虚拟仿真技术在运动生理学实验中的应用研究

[摘要]虚拟仿真技术作为一种综合集成技术，涵盖了计算机图形、人机交互、传感技术、人工智能等众多核心技术，可以逼真的模拟出我们需要的环境和实物，给人身临其境的真实体验。近年来随着教学实验研究的逐步深入和科技技术的不断进步，虚拟仿真技术已经开始大量应用于运动生理学实验等相关的科学领域，加深学生对实验的认识，使学生通过丰富多彩的教学手段，多层次、多角度、立体化、真实化的得到专业便捷的技能训练，加深学生对实验内容的理解和巩固，提高学习的效率和应用的直观性，更加深刻地理解所研究的内容和意义，从而提高运动生理学实验课的应用效果和学生学习的积极性。

[关键词]虚拟仿真技术 运动生理学 实验 立体化

[中图分类号]G712 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2016）06-0236-02

运动生理学主要是研究人体在体育活动和运动训练影响下机体在结构和机能方面的各种变化，探索人体在运动过程中机能变化的规律，以及形成和发展运动技能的生理学规律，探讨人体运动能力发展和完善的生理学机理，论证并确立各种科学的训练制度和训练方法。人体在体育活动和运动训练影响下机体机能变化的动态数据是运动生理学研究的重点和难点。因其变化的动态性和不易感知性，使学生学习起来特别抽象，难以理解。单纯的依据课本的数据进行比对，就更加没有说服力，极大增加了学生学习和掌握的难度。在运动生理学实验课堂上开展实验教学过程是增加降低理论学习难度，提高学生学习积极性的有效措施，但在目前的运动生理学实验教学过程中，由于受实验标本的采集与存放、试剂的调配与更新、实验器材的种类限制、教师预实验的准备、场所与时间限制和一些复杂设备的影响等，很多实验课开展的效果并不理想，学生获得的实验数据较少并且缺乏说服力，后期重复实验更是无法独立操作完成。很多大型实验由于没有时间准备预实验，教师操作的效果也不理想，开设运动生理学大型实验的成本较高，耗费人力、物力较大却收效甚微，使学生深刻理解运动生理学知识受到很大限制。

为了节约成本，很多学校就只开展几个传统型的简单实验，但是最新的理论知识和科学研究，学生就难以接触，且这几个实验由于脱离高端技术使学生难以对实验印象深刻。实验知识的匮乏也影响了学生独立感知，自主研究的积极性，理论应用起来更加捉襟见肘。因此，我们迫切需要一项技术既可以节省实验成本，提高实验成功率，又能使学生自主感知，自主钻研，使学生得到专业便捷的技能训练，虚拟仿真技术应运而生。他不但简化了实验课程准备工作，而且高速的数据处理库提高了实验的精确度和动态呈现机体对刺激反应的敏感度，大大激发了学生学习的兴趣，大量数据的多角度呈现，更加激起学生探索的欲望，可以说完美解决了运动生理学实验所必须的多项技术。

一、虚拟仿真技术简介

虚拟现实技术又称虚拟现实技术或模拟技术，就是通过计算机模拟技术将一个真实的系统在另一个占用空间比较小的、制作相对容易的虚拟系统中进行模仿实现真实人机对话体验的技术。随着计算机人工智能技术的不断进步和发展，虚拟仿真技术越来越精良并逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法。人投入到这种环境中，立即有“身临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互，虚拟环境还能够实时地做出相应的反应。

虚拟仿真技术，是仿真技术与虚拟现实技术结合而产生的一种更高级的仿真技术。在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上，虚拟仿真技术以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征，并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体可以是模拟器，也可以是其他的虚拟仿真系统，也可用一些简单的数学模型表示。实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征，充分满足了现代仿真技术的发展需求。

虚拟仿真实验系统的特点：首先虚拟实验系统的仿真引擎代替了实物，实验过程不再需要反复消耗标本和试剂，且实验结束不需要废料收集和处理，完美解决了传统实验过程中所缺乏的节能和环保处理；第二，学生做实验不再受到实验器材的限制，学生没有理解的实验允许反复操作，增强了学生动手动脑的实践能力，大型实验也省去了繁琐的准备过程，节约了教师的准备工作；第三，虚拟仿真技术因其技术的成熟性，允许学生自我提升与拓展，课本之外的实验，学生也可以自主钻研，不受材料限制，大大提高学生学习与思考的积极性。此外，虚拟仿真技术平台还为学生提供在线测评功能，网络化的学习模式，为学生自我巩固与提升提供了一个良好空间，抓住了学生学习的兴趣点。

二、运动生理学实验与虚拟仿真技术相结合

以前学校进行的运动生理学实验主要是通过课本理论的教授进行理论学习，然后再通过小白鼠、青蛙等动物进行实验验证，这种探究方法单一而且让学生很难完全信服。几乎所有运动生理学实验的理论，都来自观察动物在运动过程中的机能活动并对其因果关系的分析来实现。放到人体之后的结论显得单薄而且缺乏说服力。另外，由于人力及物力资源的种种限制，实验课本身课时较短，很多实验结果本身缺乏科学性和完整系统性，所以很多实验的结果与最终需要印证的结论相关性不符，做得有名无实。

近年来虚拟仿真技术的广泛应用大大提高了运动生理学实验的应用广度和深度，很多难以实现的实验技术经过模式过程之后学生可以真切地感受到学习起来更加容易，记忆也更加深刻。将虚拟仿真技术运用到运动生理学实验教学，是传统教育手段与现代教学技术的创造性结合。虚拟仿真技术的优点主要体现在：多媒体展示的集成性、人机交互的操作性、大容量存储的丰富性、高速传输的便捷性、超时空交流的共享性等。

虚拟仿真技术应用于实验可以分为三个阶段：一是初级阶段，即学生刚开始接触系统阶段，这个时期学生对虚拟仿真系统还比较陌生，很多的功能还不熟悉，教师需要对学生加以引导，根据学生的反馈对系统加以修改和调整，尽量达到彼此合作融洽；二是模块建立阶段，当学生对系统有了初步的了解之后，就需要根据教学的进度和学生学习的侧重点对系统里面的实验加以增减和调整，做到既能满足学生知识掌握，又可以达到能力提升效果，并将最前沿的知识嵌入实验模块，让学生一起走进实验室观摩也是很好的教学方式，观摩过程中学生对知识的理解和应用会更加深刻，让学生明白科学探索的过程其实就是知识应用的过程，这个过程真正存在并不是遥不可及，培养起多思考多动脑的习惯；三是模块应用阶段，即通过所学的知识，所做的实验，探究人体运动生理学知识的运用与开发，这个过程是一个开放的过程，根据每个人理解的不同，所能探索的结果也各有千秋，没有标准的答案，探索永无止境。

例如在学习“人体安静与运动过程中心率和动脉血压变化”课程时，单纯的文字说明和表格对比虽然可以使学生直观的看到数值的变化，但是体现在人体中的动态变化却很难发现和感受。通过查阅大量文献，进行总结归纳，并通过计算机辅助教学把实验课的内容搬到理论课上，经过文本、图片、动画、视频、仿真空间体验等几步的动态体感之后，让学生直观地观察到人体从静态到运动再到运动逐步加快的过程中心率和动脉血压的直观的、动态的、连续的变化过程，把实验的结论与学生的多种感官相互关联，把知识的传授过程由被动的灌输、被迫接受转化为学生自己总结、归纳、探索，使学习过程变得快乐且学生更加容易接受。运动的方法有好多种，速跑和慢跑是两种不同的运动方式，他所牵动的器官不同，达到的效果不同，学生为此进行了一次愉快的辩论，最终大家都为自己的观点鼓掌叫好。每种运动背后都包含着大量的科学知识，合理的运动就是最好的科学。

三、现状与前景展望

实验课一定要“重视学生在教学活动中的主体地位，充分调动学生学习的积极性、主动性和创造性”，一门课程的学习，结果只是一方面，重视学生在实验过程中的参与度和知识获得过程，才是我们教学的目的。对于运动生理学的掌握我们完全可以直接告诉学生结果：做扩胸训练有助于增加肺活量，做引体向上可以锻炼背阔肌，仰卧起坐可以锻炼腹肌，等等，我们单纯的教授完毕对学生有什么效果呢？他的扩胸运动很到位，肺活量大有增加；他的引体向上很到位，却导致了肌肉拉伤；他的仰卧起坐连贯而有力，却导致脊柱受损……这种风险不仅对普通人是存在的，而且对那些经常锻炼的人亦然。现代人的养生观念很强，每个人都需要运动，但是运动也需要讲究技巧与方法，我们学习运动生理学的目的就是知其然，更要知其所以然。大量逼真完备的实验设备，解放了学生的思想，相应的研究过程中碰到的问题也就越多，为了满足学生探索的需求与我们日常面临的挑战，我们的路任重而道远。

随着人们对虚拟仿真技术的逐步完善，虚拟仿真技术的应用范围越来越广，下一步我们将搜集更多的文字、图片、音频、动画等素材，组建更多的虚拟仿真实验模型，让虚拟仿真技术更好地服务于运动生理学及各个学科的实验，尤其是以后更可以丰富中小学课堂的教学课堂。通过虚拟仿真技术的应用让学生处于一种多层次、多角度、立体化的学习空间中，直观真切地感受到外部因素变化对身体的影响，改善了学生对体育运动的理解形式，提高了运动生理学课程的趣味性，提高学生学习运动生理学实验的积极性，也提高了学习效率。虚拟仿真技术的广泛应用，必将使运动生理学迎来新的生机和活力，根据教师的指导得到更加专业的技能训练，使人们更加科学的通过体育训练，改善人体技能，提高身体素质。

四、小结

体育学科是一门理论与实践完美结合的基础学科，越来越受到学生及普通民众的欢迎。运动生理学作为体育科学的辅助学科也是一门非常重要的理论课程，他主要研究人体在体育活动和运动训练影响下机体的内部结构和机能的动态变化规律，进而探讨出完善人体运动能力发展的科学机理，指导人们科学准确的完成各种训练。虚拟仿真技术作为一门理论与科学结合的科学手段，极大地提高了运动生理学实验的可操作性和趣味性，满足了当前运动生理学实验的操作需求，可以加深学生对实验的认识，使学生通过丰富多彩的教学手段，多层次、多角度、立体化、真实化的得到专业便捷的技能训练，加深学生对实验内容的理解和巩固，提高学习的效率和应用的直观性，更加深刻地理解所研究的内容和意义，从而提高运动生理学实验课的应用效果。

【参考文献】

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[2]柯中炉，牟惠康，杨林生.以虚拟仿真技术提升高职实践教学有效性的探索——以生化制药技术专业实践教学为例[J].中国职业技术教育，2009（05）：64-66.

[3]乔德才.运动生理学实验[M].高等教育出版社，2006.

[4]陈章宝，肖国君，邓君，罗红丽.虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化·基础教育，2015（05）：86-87.

责任编辑：彭海多

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