统所需的要求，如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要，对数据存储能力也不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化．3）虚拟现实的效果还有待加强．虚拟现实的表示侧重于几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型，虚拟现实技术在感知方面，真实性与实时性不足，其虚拟的效果还需要进一步加强．4）虚拟环境与真实环境的差异．学生在虚拟的环境中学习，与在真实环境中进行运动技能训练毕竟不同，如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果都要强于任何媒体教学．因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上实践某些危险动作的教学过程，而不能完全代替实践教学［5］．

5．2采取的应对措施

目前计算机的速度不能满足完全建模情况下体育教学的虚拟现实，所以只能使用贴图的方式来模拟其中的运动场景，使用一张处理好的场景，就能在虚拟现实技术中用一个面来表现一个场景，虽然在真实度方面会有一定的损失，但相对于完全建模所需的上百万个面来说，这种损失是值得的［5］．在1997年6月召开的ED—MEDIA世界大会上，出现了一种全新的称作快速虚拟的系统，其优异的性价比令人惊异．快速虚拟技术与普通的虚拟现实技术在使用的原理上有很大不同，它不是利用头盔和数据手套这类硬件来产生幻觉，而是使用360°全景摄影技术所拍摄的高质量图像来生成逼真的虚拟环境，允许用户在支持计算机操作系统或是Macintosh微机操作系统的普通微机上只利用一个鼠标和一个键盘就能真实地感受到和虚拟现实技术中一样的虚拟情景，无需用高档的图形工作站，无需戴头盔和数据手套，从而摆脱了繁重的设备，降低了虚拟现实技术实现的成本．但此技术能否为虚拟现实技术的大众化铺平道路，以优质价廉的全新面貌普及到体育教育领域，甚至进入体育课堂，还需要政府部门积极响应．尽管虚拟现实过程中还缺乏情感交流、缺少实物感和可操作性等不足之处，但利用虚拟现实技术对学生进行虚拟情景教学，根据所要教授的内容进行相应的虚拟处理，学生无论是在知识学习、能力创新，还是在运动能力、技能训练等方面都可以收到意想不到的效果．而虚拟现实技术突破时间、空间的限制和传统教学思维方式局限性，它必将带来体育教学上新的闪光点．伴随着虚拟现实技术的发展，教材内容、教学手段、教学模式都将发生深刻的变革，传统的体育教学模式将向着教学内容与虚拟现实实践相结合的新型教学模式发展，虚拟现实技术必将谱写应用性、创造性人才培养的新篇章，开创教育发展的新未来．

作者：刘衡冯婷工作单位：重庆大学体育学院