高校壘球虛擬實踐教學課程研究

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字模擬環(huán)境，使用戶借助相關設備就可以與數(shù)字模擬環(huán)境中的對象進行交互，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境般的感受與體驗［1］。虛擬現(xiàn)實技術的關鍵是模擬真實世界或虛構環(huán)境，并讓用戶能夠與之交互。通過感知技術、3D建模和計算機圖形學等技術手段，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以在用戶的視野內呈現(xiàn)三維圖像和場景，并對用戶的動作和行為作出實時響應，以達到身臨其境之感。虛擬現(xiàn)實已經(jīng)在多個領域得到應用，包括娛樂、教育、醫(yī)療、建筑、軍事和培訓等。教育領域可以利用虛擬現(xiàn)實來創(chuàng)建逼真的教學場景，使學生更加生動地學習?！疤摂M現(xiàn)實+教育”是教育現(xiàn)代化改革的積極嘗試，最早出現(xiàn)于物理和化學實驗課堂中，使學生對于知識的理解更直觀、高效，同時杜絕了實驗環(huán)境中存在的安全隱患，大幅度提升了學生的學習體驗和教學效果［2］。1棒壘球課程虛擬實踐教學研究價值《關于深化體教融合促進青少年健康發(fā)展的意見》指出，應進一步深化體育教學改革，構建科學、有效的體育與健康課程教學新模式，幫助學生掌握1～2項運動技能。由此，“教會、勤練、常賽”就成為了當前體育教學的新目標［3］。棒壘球課程虛擬實踐教學研究具有以下價值。（1）提供全方位的學習體驗：虛擬實踐教學可以通過模擬真實情境，為學生提供全方位的學習體驗。學生可以通過虛擬環(huán)境感受到真實比賽的緊張氛圍，從而更好地理解和應對實際比賽中的各種情況。（2）降低學習門檻：棒壘球是一項需要較高的技術要求和身體素質的運動。通過虛擬實踐教學，學生可以在沒有實際比賽場地和器材的情況下進行學習，降低了學習門檻。學生可以在虛擬環(huán)境中進行多次實踐，熟悉技術動作和比賽規(guī)則，提高學習效果。（3）個性化學習和反饋：虛擬實踐教學可以根據(jù)學生的個體差異提供個性化的學習和反饋。系統(tǒng)可以記錄學生的表現(xiàn)，并根據(jù)學生的水平和需求提供相應的指導和建議。學生可以根據(jù)自己的學習進度和興趣進行學習，提高學習動機和效果。（4）促進認知和技能發(fā)展：通過虛擬實踐教學，學生可以更加直觀地理解和體驗棒壘球運動的規(guī)則、技術動作和戰(zhàn)術應用。他們可以通過模擬練習來提升擊球技巧、跑壘速度、守壘反應等能力，促進認知和技能的發(fā)展。（5）促進協(xié)作和交流：虛擬實踐教學可以通過多人在線模式促進學生之間的協(xié)作和交流。學生可以組成團隊進行比賽和訓練，在虛擬環(huán)境中共同解決問題和制定策略。這不僅可以提高學生的團隊合作能力，還可以增強他們的溝通和交流能力。（6）節(jié)約成本和資源：傳統(tǒng)的棒壘球課程需要專門的場地和器材，成本較高，而虛擬實踐教學可以通過計算機模擬和虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)，減少了對實際場地和器材的需求，節(jié)約了成本和資源。由此該研究以高校棒壘球課為改革試點，構建高校棒壘球課程虛擬實踐教學模式。借助新技術解決傳統(tǒng)體育教學中的老問題，進一步突破傳統(tǒng)體育教學的困境，深化體育教學信息化改革。2傳統(tǒng)棒壘球課程教學存在的主要問題棒壘球是一項集健身、益智、禮儀、競技于一體的大型集體項目。有“綠茵場上的國際象棋”之稱，是最鍛煉頭腦的健身運動，所以棒壘球項目對學生身心健康發(fā)展的促進作用是其他項目不可比擬的。但由于棒壘球運動技術難度大，規(guī)則復雜，同時伴隨課時少、課程緊、場地缺乏等外部因素制約，因此，棒壘球課程的育人優(yōu)勢不能充分發(fā)揮出來。傳統(tǒng)教學通常采用集體授課的方式，忽視了學生的個體差異和不同的學習風格。每個學生的能力、興趣和學習節(jié)奏都不同，但傳統(tǒng)教學難以滿足個性化需求，導致一些學生無法充分發(fā)揮潛力或無法跟上課程進度。傳統(tǒng)課程往往過于強調技術的教學，如揮棒、投球等基本技能的訓練，而忽視了戰(zhàn)術意識和團隊合作的培養(yǎng)。棒壘球是一項需要團隊配合和戰(zhàn)術策略的運動，僅僅掌握技術而缺乏戰(zhàn)術意識會限制學生的整體發(fā)展。這種教學模式通常只注重特定技術的練習，如投球、接球等，而缺乏綜合性訓練的機會。棒壘球運動需要學生在比賽中綜合運用各項技能，而僅僅在單一技能上進行訓練無法幫助學生提升綜合能力。同時，學生在課堂上進行棒壘球技術訓練和比賽，但往往缺乏及時準確的反饋和評估機制。學生可能無法及時發(fā)現(xiàn)自己的錯誤和改進方向，難以提高技術水平，教師也難以對每個學生的表現(xiàn)進行全面評估。棒壘球需要專門的比賽場地和器材，包括棒球場、球棒、球等。然而，很多學?；驒C構在條件有限的情況下，難以提供合適的場地和器材，限制了學生的實際訓練和比賽機會。傳統(tǒng)課程往往沒有充分利用現(xiàn)代科技手段來輔助教學。例如，使用視頻分析技術可以幫助學生更好地理解和改進自己的動作技術，但傳統(tǒng)教學模式中很少使用這樣的科技工具。該文結合棒壘球教學實際與動作技能形成的4個階段（認知階段、分解階段、聯(lián)系定位階段、自動化階段），闡述棒壘球教學中存在的問題。2.1認知階段棒壘球被稱為最難掌握的球類項目，原因在于運動員需要在0.4s內，準確判斷球飛來的方向和旋轉的角度，并還要精確擊中，同時控制它飛出的方向。在初學階段，學生對棒壘球的規(guī)則、技巧和戰(zhàn)術了解較少。初學者通常需要學習基本的擊球、投球和接球技巧，以及跑壘和防守策略。他們可能需要花時間適應比賽的速度和規(guī)則，并逐漸熟悉團隊合作的重要性。由于動作過于短暫快速，學生無法通過肉眼獲取對動作成分、動作順序及動作執(zhí)行方式的認知，需要教師進行講解，幫助學生形成認知，但是肌肉的發(fā)力順序、角度、速度、動作起止時機的把握，這些知識是很抽象的，難以用語言準確描述，并且語言傳遞信息的過程也會產(chǎn)生許多干擾與損耗，使學生無法完全領會教師意圖，影響教學進程。2.2分解階段在分解階段的教學中，教師會將復雜的動作進行拆分，變?yōu)楦渍莆盏恼T導練習，幫助學生理解動作。此階段學生知覺準確性較低，無法發(fā)現(xiàn)自身動作的缺點及錯誤，且動作的掌握需要量的積累，從而要求教師必須多次逐個觀察與指導，但受制于學生人數(shù)較多和有限的課時，這一要求是無法滿足的［3-4］。2.3自動化階段學生在自動化階段的表現(xiàn)是對技能的執(zhí)行越來越自動化，操作流暢、準確且穩(wěn)定。但是，達到教學自動化階段的學生比例相對較低。傳統(tǒng)教學往往更側重于普及性的技能學習，而非精英化的提高訓練。缺乏差異化培養(yǎng)預案，無法滿足高層次學習訴求，阻礙了學生體育能力進一步發(fā)展，也流失了最有潛力將體育鍛煉終身化的群體［5］。3研究對象與方法3.1研究對象該研究以構建棒壘球虛擬實踐教學模式為研究對象，并對其教學效果進行探究，這種模式旨在利用動作捕捉技術和虛擬現(xiàn)實技術，為學習者提供真實場景的棒壘球實踐體驗，以提高學習效果和效率。3.2研究方法3.2.1研究目標確定該研究探索如何利用動作捕捉技術和虛擬現(xiàn)實技術改進棒壘球教學效果和效率。3.2.2文獻資料法為了全面了解虛擬現(xiàn)實技術在教育教學中的應用現(xiàn)狀，針對該項目的研究內容，分別從中外文數(shù)據(jù)庫等平臺查閱檢索虛擬現(xiàn)實技術、動作捕捉技術、棒壘球教學、體育教學等關鍵詞，通過對相關文獻資料的整理和歸納，閱讀與動作捕捉技術、虛擬實踐教學和棒壘球教學相關的學術論文、期刊和會議記錄，了解當前領域的研究動態(tài)和方法。并且認真總結分析，為該項目研究提供科學參考和理論依據(jù)，探討動作捕捉技術在體育教育領域的發(fā)展和應用情況。3.2.3教學實驗法設計基于虛擬實踐教學的棒壘球課程內容。學生通過本校體育課程選課系統(tǒng)自主選課，形成兩個平行班級，教師將兩班級分為采用棒壘球虛擬實踐教學模式的實驗組和采用傳統(tǒng)棒壘球教學模式的對照組。按照棒壘球課程教學大綱要求，由同一名教師進行教學，并在教學實驗后對學生的打擊技術動作規(guī)范程度、擊球命中率與傳球技術的動作規(guī)范程度及準確性進行測試，以驗證教學效果。3.3.4數(shù)理統(tǒng)計法經(jīng)過實驗后，針對實驗最終的各種數(shù)據(jù)信息進行梳理總結，運用Excel軟件形成報表，然后對所收集的信息運用Matlab進行數(shù)據(jù)分析，為實驗結果提供客觀支持。通過抽樣技術來獲取樣本數(shù)據(jù)，并利用最終的樣本數(shù)據(jù)進行總體特征的推斷。抽樣理論研究如何從總體中選擇合適的樣本，以及如何通過樣本對總體進行推斷。采用回歸分析對最終擊球的命中率進行分析，它是數(shù)理統(tǒng)計的一種方法，用于建立變量之間的關系模型。通過擬合回歸方程來描述自變量和因變量之間的關系，并進行預測和解釋。3.3.5教學評估與效果分析法實驗過程中，明確學習目標和預期結果，確保教學評估的焦點和方向。通過實驗和評估方法，評估虛擬實踐教學課程的效果和學習者的學習成果。比較虛擬實踐教學與傳統(tǒng)教學方法的差異，并分析虛擬實踐教學對學習者技能和認知能力的影響。對實驗所收集的數(shù)據(jù)進行分析和解釋，以獲得對教學效果的客觀評估。基于實驗數(shù)據(jù)分析的結果，評估教學效果。判斷教學是否達到預期的目標，包括學生的知識掌握程度、技能發(fā)展等。教師可以根據(jù)評估結果進行教學反思和改進，以提高教學質量。4高校棒壘球課程虛擬實踐教學模式構建虛擬實踐教學平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1所示。AzureKinectDK用于捕捉和識別學生的動作，圖像工作站主要用于運行虛擬實踐教學軟件，顯示器用于為學生提供各種動作的分析結果等。軟件系統(tǒng)主要包括基礎知識與基本技術兩個功能模塊，三維模型使用3DStudioMax創(chuàng)建，開發(fā)工具為Unity3D和C#語言。圖1硬件系統(tǒng)和軟件界面4.1基礎知識模塊基礎知識模塊主要包括棒壘球項目的場地與所用器材介紹、基本玩法、禮儀要求、裁判規(guī)則等4個方面。模塊中搭建了高真實感的棒壘球場地（見圖2）、球棒和各類軟球等，學生可以通過漫游、視角切換、鼠標的交互、虛實對話等方法學習棒壘球項目的基礎知識，提高學習的趣味性和沉浸感，明晰球場組成、攻防球員位置和相關注意事項，強化對棒壘球基礎知識的認知。圖2棒壘球場地4.2基本技術模塊基本技術模塊包含傳球、接球等進攻動作與打擊、跑壘等防守技術。模塊使用圖像處理技術與優(yōu)秀運動員的標準動作視頻，構建了各類動作的標準庫。使用AzureKinectDK和動作捕捉技術，實時捕捉并識別學生的各類動作，并與虛擬人物進行實時動作綁定，如圖3所示。動作分析模型將學生的動作進行分解并與標準動作進行對比分析，動作回放功能則逐幀顯示學生的動作分析結果。該模塊通過上述功能不僅可以對學生的動作進行捕捉分析，并給予可視化的引導和姿態(tài)糾正，而且能夠將抽象的知識直觀化呈現(xiàn)，更有利于學生對復雜技術動作理解與掌握，同時系統(tǒng)對于學生動作的評判與糾正具有針對性，從此也實現(xiàn)了因材施教的個性化學習［6-7］。圖3練習者與虛擬人物的動作綁定5棒壘球課程虛擬實踐教學模式教學效果分析向固定點傳球測試結果如圖4所示，實驗組傳球的準確性高于對照組。由此證明，規(guī)范的技術動作可提高傳球準確性，但傳球速度受個體力量及爆發(fā)力水平影響較大，所以兩組數(shù)據(jù)較為接近。圖4固定點傳球測試結果擊球測試中，實驗組擊球命中率更高（見表1），這是由于技術動作相對固定，能夠形成穩(wěn)定的擊球節(jié)奏和球棒運動軌跡。表1T座擊球命中率統(tǒng)計由表2可知，實驗組的學生擊球技術、傳球技術兩項技術動作的標準程度評分均高于對照組的學生，說明基于動作捕捉技術的棒壘球課程虛擬實踐教學相較于傳統(tǒng)棒壘球課堂教學更有助于提升學生技術動作的規(guī)范性。表2技術動作得分表（）表2