（教育技术学专业论文）大众健美操虚拟教学系统的设计与实现.pdf

四川师范大学硕士学位论文 大众健美操虚拟教学系统 的设计与实现 教育技术学专业 研究生董朝云指导教师黄堂红 摘要目前我国高校的健美操教学活动是以传统的“示范一练习 的课 堂教学方法为主。学生的自主学习资源极度缺乏，不利于自主学习能力的培 养。随着信息技术的发展，各种辅助教学的技术手段不断涌现。能够应用于 动作技能教学的虚拟角色技术也越来越成熟。虚拟角色技术就是角色建模技 术、骨骼动画技术以及对于虚拟角色的交互技术的综合。 本文以建构主义教学理论、“结构一定向 理论和现代健美操教学理论为 依据，以虚拟角色技术为技术基础，在调查分析了我国高校的健美操教学现 状之后，应学生对于大众健美操自主学习资料的需求，开发了一款大众健美 操虚拟教学系统。最后将其应用到学生的自主学习实践当中，并对实践效果 以及在实践中遇到的问题进行了分析和反思，希望找到把虚拟角色技术应用 进动作技能教学的最佳途径。 论文的主要内容如下： 第一章首先介绍了本论文的选题背景和国内外研究现状，界定了相关概 念。在此基础上阐述了本论文研究的内容、目标、意义和方法。 第二章研究了建构主义教学理论、“结构一定向理论和现代健美操教学 理论对本次研究的指导作用，对本设计的开发原则进行分析。 第三章主要阐述虚拟教学系统的总体设计，包括前期调研、技术实现的 可行性分析、教学设计和系统的总体结构设计。 第四章是虚拟教学系统的具体实现。本章重点对虚拟角色技术在本系统 四川师范大学硕士学位论文 中的应用进行了详述。 第五章将虚拟教学系统应用于学生的自主学习实践，对实践效果以及在 实践中遇到的问题进行了分析和反思，展望虚拟角色技术应用于动作技能教 学的前景。 关键词：虚拟角色技术大众健美操虚拟教学系统 i i 四川师范大学硕上学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lr o l e t e a c h i n gs y s t e m f o rp o p u l a ra e r o b i c s m a j o r ：e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：d o n gz h a o y u n s u p e r v i s o r ：h u a n gt a n g h o n g a b s t r a c t ：b a s e do nt h et h e o r e t i c a lw o r k e r sa n dd o m e s t i cs p o r t sa e r o b i c s u n i v e r s i t yt e a c h e r s d e v e l o p m e n to fc a l i s t h e n i c st e a c h i n gr e s e a r c ha n da n a l y s i s ， s u m m e du pt h es i t u a t i o ni na e r o b i c st e a c h i n ge x i s t ss o m ep r o b l e m s a tp r e s e n tt h e c o l l e g ec a l i s t h e n i c st e a c h i n ga c t i v i t i e so nt h et r a d i f i o n a l ”d e m o n s t r a t i o n p r a c t i c e ” t e a c h i n g m e t h o d b e c a u s eo ft h el a c ko fa u t o n o m o u sl e a r n i n gr e s o u r c e s ， e x c e e d i n ga u t o n o m o u sl e a m i n ga b i l i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , v a r i o u sa u x i l i a r yt e a c h i n gt e c h n o l o g y 砀a fc a n b ea p p l i e dt ot e a c h i n g s k i l lo fv i r t u a lr o l et e c h n o l o g ya r em o r em a t u r e v i r t u a lr o l et e c h n o l o g yi n c l u d e s s k e l e t a la n i m a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h ei n t e r a c t i v ev i r t u a lr o l ef o rt h es y n t h e s i s t e c h n o l o g y t h i sp a p e r , b a s e do nc o n s t r u c t i v i s m “s t r u c t u r a l - d i r e c t e d ”t h e o r ya n dm o d e m s p o r t st e a c h i n gt h e o r y , s e l e c t e dt h ev t i n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi nt h ev i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g ya n d3 d sm a xc h a r a c t e ra n i m a t i o nt e c h n o l o g ya s t h eb a s i s ，a n d c o m b i n e dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yw i t hp o p u l a ra e r o b i c st e a c h i n gt ob u i l da n v i r t u a lr o l et e a c h i n gs y s t e mf o rp o p u l a ra e r o b i c s ，a n dt oe x p l o r et h ev i r t u a lr e a l i t y r o l et e c h n o l o g yi n t e g r a t i o na n dp h y s i c a lm o t o rs k i l l sc u r r i c u l u mi n t e g r a t i o ni nt h i s n e wt e a c h i n gt 0 0 1 t h i st e a c h i n gm e t h o d sr e f l e c t e di nt h ed e s i g no fc o n c r e t em e a s u r e sa r e ：b a s e d o np u b l i ca e r o b i c st h r e el e v e lp r a c t i c a lt e a c h i n g ，t h ep a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e d av i r t u a lr o l ea e r o b i c sa n i m a t i o nw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mv i d e ot e a c h i n gi n i n c r e a s i n gl e a m e r s c o n t r o l l a b i l i t yo ft h ev i r t u a lc h a r a c t e r s ，a n di n t e g r a t e dt h e b a s i ck n o w l e d g eo fg y m n a s t i c s ，a e r o b i c si n j u r yp r e v e n t i o nk n o w l e d g e ，t h e f u n c t i o no fl o s i n gw e i g h tk n o w l e d g e ，a n da e r o b i c sv i d e o f i n a l l y , h a da t r i a lt o d e v e l o p e ds y s t e m 。a c c o r d i n gt ow h i c ht h es y s t e mb ei m p r o v e d t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e r , i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na t h o m ea n da b r o a d , a n dd e f i n e sc o n e e p t s o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e re x p l a i n st h e r e s e a r c hc o n t e n t s ，p u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dm e t h o d s t h es e c o n dc h a p t e r , r e s e a r c h e so nt h eg u i d i n gr o l eo ft h er e l e v a n tt h e o r y , a n d i i i 四川师范大学硕上学位论文 a n a l y z e st h ed e v e l o p i n gp r i n c i p l e so ft h ed e s i g n t h et l l i r dc h a p t e r , m a i n l ye l a b o r a t e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ev i r t u a lt e a c h i n g s y s t e m i n c l u d i n ge a r l i e rs u r v e y , t e a c h i n gd e s i g na n ds y s t e ms t l l l c t u r ed e s i g n t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no fv i r t u a lc h a r a c t e rt e a c h i n gs y s t e r n t h i s c h a p t e r , h a v e ad e t a i l a n a l y s i so fr o l em o d e l i n gt e c h n o l o g y , s k e l e t a l a n i m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds c e n e si n t e r a c t i v et e c h n o l o g y t h ef i 触c h a p t e r , t h ev i r t u a lc h a r a c t e r st e a c h i n gs y s t e mb eu s e di np r a c t i c e a n d t h e nt h et r i a lr e s u l t sa n dp r a c t i c ep r o b l e m sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：v i r t u a lr o l et e c h n o l o g y , p o p u l a ra e r o b i c s ，v i r t u a lr o l et e a c h i n g s y s t e mf o rp o p u l a r a e r o b i c s i v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师 数也一指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符 而引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学 拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库供检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或 解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、 浏览。 论文作者签名： 蓥翔互 矽声年月弓日 四川师范人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 虚拟现实的发展 随着科学技术的迅猛发展，现代信息技术在教学中已是不可或缺的元素。 继多媒体技术、网络技术之后，虚拟现实技术( v i r t u a lr e a li t y ) 在近两年 也越来越多的应用到教育技术领域n 3 。多媒体技术和网络技术在教育界的应 用已经很广泛了，这两种技术对现实教学中的各个方面产生了很大的影响， 也取得了非常可观的效果；而虚拟现实技术在许多领域的应用价值也初见端 倪。这种技术在我国已经被载入国务院国家中长期科学和技术发展规划纲 要( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 年) 晗1 。虚拟现实技术也越来越多的被应用到教育教学活动 中，但是虚拟现实技术中的虚拟角色技术并没有受到广泛的关注。教育技术 研究领域的一个重要方向就是教育新技术的研究。这一研究方向的重要性就 在于它的前瞻性：如为教育技术未来方向找到新技术与新思想；预见新技术、 新思想在教育领域的未来、设计新技术在教育中如何应用、实施新技术试点 研究船1 。作为最新技术的虚拟角色技术如何应用于教学也逐渐成为个不可忽 略的分支。在我国，虚拟角色技术虽然已经相当成熟，但迄今为止并未找到 虚拟角色技术在教育领域的应用范例。如何使虚拟角色技术如其他技术一样 走进教育领域并合理利用，让其和基础教学紧密结合，发挥技术优势，体现 教育应用的价值，是当前教育技术领域需要积极探索的一个问题。 当今的8 0 后、9 0 后的青少年是在数字化环境中成长起来的，在虚拟环境 中对于虚拟角色的操作更能激发他们的兴趣，那么就需要一种能够提高他们 学习兴趣的学习系统专门针对于高校学生的自主学习。 2 素质教育对现代体育教学的要求 素质教育发展越来越全面化，我国的体育教育体制也不断的由应试教育 向素质教育转变，并且是在不断的提高和完善当中。国务院关于基础改革 与发展的决定明确提出基础教育要贯彻“健康第一 的思想，切实提高学 生体质水平畸1 。同时基础教育课程改革纲要( 试行) 中明确提出：加强课程 四) i i n 范大学硕十学位论文 内容与学生生活以及现代社会和科学发展的联系，在教学中要关注学生兴趣。 本文的研究对于激发大学生对于运动的兴趣，培养体育自主学习意识具有积 极作用。 随着人们花钱买健康的观念逐渐深入，越来越多的人选择到j 下规的健身 房、体育俱乐部进行体育锻炼。与其他组织形式相比，这种形式确实可以为 参与者有针对性的提供健身场地和健身设备，同时还会有专业的健身操教练 进行及时性指导，有医务人员负责保健咨询等。但是在我国各大高校，由于 学生一族金钱不足，时间不固定，所以把日常的锻炼放在俱乐部或者健身房 是不太现实的。 3 健美操教学现状的要求 在高校体育教学中，由于学习者无法随时在任意角度观察到教师的示范， 难免会产生这样或那样的错误动作而自己却不知道。错误动作如果不能及时 纠正，就会形成错误的技术定型。这不仅影响学生正确地掌握和提高动作技 能，自行练习时甚至会产生身体伤害事故。由于我国现有的师资力量以及体 育课堂教学现实情况的限制，无法满足学习者的这些需求；跟随教学录像学 习又不能实现角度的自由转换；一些必须了解的健美操理论知识也无处可学。 本系统便是应高校健美操课堂的学习者需求而设计的。而虚拟角色技术为这 种系统的开发提供了技术基础。基于虚拟角色技术的虚拟教学系统正好迎合 了高校学生的特殊情况，更重要的是学习者利用这个系统能够自主控制教学 过程。本文希望通过对大众健美操虚拟教学系统的制作和试用进行总结，希 望为改变现代高校健美操的教学现状尽一份绵薄之力。 依据生理学方面的研究，我们人类对动作表象的初步建构是从视觉表现 开始的，大脑皮层中的各个中枢神经接受来自听、视、觉分析器以及其它外 围部分的刺激兴奋，在大脑中综合整理，逐渐形成清晰而完整的动作表象。 曾经有心理学专家通过实践验证，人类阅读文字只能记住内容的1 0 ，听语 音能够记住内容的2 0 ，看视频图像能够记住3 0 的内容，同时进行听和看 至少能够记住内容的5 0 。现在市面上的健美操音像教材虽然能够影音并茂， 但是却缺少对于教学过程的控制，不是一种以学习者为主的教学。而本文所 研究的教学系统的重点就是交互设计，开发一款能同时刺激学习者听、视觉 2 四川师范大学硕十学位论文 的系统 1 。1 2 研究意义 大众健美操虚拟教学系统研究开发的意义主要体现在以下三个方面： 1 随着我国素质教育的开展，体育教学也越来越受到关注。而在科技发展 的今天，体育理论研究专家和教师都在想方设法把现代信息技术应用于体育教 学来提高教学效果。在现代健美操教学中，利用虚拟角色技术进行健美操教学 的研究应用极少。本设计力图从优化教学方法和教学手段，丰富学生自主学习 的资源方面寻求突破，促进学生更好地掌握健美操的动作技能。 2 本人对高校中大众健美操的教学现状进行了深入了解：首先，在课堂上 往往是一个教师示范，三十甚至四十多个一起学，必然有部分学生看不到具体 的示范；其次，高校体育课课时有限，平均每学期为3 0 个学时，而健美操教学 中动作技能的教学又是最耗时的；最后，学生利用视频录像自主学习时，练习 较难的动作时却又无法看到自己想看的角度。综合以上几点，本人采用虚拟角 色技术解决现实健美操教学中的一些问题，以期体现体操普修课程在培养人才 综合素质等方面的特有价值，培养学生终身体育的兴趣，也为改革高校体操普 修课现状的方式提供参考。 3 本设计试图促进虚拟角色技术在体育教学中的发展。由于虚拟角色技术 本身所具有的沉浸性强和可交互等特点和优势，它非常适合应用于学生对于动 作技能的自主学习。而体育教学中的多数内容都属于动作技能教学，可见虚拟 角色技术应用于体育教学中则是一个具有重要现实意义和美好前景的教育应 用领域。 1 2 相关概念界定 1 2 1 虚拟角色技术 说到虚拟角色，我们很多人都会想到电影或动画片里的一些角色，比如倒 霉熊、猪猪侠等；有的人会想到电视台播报新闻节目时右下方哑语播报者。 这些都是就是虚拟角色。虚拟角色可以是任何的人和动物【6 1 。虚拟角色与二 维动画中的角色相比有很强的立体感和真实感盯1 。所谓虚拟角色技术，就是利 3 p 日川师范大学硕士学位论文 用软件设计虚拟角色的技术。主要步骤分为建立角色模型、建立角色骨骼、 为骨骼蒙皮、制作角色动画和设计角色交互。虚拟角色技术是虚拟现实技术 中最具有挑战性的内容之一，它涉及到了建模、运动控制和绘制等多个方面 的技术。 我们可以用三维建模软件进行角色的建模，经常用到的软件有3 d sm a x 、 m a y a 等，如果对角色精度要求不高，还可以用p o s e r 等插件直接拖动完成建 立模型的操作。可以在三维建模软件中直接建立角色骨骼，也可以安装c a t 骨骼插件后在软件中建立。利用插件建立骨骼时可以省去很多麻烦。一般建 立虚拟角色时，为了便于运动控制和实时绘制，普遍采用的方法是一层骨架 一层皮肤模型来创建呻3 在这种模型中，所有的虚拟角色都是由按照制作者 的意愿设置一定层次组织起来的骨骼和作为皮肤的单一网格面模型组成。其 中角色的骨架按照角色的特点组成了一个合理的层次结构。和人体、动物身 体一样，相邻的骨骼通过关节连接，这样就可以做动画所需要的运动；在设 置动画效果时通过改变相邻骨架之间的夹角和位移，组成角色的骨架就可以 做出很多不同的动作，从而达到预期的要求。皮肤其实就是一张网格面蒙在 骨架之上，就像人的皮肤一样，这规定了角色的外型，看起来更加真实。这 里的皮肤并不是固定不变、没有韧性的刚性网格，而是可以在内部骨骼动画 的影响下如人体或动物皮肤一样变化的可变形的软性网格。皮肤网格一般按 照设置关键点的方式与骨架绑定，再经过计算机的计算，组成皮肤的网格上 每个顶点都会受到一段或者几段骨骼的影响n 例。计算机的计算方法是通过计 算能够影响该顶点的不同骨骼对这一点的影响加权和得到这一点在世界坐标 系中的正确位置，所有的点通过计算后，皮肤的网格就会随着底层骨架的运 动变化而合理变形。这样就实现了在骨架驱动下的皮肤网格变形动画，我们 一般把这种制作过程称为骨架蒙皮动画制作。而对于底层骨架的运动控制的 计算方法，目前主要有正向运动学方法、逆向运动学方法1 、动力学方法和 运动捕捉技术u 刳。 至于交互技术则是在虚拟建模及创建虚拟动画技术发展的非常成熟之后 才出现的。对于虚拟角色的交互功能也是在特定的软件中实现的，现在常用 的有v r m l 和v i r t o o l s 。v r m l 是通过编程达到交互的目的，而v i r t o o l s 内置 4 四川师范人学硕士学位论文 许多可再用的行为模块，是软件星预置的函数，简称b b ，拖过拖动这些b b 并合理组合就能达到一般的交互作用。如果内置的b b 不足以完成交互任务， 还可以编程实现。 1 2 2 大众健美操 “健美操的称谓很多，在世界各地，通常叫“阿洛别克一操，是英文 “a e r o b i c ”的音译。健美操是根据人体解剖学、运动生理学和心理学的特点， 它把体操、舞蹈、音乐和美学融为一体。各种动作均具有健、力、美的特征， 并充分展现出刚劲有力、协调、韵律、动感、优美和青春活力等健美气质。 目前，健美操运动遍及全世界，正以其特有的魅力和强大的生命力，越来越 受到人们的青睐。在我国则兴起子7 0 年代末8 0 年代初健美操。为了普及健 美操这项运动，我们国家已经先后设置了健美操全国锦标赛和全国冠军赛， 全国体育大会中也设置了健美操竞技项目。 根据目的和任务，健美操可划分为大众健美操、表演性健美操和竞技性 健美操三类。具体细分方式见图1 - 1 。其中表演性健美操的目的主要是表演， 它是事先编排好的、专门为表演者设计的成套健美操，时间一般为2 5 分钟。 表演性健美操的动作复杂多变，所以对参与者的身体素质要求较高，不仅要 具备较好的协调性，还要有一定的表演意识和集体配合的意识。竞技性健美 操是以争夺优胜为目的，有严格的竞赛规则和评分方法，其比赛形式和内容 有特殊的要求。竞技性健美操要有高低起伏、张弛快慢的变化，难度动作要 多样化，分布均衡，过渡自然，强调表现力。大众健美操又叫健身性健美操， 重在锻炼价值，是一种适合不同年龄段的普及型运动项目。它的功能主要包 括健身、美体和娱乐。大众健美操具有动作简单、活泼、速度适中、节奏感 强等特点。活动的顺序是从身体的远端开始，逐渐过渡到躯干部位。同时它 所具有的以下几点特征，使其成为一项非常适合在我国广泛开展的运动项目。 首先，不像一些器械类体育锻炼方式，大众健美操对于场地以及设施的 要求并不高。如果有条件的话可以在条件好的健身房进行，否则可以在平整 开阔的露天场地中进行现在，很多人都在公园、广场中的各种空地进行健 美操的练习。现代人的生活节奏比较快，如果没有时间在外进行健美操锻炼， 还可以在自己家的房间里练习。有些规模大的健身场馆价格较高，不是普通 5 四川师范大学硕士学位论文 百姓的消费能力所能承受的，而大众健美操的广泛开展，则会弥补这一不足。 此外，按照我国的平均收入水平来看，大多人是没有足够的经济实力投入大 量金钱到日常的体育锻炼之中。而且这种情况在我国短期之内可能不会有多 大的改变。相对于其它很多锻炼项目而言，大众健美操是一项个人金钱投入 很少，健身效果却相当显著的健身方式，所以是比较适合我国现阶段的实际 情况的。 其次，大众健美操是一项普遍性的健身运动项目，它的适用范围很广， 对参与者没有年龄、文化程度、素质修养的要求，所有身体状况正常的人都 可以进行练习口副。在我国，参与健美操练习的人不仅把它当作一种健身方式， 还把它作为自娱自乐的消遣方式。正是由于健美操具有这种强烈娱乐功能， 所以才使得越来越多处于不同文化层次的人对其产生了兴趣。 再次，从大众健美操消耗人体热量来看，它是非常符合我国实际情况的。 大众健美操对人体热量的消耗适中，而且运动强度、运动时间、运动负荷很 容易掌握。同时，与其它一些国家相比，我国大多数居民每天的能量摄入并 不高，高能量的脂肪、蛋白质等营养物质，在我国居民的日常饮食中所占比 重并不大，这是由我国居民的膳食结构决定的。由此可见，大众健美操很适 合在习惯于低热量饮食的我国居民中展开n 引。 6 四川师范大学硕上学位论文 健美操 图卜1 健美操分类 7 四川师范人学硕上学位论文 1 2 3 虚拟教学系统 顾名思义，利用虚拟技术开发的教学系统就是虚拟教学系统。本课题是 立足于动作技能的教学，应用的技术是虚拟角色技术。因为虚拟角色在动作 技能的表现方面是其它任何技术所不能替代的。虚拟角色可以模仿人类的动 作进行教学内容的示范，学习者可以通过对虚拟角色的交互操作控制学习过 程。比如虚拟角色在做健美操的动作示范时，某个动作的脚部动作比较复杂， 那么学习者可以切换视角方法脚部动作仔细观察。虚拟角色在系统中充当动 作技能教学的示范者或者学习辅助者。 在本虚拟教学系统中，还需要利用虚拟现实技术建立一个虚拟的场景， 把虚拟角色置于其中，给学习者一种更真实的感受。在这个教学系统里，不 仅仅是虚拟角色的示范，还整合了其它相关知识，比如文字图片资料、视频 录像资料等。学习者可以利用计算机的鼠标、键盘等外围设备与虚拟环境和 虚拟角色进行交互，以达到预期的教学目标n 副。学习者就如同在真实环境中 一样完成各种预定的学习内容，能取得等价甚至优于真实环境的效果n 引。 基于理论知识的理解和直观形象的同步作用，才能达到良好的教学效果， 但是在课堂上教师一般忙于动作示范而不会去进行知识方面的讲解，这自然 不利于学生的理解性学习。运用虚拟角色进行教学，对于那些需要掌握的动 作做到形象化教学，同时辅以理论知识的展现，才能够使学生掌握要领。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 健美操教学方面 由于在国家体制和高校管理方面有诸多不同，我国与许多发达国家在体操 教学方面也存在着较大差异。发达国家的注重学生的个性发展，在体育教学中 也遵循以学生为本，体育课堂的指导原则即培养学生终身体育思想。陈敏曾经 在中日高等师范院校体育教育专业体操课程体系的比较研究一文中运用比 较法列出我国和日本在体育课的教学目标设置上存在有明显差异，指出我国高 等体育教学大纲中的部分内容并不符合有计划地培养学生终身体育素质和能 力的目标。因此，我们应该从实质上考虑怎样在体育课程体系中真正贯彻“健 8 四川师范大学硕上学位论文 康第一的思想，培育终身体育思想。 李立平比较了中日在体操课程内容开展及教学方法的不同，提出了“体操 类课程设置应立足本国实际、走自我发展的道路，重视体操类课程的理论内容， 增加开设体操类任选课程等观点 硷。 2 虚拟角色教学方面 把虚拟角色技术应用于教学的案例少之又少。唯一能够找到的就是美国 好莱坞开发过一系列摄像视频教材，我们可以从w w w h o l l y w o o d c a m e r a w o r k u s 下载到。教材里面的人物全部是虚拟角色，不过这些虚拟角色只是作为摄像 的辅助人物，大多是静止角色，只有少量角色有一些走位的动作。整个教学 过程中没有任何交互，即使如此，这一系列摄像教材因为其讲解明晰、实例 形象而广泛流传于世界各地。 1 3 2 国内研究现状 随着我国教育体制的改革，体育教学也在不断地发展，高等院校体育教学 改革也不断地深入。我国体育的教育现在形成了具有一定特色的课程结构体 系。体操类课程被确定为体育主干课程，它是实现体育教育培养目标与任务的 重要课程之一。怎样改革和发展体操教学，适应新形式下社会对高校学生素质 要求，是当前函待解决的重要问题。肖光来老师在健美操书谈到健美操 的能力培养，他提出在健美操教学中应着重培养以下几方面的能力：“( 1 ) 获取 健美操知识与运用知识的能力；( 2 ) 健美操创新与创编的能力；( 3 ) 制定健美 操锻炼计划的能力；( 4 ) 自我评价与相互评价的能力 口射。 目前我国高校的健美操教学主要是以传统的教学方法和教学手段为主， 运用多媒体技术教学和网络平台进行健美操教学等现代化教学手段还很少。 还没有形成以传统教学手段和现代化教学手段合理结合的教学体系。一般的 体育教学偏重于教师一方，过多强调了教师主体，教学目标也偏重于学会某 个技术动作。却忽视了学生的主动参与意识和学生主体作用的发挥，严重束 缚了学生的个性发展、学生进行体育学习的积极性和创新性。 虽然我国健美操的教学现状差强人意，但是随着健美操的不断发展，研 究者们也在著述中提出了许多新的体育教学理念。陈晓蕊提出，健美操教学 9 四川师范人学硕上学位论文 应以“健康第一为基本课程观，应摆脱传统的教学模式束缚，并探讨了健 美操理论课与技术课中情感教学的重要性乜3 | 。潘四风认为要重视在高校健美 操教学中的重视因材施教的教学方法，要遵循循序渐进的原则醢钔。马亦梅提 出，高校健美操教学改革必须要体现出基础性、典型性、全面性和系统性， 健美操要充分体现出力、新、美的特征瞄1 。凌月红提出了健美操教学也可以 采用启发式教学的观点，她认为健美操教学应该在注重基本技术和动作的基 础上，启发学生自主学习的热情，培养学生示范和实际操作等综合能力洲。 刘玲，凌月红探讨了现在提倡的素质教育与健美操教学之间的关系，讨论了 健美操教学改革应该向哪个方向发展，提出健美操改革必须以素质教育为突 破口f 2 7 黄群玲指出在健美操教学中要提高大学生的终身体育锻炼的意识啪1 。 张秀真提到健美操教学改革的目标需要结合健美操普修课的特点，提高学生 的创编能力、掌握健美操的基本技术与基本动作，全面提高学生的能力与素 质。 综上所述，国内的体育理论工作者以及健美操一线教师在近几年对高校 健美操教学发展的研究颇为仔细深入。通过他们的研究同时也看出来我国的 健美操教学存在许多问题，具体是以下两点： 1 教学手段缺乏 目前我国高校的健美操教学活动是以传统的教学方法和教学手段为主， 虽然很多新的技术手段已经应用到科学知识的培养中，但是应用到体育教学 的太少。运用多媒体技术教学和网络平台进行健美操教学等现代化教学手段 还很少。还没有形成以传统教学手段和现代化教学手段合理结合的教学体系。 2 现代化的体育资源缺乏 因为我国盛行的应试教育普遍思想，学生的体育能力并没有引起应有的 关注。相应的资源建设极其缺乏，立足于资源之上的自主学习便无法推广。 在我国一般高校的健美操课堂教学中，一般的教学方式都是以“示范练 习”方法为主，学生只是被动地接受性学习这种教学方法使许多学习者养 成了为完成课堂任务而学习的习惯，即使许多原本对健美操有着浓厚兴趣的 学习者在课堂任务完成之后兴趣也会减弱，归根结底是教学方法不适当。这 给终身体育思想的推广设置了一定的障碍。因此，需要一种全新的、顺应自 1 0 四川师范人学硕士学位论文 主学习观念的学习手段的出现。 1 4 研究目标与研究内容 1 4 1 课题的研究目标 1 以建构主义教学理论、“结构一定向 教学理论和现代的健美操教学理 论为基础，将学科专家和一线教师提出的一些建议整合到大众健美操虚拟教学 系统的设计开发当中，分析虚拟教学系统设计与开发的原则。 2 探索v i r t o o l s 虚拟交互工具对于虚拟角色的交互性功能。 3 总结大众健美操虚拟教学系统的开发与应用情况，为健美操学习资源的 开发与应用提供参考，丰富这一学科的自主学习资源建设。探索体育学科教学 中虚拟角色技术的应用成效，并对这种资源建设形式加以推广。 1 4 2 课题的研究内容 本人通过查找、阅读大量的国内外相关的研究论文、书籍、报告、网络 资源等，进行搜集汇编，为本文的研究寻找理论支撑和奠定技术基础。分析 当前我国的大众健美操教学现状并找出其中的不足。试图将虚拟角色技术引 入到体育教学中，开发出一个大众健美操虚拟教学系统。最后将开发的系统 应用于实践，分析总结应用效果。具体的研究内容如下： 1 研究相关理论对健美操虚拟教学系统开发的指导意义。 2 分析当前开发虚拟教学系统的必要性。 3 研究本系统设计、开发的理论基础与原则。 4 对大众健美操虚拟教学系统进行教学设计，设计和开发出一个具有实 用性、趣味性、科学性和教育性的教学系统。让学习者在学习大众健美操技 术动作的同时获得理论知识，完成大众健美操知识的构建。 5 对本研究开发的虚拟教学系统的应用效果和评价进行总结，为同类研 究提供参考。 1 5 研究方法 研究方法是从事研究的计划策略、工具手段、步骤过程等的总和，它包含 四) l l n 范人学硕上学位论文 三个层次：方法论、方式或方法、操作技术。研究方法是研究的思维、行为 方式以及各种准则的集合。从本设计的内容与手段来谈，具体的研究方法包 括： 1 文献研究法。本人仔细研读了有关体育教学理论、健美操教材、教育 技术基本理论以及三维角色动画技术与交互技术等相关书籍、研究论文、报 告，分析高校健美操教学中信息技术应用现状，形成本文的研究内容和框架。 为本文的撰写提供了详实的理论依据，为本系统的开发提供了技术支撑。 2 访谈与问卷调查法。运用访谈和问卷调查相结合的方法了解目前健美 操教学现状，分析师生所需要的角色教学的内容和形式；同时，通过对专家、 教师和学习者进行访谈、调查，了解虚拟教学系统应用于实际教学的情况和 教学效果，有助于研究的不断完善。 3 行动研究法。为了对各级大众健美操进行更深刻的了解，为本设计选 定教学内容提供依据，本人通过与学科教师合作，亲自加入到健美操课堂， 以学习者的角度对大众健美操一级、二级、三级和四级进行了学习。所开发 的系统在实际中进行试用，咨询师生意见，不断完善研究。 1 2 四川师范大学硕士学位论文 第2 章系统设计与开发的理论基础和原则 2 1 理论基础 针对教学而设计的系统是离不开相关教学理论与学习理论的指导的。本 教学系统主要以建构主义学习理论、“结构一定向教学理论和现代的健美操 教学理论为基础指导系统的设计、开发，实现理论为实际服务的原则，从而 提高本系统的质量。 2 1 1 建构主义学习理论 建构主义学习理论是行为主义发展到认知主义之后的进一步发展。建构 主义理论最早的提出者是瑞士学者皮亚杰( j e a n p i a g e t ) 和前苏联的心理 学家维果茨基( l e v v y g o t s k y ) 。他们认为对人们认识事物的客观规律进行研 究应以内因和外因相互作用的观点。建构主义学习理论认为人的认知是在与 周围环境相互作用过程中逐步建构起来知识概念，主要是自身的认知能力得 到发展( a u s b u b e l ，1 9 6 4 ) 。这种理论强调以学习者为中心，学习者不是被动 的接受者，而是信息加工的主体和知识意义的主动建构者。建构主义认为学 习需要在一定的情境中展开，强调意义建构的重要性，强调学习任务的复杂 性，强调学习者内部心理表征过程，它要求设计能够保证学习任务展开的学 习环境、学习资源和帮助旧别。 设计本系统的目的是把课程内容以形象化的形式展现，对难度过大的技 术动作进行转换角度示范。本设计用科学的方法经过精心设计，使学习者作 为教学活动的主体，通过与系统的交互达到预计的教学效果。结合以上对建 构主义环境下学习特点的分析和教学系统设计的目的，可知建构主义对虚拟 教学系统设计的指导作用可体现在两个方面：一是利用现在的虚拟现实技术 能创设一个与实际生活相关的虚拟世界，以建构主义为基础为虚拟教学系统 的情境设计提供指导，使设计者能构建一个虚拟的、与现实生活相仿的世界 呤引。二是本设计体现了以学生为主体的建构主义理念，学习者通过键鼠操作 与系统进行交互，获取适合的学习资源，按教学设计在特定的情境中完成特 定的任务。 四川师范大学硕士学位论文 2 1 2 “结构一定向教学理论 “结构一定向”教学理论是北京师范大学的心理系教授，我国著名教育心 理学家冯忠良先生经过多年的研究，汇集多项研究成果，积累了丰富的经验提 出来的。这一教育教学理论现在已经广泛应用于多科教学实践。它所依据的原 理包括两个基本观点( 教学的结构化观点与定向化观点) ；三项基本理论( 学生 学习的接受构建学说；教育的系统论观点及经验传递学说；能力及品德的 类化经验说) ，五方面的学习规律( 学习的迁移规律；学习动机的积极性规律； 行为规范及其接受规律；知识及其掌握规律；技能及其形成规律) ，以及依据 结构化观点和定向化观点中的教学思想构建的教学体系与十七条教学原则 【3 4 3 5 ( 】 o “结构一定向 教学观点认为教学的成效重在心理结构的形成，在教学活 动中应确立以构建学生的心理结构为中心的观点。所有教学工作以及教学系统 的各个方面的目的都是为了使学生产生预期的变化，形成与发展一定的心理。 学习者的思维和外部行为方式可以通过内在调节机制来决定和调节，形成相应 的运动学习的心理结构。在教学过程中必须依据学习者心理结构形成发展的规 律来提高教学成效，并针对教学内容实施对学习者的定向培养。促使学习者建 立一定的内在调节机制，在健美操教学中主要是指技术动作的内在调节机制。 这种内在调节机制是指学生了解了动作技术结构后在头脑中建立起相应的认 知结构的过程。在体育教学尤其是健美操教学中不应只是简单的肌肉活动，而 应该是在头脑中形成各种动作认知和动作概念( 即整合) 的过程。 总而言之，“结构一定向”教学理论注重的是心理结构和动作认知的建构。 本设计综合考虑了学习者现实中的健美操学习情况，整合了健美操的基础知 识，加深学习者掌握健美操的强度适中、负荷易掌握、适合我国国民的膳食结 构等特点，从而建立他们的内在调节机制，达到对技术动作的深层次理解。 2 1 3 现代健美操教学理论阳力 源于素质教育观念的深入人心，我国各高校越来越注重体育教学，在现代 化教学手段越来越多的情况下，很多教学机构也开始讨论如何优化体育教学。 有从事体育教学的专家提出了健美操教学的“四优化理论，即从课程结构、 1 4 四川i 师范人学硕士学位论文 课程内容、实践性教学和评价四方面对体育教学进行优化。 1 优化课程结构 要强化基础教学。健美操的基础不只是专门的身体素质( 力量、柔韧、协 调表现力等) ，更重要的是健美操的理论教育。高校健美操课的培养目标应该是 以培养学生综合素质为目的的。而过去的健美操教学一般以单纯教授动作为 主。对基础知识掌握不足、专门素质较差，进行专项学习时力不从心，学习效 果就会受到影响。健美操课是融健身、健美、健心为一体的教学，在强调提高 身体素质，塑造健美形体，培养学生能力的前提下，要培养学生的心理素质， 开发美育教育的部分功能，使学生认识美、感悟美和创造美的能力不断提高， 提高学生的综合素质啪，。 2 优化课程内容 每门课程都有其自身的体系结构，教学人员只有抓住最基本、最具迁移性 的内容，才会抓住核心。在现代健美操课程中，要强调基本概念、基本方法、 基本原则的领会。概念、方法与原则的掌握，可以促进“终身体育 的观念深 入到学习者内心，从而达到收到事半功倍的效果。 3 优化学生创新能力 在具备一定的知识之后，学习者的能力是要通过实践培养的。能力的构成 是多样化的，在实践性的教学过程中一定要注重培养学习者的创新能力，因为 它是学生综合素质中的重要部分。在现代高效的健美操教学中，应改变过去以 教师、课堂、教材为中心的教学方法，要实行“开放式 教学。有必要采用自 主性练习方法以培养学生的创造思维和创新意识口引。 4 优化教学评价 如何对考试内容和考试方法进行改革，是高等教育改革的重要研究课题， 也是我国高校体育教育改革的一项内容。在考试方法上应注重知识的考核以及 学生的迁移能力，以及能否在体育学习中获得终身体育和自主学习的能力。 分析现在我国高校的健美操教学现状，本人完全认同“四优化 的健美操 教学理论。大众健美操虚拟教学系统也是以这种理论为指导来设计开发的。本 系统充分考虑了课程结构的设置，整合了一些能够激发学习者兴趣以及相关教 学内容的基本知识，以提高学生的综合体育素质。在课程内容的选择上以前期 1 5 四川师范大学硕士学位论文 调研结果为基础，选用大众健美操三级。系统内容中附带了技术动作的功能讲 解，学习者在了解了每个关键技术动作的功能之后，可以根据自己需要随意编 排健美操动作，启发学习者的创新能力。最后，本系统注重的是学生终身体育 和自主学习观念的培养，以及他们的迁移能力的提高。 2 2 设计与开发所依据的原则 1 教学最优化原则 教学最优化原则主要是指按照一定的标准设计和实施最优教学方案，以最 少必要的时间和