高校垒球虚拟实践教学课程研究

虚拟现实（VirtualReality，VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字模拟环境，使用户借助相关设备就可以与数字模拟环境中的对象进行交互，从而产生亲临真实环境般的感受与体验［1］。虚拟现实技术的关键是模拟真实世界或虚构环境，并让用户能够与之交互。通过感知技术、3D建模和计算机图形学等技术手段，虚拟现实系统可以在用户的视野内呈现三维图像和场景，并对用户的动作和行为作出实时响应，以达到身临其境之感。虚拟现实已经在多个领域得到应用，包括娱乐、教育、医疗、建筑、军事和培训等。教育领域可以利用虚拟现实来创建逼真的教学场景，使学生更加生动地学习。“虚拟现实+教育”是教育现代化改革的积极尝试，最早出现于物理和化学实验课堂中，使学生对于知识的理解更直观、高效，同时杜绝了实验环境中存在的安全隐患，大幅度提升了学生的学习体验和教学效果［2］。1棒垒球课程虚拟实践教学研究价值《关于深化体教融合促进青少年健康发展的意见》指出，应进一步深化体育教学改革，构建科学、有效的体育与健康课程教学新模式，帮助学生掌握1～2项运动技能。由此，“教会、勤练、常赛”就成为了当前体育教学的新目标［3］。棒垒球课程虚拟实践教学研究具有以下价值。（1）提供全方位的学习体验：虚拟实践教学可以通过模拟真实情境，为学生提供全方位的学习体验。学生可以通过虚拟环境感受到真实比赛的紧张氛围，从而更好地理解和应对实际比赛中的各种情况。（2）降低学习门槛：棒垒球是一项需要较高的技术要求和身体素质的运动。通过虚拟实践教学，学生可以在没有实际比赛场地和器材的情况下进行学习，降低了学习门槛。学生可以在虚拟环境中进行多次实践，熟悉技术动作和比赛规则，提高学习效果。（3）个性化学习和反馈：虚拟实践教学可以根据学生的个体差异提供个性化的学习和反馈。系统可以记录学生的表现，并根据学生的水平和需求提供相应的指导和建议。学生可以根据自己的学习进度和兴趣进行学习，提高学习动机和效果。（4）促进认知和技能发展：通过虚拟实践教学，学生可以更加直观地理解和体验棒垒球运动的规则、技术动作和战术应用。他们可以通过模拟练习来提升击球技巧、跑垒速度、守垒反应等能力，促进认知和技能的发展。（5）促进协作和交流：虚拟实践教学可以通过多人在线模式促进学生之间的协作和交流。学生可以组成团队进行比赛和训练，在虚拟环境中共同解决问题和制定策略。这不仅可以提高学生的团队合作能力，还可以增强他们的沟通和交流能力。（6）节约成本和资源：传统的棒垒球课程需要专门的场地和器材，成本较高，而虚拟实践教学可以通过计算机模拟和虚拟现实技术实现，减少了对实际场地和器材的需求，节约了成本和资源。由此该研究以高校棒垒球课为改革试点，构建高校棒垒球课程虚拟实践教学模式。借助新技术解决传统体育教学中的老问题，进一步突破传统体育教学的困境，深化体育教学信息化改革。2传统棒垒球课程教学存在的主要问题棒垒球是一项集健身、益智、礼仪、竞技于一体的大型集体项目。有“绿茵场上的国际象棋”之称，是最锻炼头脑的健身运动，所以棒垒球项目对学生身心健康发展的促进作用是其他项目不可比拟的。但由于棒垒球运动技术难度大，规则复杂，同时伴随课时少、课程紧、场地缺乏等外部因素制约，因此，棒垒球课程的育人优势不能充分发挥出来。传统教学通常采用集体授课的方式，忽视了学生的个体差异和不同的学习风格。每个学生的能力、兴趣和学习节奏都不同，但传统教学难以满足个性化需求，导致一些学生无法充分发挥潜力或无法跟上课程进度。传统课程往往过于强调技术的教学，如挥棒、投球等基本技能的训练，而忽视了战术意识和团队合作的培养。棒垒球是一项需要团队配合和战术策略的运动，仅仅掌握技术而缺乏战术意识会限制学生的整体发展。这种教学模式通常只注重特定技术的练习，如投球、接球等，而缺乏综合性训练的机会。棒垒球运动需要学生在比赛中综合运用各项技能，而仅仅在单一技能上进行训练无法帮助学生提升综合能力。同时，学生在课堂上进行棒垒球技术训练和比赛，但往往缺乏及时准确的反馈和评估机制。学生可能无法及时发现自己的错误和改进方向，难以提高技术水平，教师也难以对每个学生的表现进行全面评估。棒垒球需要专门的比赛场地和器材，包括棒球场、球棒、球等。然而，很多学校或机构在条件有限的情况下，难以提供合适的场地和器材，限制了学生的实际训练和比赛机会。传统课程往往没有充分利用现代科技手段来辅助教学。例如，使用视频分析技术可以帮助学生更好地理解和改进自己的动作技术，但传统教学模式中很少使用这样的科技工具。该文结合棒垒球教学实际与动作技能形成的4个阶段（认知阶段、分解阶段、联系定位阶段、自动化阶段），阐述棒垒球教学中存在的问题。2.1认知阶段棒垒球被称为最难掌握的球类项目，原因在于运动员需要在0.4s内，准确判断球飞来的方向和旋转的角度，并还要精确击中，同时控制它飞出的方向。在初学阶段，学生对棒垒球的规则、技巧和战术了解较少。初学者通常需要学习基本的击球、投球和接球技巧，以及跑垒和防守策略。他们可能需要花时间适应比赛的速度和规则，并逐渐熟悉团队合作的重要性。由于动作过于短暂快速，学生无法通过肉眼获取对动作成分、动作顺序及动作执行方式的认知，需要教师进行讲解，帮助学生形成认知，但是肌肉的发力顺序、角度、速度、动作起止时机的把握，这些知识是很抽象的，难以用语言准确描述，并且语言传递信息的过程也会产生许多干扰与损耗，使学生无法完全领会教师意图，影响教学进程。2.2分解阶段在分解阶段的教学中，教师会将复杂的动作进行拆分，变为更易掌握的诱导练习，帮助学生理解动作。此阶段学生知觉准确性较低，无法发现自身动作的缺点及错误，且动作的掌握需要量的积累，从而要求教师必须多次逐个观察与指导，但受制于学生人数较多和有限的课时，这一要求是无法满足的［3-4］。2.3自动化阶段学生在自动化阶段的表现是对技能的执行越来越自动化，操作流畅、准确且稳定。但是，达到教学自动化阶段的学生比例相对较低。传统教学往往更侧重于普及性的技能学习，而非精英化的提高训练。缺乏差异化培养预案，无法满足高层次学习诉求，阻碍了学生体育能力进一步发展，也流失了最有潜力将体育锻炼终身化的群体［5］。3研究对象与方法3.1研究对象该研究以构建棒垒球虚拟实践教学模式为研究对象，并对其教学效果进行探究，这种模式旨在利用动作捕捉技术和虚拟现实技术，为学习者提供真实场景的棒垒球实践体验，以提高学习效果和效率。3.2研究方法3.2.1研究目标确定该研究探索如何利用动作捕捉技术和虚拟现实技术改进棒垒球教学效果和效率。3.2.2文献资料法为了全面了解虚拟现实技术在教育教学中的应用现状，针对该项目的研究内容，分别从中外文数据库等平台查阅检索虚拟现实技术、动作捕捉技术、棒垒球教学、体育教学等关键词，通过对相关文献资料的整理和归纳，阅读与动作捕捉技术、虚拟实践教学和棒垒球教学相关的学术论文、期刊和会议记录，了解当前领域的研究动态和方法。并且认真总结分析，为该项目研究提供科学参考和理论依据，探讨动作捕捉技术在体育教育领域的发展和应用情况。3.2.3教学实验法设计基于虚拟实践教学的棒垒球课程内容。学生通过本校体育课程选课系统自主选课，形成两个平行班级，教师将两班级分为采用棒垒球虚拟实践教学模式的实验组和采用传统棒垒球教学模式的对照组。按照棒垒球课程教学大纲要求，由同一名教师进行教学，并在教学实验后对学生的打击技术动作规范程度、击球命中率与传球技术的动作规范程度及准确性进行测试，以验证教学效果。3.3.4数理统计法经过实验后，针对实验最终的各种数据信息进行梳理总结，运用Excel软件形成报表，然后对所收集的信息运用Matlab进行数据分析，为实验结果提供客观支持。通过抽样技术来获取样本数据，并利用最终的样本数据进行总体特征的推断。抽样理论研究如何从总体中选择合适的样本，以及如何通过样本对总体进行推断。采用回归分析对最终击球的命中率进行分析，它是数理统计的一种方法，用于建立变量之间的关系模型。通过拟合回归方程来描述自变量和因变量之间的关系，并进行预测和解释。3.3.5教学评估与效果分析法实验过程中，明确学习目标和预期结果，确保教学评估的焦点和方向。通过实验和评估方法，评估虚拟实践教学课程的效果和学习者的学习成果。比较虚拟实践教学与传统教学方法的差异，并分析虚拟实践教学对学习者技能和认知能力的影响。对实验所收集的数据进行分析和解释，以获得对教学效果的客观评估。基于实验数据分析的结果，评估教学效果。判断教学是否达到预期的目标，包括学生的知识掌握程度、技能发展等。教师可以根据评估结果进行教学反思和改进，以提高教学质量。4高校棒垒球课程虚拟实践教学模式构建虚拟实践教学平台由硬件系统和软件系统组成，如图1所示。AzureKinectDK用于捕捉和识别学生的动作，图像工作站主要用于运行虚拟实践教学软件，显示器用于为学生提供各种动作的分析结果等。软件系统主要包括基础知识与基本技术两个功能模块，三维模型使用3DStudioMax创建，开发工具为Unity3D和C#语言。图1硬件系统和软件界面4.1基础知识模块基础知识模块主要包括棒垒球项目的场地与所用器材介绍、基本玩法、礼仪要求、裁判规则等4个方面。模块中搭建了高真实感的棒垒球场地（见图2）、球棒和各类软球等，学生可以通过漫游、视角切换、鼠标的交互、虚实对话等方法学习棒垒球项目的基础知识，提高学习的趣味性和沉浸感，明晰球场组成、攻防球员位置和相关注意事项，强化对棒垒球基础知识的认知。图2棒垒球场地4.2基本技术模块基本技术模块包含传球、接球等进攻动作与打击、跑垒等防守技术。模块使用图像处理技术与优秀运动员的标准动作视频，构建了各类动作的标准库。使用AzureKinectDK和动作捕捉技术，实时捕捉并识别学生的各类动作，并与虚拟人物进行实时动作绑定，如图3所示。动作分析模型将学生的动作进行分解并与标准动作进行对比分析，动作回放功能则逐帧显示学生的动作分析结果。该模块通过上述功能不仅可以对学生的动作进行捕捉分析，并给予可视化的引导和姿态纠正，而且能够将抽象的知识直观化呈现，更有利于学生对复杂技术动作理解与掌握，同时系统对于学生动作的评判与纠正具有针对性，从此也实现了因材施教的个性化学习［6-7］。图3练习者与虚拟人物的动作绑定5棒垒球课程虚拟实践教学模式教学效果分析向固定点传球测试结果如图4所示，实验组传球的准确性高于对照组。由此证明，规范的技术动作可提高传球准确性，但传球速度受个体力量及爆发力水平影响较大，所以两组数据较为接近。图4固定点传球测试结果击球测试中，实验组击球命中率更高（见表1），这是由于技术动作相对固定，能够形成稳定的击球节奏和球棒运动轨迹。表1T座击球命中率统计由表2可知，实验组的学生击球技术、传球技术两项技术动作的标准程度评分均高于对照组的学生，说明基于动作捕捉技术的棒垒球课程虚拟实践教学相较于传统棒垒球课堂教学更有助于提升学生技术动作的规范性。表2技术动作得分表（）表2