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1虛擬現實相關技術

利用虛擬現實技術科學的模擬虛擬教學環境，需要多種相應技術作為支撐．從體育教學的角度分析，實物虛化、虛物實化和高效能計算機信息處理是實現虛擬現實的3個主要內容．實物虛化是將真實世界的多維信息映射到計算機的數字空間，從而生成相應的虛擬空間．它主要包括三維圖形模型構建、模型驅動技術、立體聲合成技術、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術，這些技術可以讓使用者操作虛擬環境中的物體，突破物理空間與時間的限制，實現“超越現實”的虛擬性．1）三維圖形建模技術．它是生成虛擬現實世界的基礎，它將真實世界的對象物體在相應的三維數字空間中重構，并根據系統和應求需要映射部分物理屬性，不同的虛擬現實系統和虛擬現實應有不同的建模要求．例如，虛擬體育比賽場地，每項體育比賽對場地要求會有所不同；采用氣象數據建模，生成虛擬環境中的各種氣象情況，如陰天、雨天、晝夜等等．2）模型驅動技術．模型驅動軟件通常是一個軟件開發包，提供訪問三維模型的接口，通過接口的調用實現三維模型的加載、刪除、移動、旋轉、放大等控制，完成力量檢測、地形匹配、視場角調整、特效顯示等功能．這樣虛擬場景就在各類輸入數據的控制下運作起來，并實時向使用者傳送各類信息．3）立體聲合成技術．是向使用者提供逼真聽覺感受的一項基本技術．如在不同距離、方向上聲音的衰減以及聲音的位置變化，造成使用者雙耳感受到的效果不相同．4）視覺跟蹤與視點感應技術．使用從視頻攝像機到X－Y平面陣列，利用環境光或者由位置跟蹤光源發出的光在圖像平面不同時刻和不同位置上的投影，計算被跟蹤對象的位置和方向．視覺跟蹤的實現必須考慮精度和操作范圍之間的權衡選擇．視點感應必須與顯示技術相結合，采用多種定位方法確定使用者在某一時刻的視線．較為常見的視點感應方法有眼罩定位、頭盔顯示、遙視技術和基于眼肌的感應技術［2］．虛物實化是將計算機生成的虛擬空間中的事物和作用反饋到真實世界中．虛物實化能讓使用者感知產生于虛擬空間的各種逼真刺激，并產生等同親臨真實環境的“沉浸”感．高效能計算機信息處理技術主要包括數據轉換技術、數據處理技術、聲音空間化技術、數據壓縮及數據庫生成技術等．

2體育教學中運用虛擬現實技術的意義

虛擬現實技術應用于體育教育是體育教育界發展的一個飛躍．就教育理論而言，虛擬現實技術實現了人的臨場化，使用者與虛擬環境是互相聯系的一個整體的兩個方面，它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式轉變為“交互式”（學生通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識、技能）的新型學習方式［3］．體育教學中運用虛擬現實技術有以下幾方面的意義：1）符合現代化科技教育學習理念．虛擬現實能夠滿足教育者的人本主義理想．虛擬環境的創設，為現代體育教學方式提供了嶄新的平臺，為多種體育理論的融合提供了理想的舞臺．虛擬環境的刺激與反饋，具有強大的沖擊力，能給學生的內部需要和動機能產生強烈的滿足感，使學生獲得對客觀事物的各種感性或理性認識，有助于激發學生的形象思維和創造性思維，從而深化概念和建造新的構想與創意．2）改善教學環境，實現教學場景真實化．利用虛擬現實技術，可以使物體的變化過程合乎理想地展現出來，時間和空間可以擴大和縮小，自然事件可以加速或延緩，學生可以將器材、場地甚至天氣搬進教室，浸入虛擬環境進行觀察、學習，實現足不出戶就能真實體驗各種運動技能，并自主決策技戰術方案，切實感受實景操作．3）提高教學效率．教師在虛擬教學中可以根據教學需求迅速創設出相應的教學場景、外部環境、各類人物形象等多種教材資源，將動作重難點、技戰術和環境真實清晰地展現在學生面前，使更多的學生有機會零距離、多角度地進行虛擬練習，使學生由單純的印象記憶變成視覺記憶和文字記憶的結合，有利于學生的正確理解和掌握．學生獨自練習時可以進行反復的模擬訓練，可大大提高教學的效率．4）優化體育教學過程．通過虛擬現實、多媒體及現代網絡教育等技術的綜合應用，可以優化教學過程，展現出傳統體育教學模式無法實現的教學方式．在虛擬現實系統中學生可以實現各種假設模型，并通過虛擬現實系統直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果，還可以進行實物虛化，虛擬世界上體育明星、教練員等各種人物形象，創設一個人性化的學習環境，使學生能夠在自然、親切的氣氛中進行交流、學習，開展啟發式教學．5）開創新型現代化體育教學模式．虛擬現實技術，變革了傳統體育教學過程的特征，使教師由知識的傳授者轉變為教學活動的指導者和組織者，學生由知識的被動接受者轉變為知識的主動探究發現者．教學媒體由教師的教輔手段、教學工具轉變為學生的認知工具，教學過程由“教師講、學生聽”轉變為“創設情景，教學雙方互動、探索、討論和意義建構”．

3虛擬體育教學與情境認知

虛擬現實技術能夠利用計算機生成各種虛擬的體育器材模型及各類不同的氣候環境，學生可以通過虛擬的環境來獲得近乎真實的感受，從而解決教學資源缺乏、教學手段單一的難題．其一個優勢就是交互性，系統通過信息的輸入和反饋裝置，能夠達到學生與環境互動的效果，從而變單向教學為互動教學．利用情境認知理論，通過分析虛擬現實技術如何應用于體育教學，能夠為虛擬教學的有效設計和開發提供有力的理論支撐，彌補傳統教學模式的局限性．情境認知理論認為，知識是情境化的，是個體與環境互動過程中建構的一種交互狀態，并通過活動或者實踐不斷向前發展［1］．該理論運用于教學的方法之一就是給學生提供可參與和互動的情境，促使學生通過與學習相關的活動在情境中構建知識的意義，從而形成一種開放、自主的教學方式．將虛擬現實技術應用于體育教學，實質上就是利用該技術構建一種虛擬的學習情境．學生通過可視化操作與環境進行交互，獲得近乎真實的體驗，這將是一種有效的學習行為．學生與虛擬環境互動的過程實際上就是實踐的過程，相比于對知識信息的簡單記憶，這種學習情境能夠幫助學生動態的建構與組織知識，從而促進學習和理解。在虛擬學習情境中，學生通過角色扮演能融入到學習環境中，主動去感受、理解和體驗各類運動項目，將運動技能、情緒體驗與實踐活動融為一體，增強體育項目學習過程中的趣味性，從而提高學生的學習積極性．認知理論強調知與行是交互的，在虛擬環境中學生通過視覺、聽覺、觸覺等多種感覺去完成這種交互，比如多角度觀察教學內容、討論動作技術要點，還能體驗不同運動項目所帶來的真實感受，從而實現教學手法多樣化．（本文來自于《北京師范大學學報·自然科學版》雜志。《北京師范大學學報·自然科學版》雜志簡介詳見.）

4基于虛擬現實技術的體育教學模式

體育教學模式在體育教學理論中占據著無比重要的地位．如何應用虛擬現實技術，構建新型體育教學模式，發揮虛擬現實技術優勢，提高體育教學質量，正是我國體育教學的發展新方向．基于虛擬現實技術的體育教學模式是依據體育學習的情感特點和認知規律而設計、構建的教學過程的結構模式．強調的是學生“自主學習”方式和情感的體驗（圖2）．該模式是針對傳統體育教學中單一化、公式化的被動體育教學模式，在教學思想上從虛擬情境教學入手，利用虛擬現實技術使體育教學的認知規律和情感體驗規律達到有機整合，從而建立一種明確而益于自主學習的教學機制；在教學方法上強調培養學生的思維創造能力，促進學生綜合體育能力的形成，增加學生的自主選擇性，從而使學生更深刻地體驗運動和學習的樂趣［4］．基于虛擬現實技術的體育教學模式，能有效的彌補傳統教學的不足之處，化抽象為具體，把難以理解的內容或是不容易觀察到的技術動作更形象、直觀的展現出來，全方位的剖析教學重、難點，提高教學效率．這種教學模式還有利于發揮學生的積極性、創造性，給學生思考問題和創造性能力的培養留空間，有利于形成積極、生動、趣味性強的教學氣氛，使學生能夠互幫互學，邊學邊練，自定目標，自選場景，自我評價，在學習中充分體會多種運動樂趣，并能增強體育鍛煉能力．基于虛擬現實技術的體育教學模式在教學指導思想上，促進學生個性的發展，引導學生逐步與終身體育接軌．在教學目標上，培養學生的運動能力、主動學習能力、問題解決能力、思考與創造力和體育實踐能力．在教學過程中，讓學生充分體驗運動學習中的樂趣，滿足學生的個體需要，使學生逐步形成一定的運動習慣，培養學生的學習興趣．在教學方法上，以主體性教學觀為視野，提供個別化和個性化的教學方法［2］．在教學評價上，要以學生生動活潑的學習、個性充分發展、興趣習慣能力養成、主要學習目標的達成為基準．總之，基于虛擬現實技術的體育教學模式，使學生從科學與藝術相融的視覺信息中感知抽象、理解復雜，有利于調動學生的所有感官功能，全身心地投入學習，從而達到傳統教學無法達到的特殊效果，實現教學的最佳目的．

5體育教學中運用虛擬現實技術存在的問題及應對措施

虛擬現實技術將會給現代體育教學中產生巨大影響，其優勢無可否認，但虛擬現實技術應用于體育教學中仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙．

5．1存在的問題

1）虛擬設備“貴族化”．普通意義上的虛擬現實需要昂貴的外部設備，無論是高分辨率頭盔、立體投影顯示器、空間定位器、還是光纖數據手套的價格都不菲，其基本費用在7萬美元左右［2］．要想功能更強，設備更優，則其費用還需增加，一般的教育單位可能會望而卻步，資金不足嚴重制約著虛擬現實技術在教育領域中的應用．2）硬件設備還有待擴展．目前虛擬現實技術相關的設備普遍存在使用不方便，效果不佳等情況，難以達到虛擬現實系統所需的要求，如中心計算機的處理速度還不足于滿足在虛擬世界中巨大數據量處理實時性的需要，對數據存儲能力也不足，基于嗅覺、味覺的設備還沒有成熟及商品化．3）虛擬現實的效果還有待加強．虛擬現實的表示側重于幾何表示，缺乏逼真的物理、行為模型，虛擬現實技術在感知方面，真實性與實時性不足，其虛擬的效果還需要進一步加強．4）虛擬環境與真實環境的差異．學生在虛擬的環境中學習，與在真實環境中進行運動技能訓練畢竟不同，如果僅考慮交互的真實性，那么無論如何身臨其境，真正動手操作機器的效果都要強于任何媒體教學．因此，虛擬現實技術不能完全代替具體真實的操作，它只能在一定程度上實踐某些危險動作的教學過程，而不能完全代替實踐教學［5］．

5．2采取的應對措施

目前計算機的速度不能滿足完全建模情況下體育教學的虛擬現實，所以只能使用貼圖的方式來模擬其中的運動場景，使用一張處理好的場景，就能在虛擬現實技術中用一個面來表現一個場景，雖然在真實度方面會有一定的損失，但相對于完全建模所需的上百萬個面來說，這種損失是值得的［5］．在1997年6月召開的ED—MEDIA世界大會上，出現了一種全新的稱作快速虛擬的系統，其優異的性價比令人驚異．快速虛擬技術與普通的虛擬現實技術在使用的原理上有很大不同，它不是利用頭盔和數據手套這類硬件來產生幻覺，而是使用360°全景攝影技術所拍攝的高質量圖像來生成逼真的虛擬環境，允許用戶在支持計算機操作系統或是Macintosh微機操作系統的普通微機上只利用一個鼠標和一個鍵盤就能真實地感受到和虛擬現實技術中一樣的虛擬情景，無需用高檔的圖形工作站，無需戴頭盔和數據手套，從而擺脫了繁重的設備，降低了虛擬現實技術實現的成本．但此技術能否為虛擬現實技術的大眾化鋪平道路，以優質價廉的全新面貌普及到體育教育領域，甚至進入體育課堂，還需要政府部門積極響應．盡管虛擬現實過程中還缺乏情感交流、缺少實物感和可操作性等不足之處，但利用虛擬現實技術對學生進行虛擬情景教學，根據所要教授的內容進行相應的虛擬處理，學生無論是在知識學習、能力創新，還是在運動能力、技能訓練等方面都可以收到意想不到的效果．而虛擬現實技術突破時間、空間的限制和傳統教學思維方式局限性，它必將帶來體育教學上新的閃光點．伴隨著虛擬現實技術的發展，教材內容、教學手段、教學模式都將發生深刻的變革，傳統的體育教學模式將向著教學內容與虛擬現實實踐相結合的新型教學模式發展，虛擬現實技術必將譜寫應用性、創造性人才培養的新篇章，開創教育發展的新未來．

作者：劉衡馮婷工作單位：重慶大學體育學院