融合动作捕捉技术的体育微课教学设计与实验研究

韩 丽， 张美超

(辽宁师范大学 计算机与信息技术学院， 辽宁 大连 116081)



融合动作捕捉技术的体育微课教学设计与实验研究

韩 丽， 张美超

(辽宁师范大学 计算机与信息技术学院， 辽宁 大连 116081)

将三维动作捕捉技术与体育教学有效融合，从情感导入、动作演示及姿态分析3个层次对体育教学进行微课综合设计，有效激发了学生对体育学习的热爱与兴趣.采用动作捕捉系统虚拟现实技术，为学习者构建虚实融合的学习情境，不仅增强了交互式学习体验，而且使得体育教学过程更加数字化、直观化、立体化.通过运用数据量化的方式进行动作姿态的精准性分析促进了体育教学评价的科学化，提高了教学效率，丰富了体育教学资源.以定点投篮教学为例，系统进行了微课设计与综合实验分析，充分验证了本设计在体育教学中的高效性.

三维动作捕捉；体育教学；微课；教学设计

微课是以阐述某一知识点为目标，以短小精悍的在线视频为表现形式，以学习或教学应用为目的的在线教学视频[1].具有教学主题明确、教学设计结构完整，教学内容精炼、多种媒体技术支持、学习资源丰富、满足个性化学习需求等特点.微课在体育教学中的应用尚处于初步探索阶段，在中国知网搜索体育微课相关文献仅115篇，其中，10.64%探讨体育微课资源开发的策略，75.53% 探讨将微课理念引入体育教学，13.83%分析体育教学中应用微课的意义.对第二届全国高校微课大赛[2]参赛作品中310部体育专业相关作品进行分析发现，体育类微课的设计多为课堂实录方式，例如参赛作品《双手胸前传接球》《跆拳道腿法——旋风踢》等运动技能类微课缺乏针对体育学科特征的创新性设计，运动技能教学并没有突破传统演示教学思维局限.体育教师对于微课的认识尚存在体育微课就是体育片段课、体育微课就是模拟上课视频等诸多错误观念[3]，致使信息技术的应用无法达到辅助体育教学的目的.教育部《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》提出加强高校数字校园建设与应用，利用先进网络和信息技术整合优质教学资源，创新信息化教学与学习方式，创新人才培养模式[4]，如何高效运用信息技术、计算机技术促进体育教学改革迫在眉睫.高校体育教学是高等教育的重要组成部分，教育信息化是以计算机技术为基础，体育教学应当注重教学内容与现代信息技术的深度融合，包括虚拟现实技术/网络技术等计算机技术的应用[5]，研究表明，针对体育数据的统计分析时，计算机技术比人工技术更便捷[6]，更有助于促进教学的数字化、专业化、科学化.

动作捕捉(Motion Capture)系统集合动作捕捉技术与虚拟现实技术，在运动物体关键部位设置追踪器，记录物体移动的过程，再经过计算机处理后得到三维空间数据[7]，被广泛应用于数字化保护、游戏、动画、人体工程学研究、模拟训练、虚拟现实等研究领域[8].运动捕捉不仅可以捕捉各种动作，亦可对运动特征进行量化分析，可有效实现科学化、数字化教学[9].近年来，随着计算机技术的普及和数字教育应用的推广，动作捕捉技术不断被应用于体育训练等教育项目中，辅助体育训练数字化、科学化.在国外，2004年起，不断有学者尝试将动作捕捉技术应用于高尔夫球训练研究[10-11]，2012年，Evansab 等人采用一套电磁捕捉系统对高尔夫球员的动作进行了实验与分析[12]，同年，Covaci将动作捕捉技术应用于教学研究，他利用动作捕捉技术开发了一个虚拟篮球训练系统，供学习者在无教师指导的环境下自主练习投篮技术[13].国内相关研究始于2005年，冯利正、陈健分析了运动捕捉技术在现代体育运动中的作用，提出可将其应用于捕捉运动数据、运动监控、技术诊断与分析等方面[14]，2013—2015年，动作捕捉技术应用于实际教学的研究案例频出[15-16]，引起教育领域研究者的高度重视.

至今，动作捕捉技术在传统体育教学训练中并未普遍应用，其主要原因在于动作捕捉系统设备昂贵、安装环境要求较高.随着微课教学理念的出现，为解决这一关键问题提供了新的思路.笔者融合动作捕捉技术与微课教学理念，提出了三维、立体、虚实融合的多元化体育微课设计思想，并通过定点投篮教学为例，进行了教学设计与实验论证. 本设计方法不仅激发了学生学习的主动性、积极性，而且有效提高了学习效果.

1 融合动作捕捉技术的体育教学微课设计

基于动作捕捉系统的可视性、实时性、交互性特点，以及能够实时捕捉姿态动作并通过量化的数据来再现人体在三维空间中的运动轨迹的优势，制作多角度、精准化的三维可视化体育教学视频，同时引入情感化设计，交互式演示讲解，实现体育微课教学.本设计包括前期准备、中期教学与拍摄和后期制作3个阶段，如图1所示.

图1 融合动作捕捉技术的体育教学微课设计Fig.1 The design of micro course of physical education in the fusion motion capture technology

1.1 前期准备

前期准备包括微课教案及视频脚本的编写和教学资源的采集2个环节.通过对大学生体育课程选课情况进行广泛调查，以及对篮球任课教师的访谈，获知定点投篮教学具有较强的技能性与突出的教学难度性，更适宜开发和实施微课教学.因此将篮球教学中“定点投篮”作为微主题进行了教案及脚本撰写.教学资源采集环节中，融合动作捕捉技术，不仅需要采集图像和文字，还包括教学数据的采集与编辑.其工作原理及数据采集流程如图2所示.

图2 动作捕捉系统Fig.2 Motion system capture

动作捕捉系统在实验室周边360°均匀分布12台摄像机，由教师穿着关键部位贴有Marker标识点的特定服装，在规定范围内进行动作演示，计算机将捕捉到的关键点运动轨迹数据通过数据编辑与格式转换软件进行处理，再导入至Motion Builder与已有模型绑定、存储.系统工作原理如图2a所示，具体数据采集流程如图2b.对教师演示的标准动作数据进行采集与编辑，建立标准教学数据库，为后期教学与评价做准备.

1.2 中期教学与拍摄

我们以体育教学中的“定点投篮”为案例，从情感化、交互式、科学性3个层次对导入环节、演示教学环节、姿态分析环节进行设计.

1.2.1 情感化导入设计

教学内容的情感化设计是其内在特质与视觉感官的结合[17].导入环节的情感化不仅仅包括内容情感化设计，还应包括媒体视觉情感化.在内容设计方面，以学科知识文化、技能应用为主，注重培养学生终身体育意识.在视频画面及虚拟教学情境构建方面，强调构图简洁，给予学生直接、清晰的感官刺激.图3为本研究为学生构建的三维虚拟篮球场馆效果图.适当的文字辅助，可以潜意识影响学生无意注意，使其尽快融入教学情境.

图3 三维虚拟篮球场馆效果图Fig.3 3D virtual basketball stadium renderings

1.2.2 交互式演示教学设计

三维动作捕捉系统融合了动作捕捉技术与虚拟现实技术，为演示教学提供了良好的人机交互功能.系统将捕捉到的教师演示动作在计算机中生成三维动画，在微课视频设计中从前、后、左、右同步播放演示动作(图4)，无须教师多次、多角度反复演示.

图4 多角度同步演示教学Fig.4 The multiple perspectives synchronous demonstration teaching

同时，在视频制作中引入三维骨架来讲解动作要领，如图5所示.教师结合理论知识，利用采集的教师标准动作，进行骨骼分析，实时再现动画效果，直观地对关键部位进行分解教学，不再局限于教师身体演示.教师可以根据教学目标需求，分析动作技能特征，对关键部位进行特写或中景拍摄，对关键部位角度变化进行立体、直观、清晰的讲解和分析.

图5 投篮动作骨架连续帧动画Fig.5 Continuous frame animation of shooting skeleton

1.2.3 姿态分析设计

运动姿态的分析能够帮助学生了解导致技能操作错误的根本原因，掌握技能操作核心要点，在微课的设计中，如何直观、精确的呈现技能要点也是亟须解决的关键问题.因此，在姿态分析设计环节，运用基于特征向量匹配的姿态分析方法[16]对动作进行精准分析，更加直观的描述学生自主学习过程中容易出现的常见问题.

例如在定点投篮教学中，动作姿态要求两膝微屈，五指自然分开，翻腕持球的后部稍下部位，与手臂约90°角，大臂与肩关节平行，大、小臂约90°角，肘关节内收，与躯干约成90°角(如图6所示).因此在教学中选取人体骨骼的4个关键点：肩部、肘部、膝关节、双手腕关节作为动作技能特征参数，针对骨骼构成的8个特征平面P1～P8与向量夹角θ1～θ8作为判别依据，进行教师和学生动作差异度分析(如图7所示).

图6 定点投篮姿态Fig.6 Shooting posture

图7 人体骨骼模型及特征平面Fig.7 The skeleton model and characteristics of the plane

姿态分析结果如图8，图8a为学生的右手腕动作(特征平面P1)与教师的标准动作的差异度分析； 图8b为学生右肩部姿态(特征向量夹角θ5)与教师标准姿态的差异度分析(具体计算方法详见文献[18]).图中：蓝色曲线(“+”符号)代表教师的标准动作，红色曲线(“Δ”符号)代表待测学生的动作.

图8 待测学生与教师标准动作差异对比Fig.8 The comparison between student and teacher in the action

从对比图中可以明显看出在5 s时学生操作过程中手腕运动方向及肩部角度与教师标准动作存在较大差异.这种分析方法不仅能够精准的发现学生学习过程中存在的具体问题，更便于科学、高效的对学习结果进行评价分析，体现了教学过程的科学性、公正性.

1.3 后期制作

伴随着微课研究热潮的持续升温，微课设计与开发软件随之出现，如思维导图、Snap[19]、Camtasia Studio[20]等.本文选用PPT、Camtasia Studio录屏软件和Adobe Premiere视频后期制作软件进行微课后期制作.同时运用3DMax建模软件进行虚拟情境的构建，实现虚拟教师模型、动画与场景的融合.并在虚实融合设计中运用Adobe Premiere软件中“极致键”功能，将教师与虚拟教学情境进行融合，创建实时、立体、交互式的教学视频.

2 实验分析

采用实验研究法对融合动作捕捉技术的体育微课设计的实用性与有效性进行验证.

2.1 被试及分组

本研究以辽宁师范大学计算机与信息技术学院2015级篮球选修班的60名学生为实验对象进行教学实验，实验前依据国家大学生体能测试标准,对所有实验对象通过50 m跑[21]、立定跳远等测试方式对其个人身体素质进行测试，篮球技术测试采用定点投篮的方法，由学生自主选择投篮点进行投篮，共10个球，每个球10分，共计100分，测试采取自投、自抢的方式进行.对所有学生各项测试结果进行均衡化处理，将60名学生分为实验组和对照组.运用T检验方法对两组学生最终个人身体素质和篮球技术水平进行统计分析，结果如表1、表2.

表1 个人身体素质测试结果

表2 篮球技术测试结果

从表1中可以看出两组学生个人身体素质测试结果显著性P均大于显著水平0.05，说明两组学生在个人身体素质方面不存在显著性差异；表2中，两组学生篮球技术测试结果显著性P=0.793大于0.05，说明两组学生在篮球技术方面同样不存在显著性差异.因此排除个人身体素质及篮球技术差异等前摄因素影响，实验对象符合本次实验要求.

2.2 实验安排

针对“定点投篮”微课教学授课2学时.实验组采取融合动作捕捉技术的体育微课视频进行教学，实验安排如表3所示，对照组采取传统教学方式.对两组学生实验前后的定点投篮技能进行测试并记录结果，以备后续学习效果对比分析.

表3 实验安排

2.3 实验分析

2.3.1 实验前后定点投篮技术对比

从表4中可以看出，两组学生在学习前后篮球技术均得到了明显提高，其中，实验组学生均值约为66.333分，对比实验前篮球技术得分均值增加约30分；对照组学生实验前后成绩增加约22分，从P值上看，实验后实验组学生和对照组学生的实验后成绩显著性P值为0.023小于0.05，两组学生的篮球技术成绩在实验后存在了显著性差异，说明通过微课的学习方法比传统学习方法学习效率更高.

表4 定点投篮技术对比

2.3.2 问卷调查及分析

实验结束后，以问卷的形式对实验组学生的学习效果及微课视频应用效果方面进行调查，问卷共发放60份，回收60份，有效率100%，调查结果如图9所示.

图9 问卷调查结果Fig.9 The results of the questionnaire

从图9可以看出，74.9%的学生认为运用动作捕捉技术进行姿态分析的方法能够帮助其深化和理解相关知识，53.9%的学生认为虚拟篮球场馆场景真实，其中14.4%的学生认为非常真实，51.3%的学生认为运用动作捕捉技术进行动作技能的讲解很详细，20.4%的学生认为非常详细，76%的学生认为三维演示很清晰.总体上看，融合了动作捕捉技术的体育微课设计在媒体设计和内容设计方面均取得了良好的教学效果.从问卷调查中，部分学生表现出对虚拟场景及三维教学的不适应情况，针对这一问题在今后的研究中会对学生学习需求及视觉体验需求进行进一步调查分析并改进.

教学结束后，对参与本次实验的教师进行了访谈，教师表示实验组教学时亲自演示的次数在1～2次，而对照组教学时大约在8～10次以上，可见微课教学不仅能够提高教学效率，还能够减轻教师教学任务量.同时，任课教师表示运用动作捕捉技术的微课教学方法减轻了课堂教学负荷，为学生动作技能的学习提供了更有针对性的辅导与支持，很多学生在学习过程中会反复观看视频进行自主学习，教学过程更加轻松高效率.

3 总 结

面向数字化发展趋势以及计算机在教育领域的应用需求，计算机技术的迅猛发展必将为微时代的信息技术与学科教学提供新的深度、创新性融合途径.在计算机技术与传播媒体形式的支持下，动作捕捉技术与体育微课教学的深度融合，体现了动作捕捉技术在体育教学领域的应用价值，促进了体育微课资源及文化的推广与传播.随着数据时代及互联网技术的发展，动作捕捉技术在教育领域的发展将有着更广阔的应用前景.因此，微课的发展势必要求当代教师不断加强自身的计算机应用能力及微课的开发能力，设计开发符合微时代的优质学习资源，以满足广大学习者的个性化学习需求.

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Research on the teaching design and experiment of sports micro course based on the fusion of motion capture technology

HANLi,ZHANGMeichao

(School of Computer and Information Technology, Liaoning Normal University, Dalian 116081, China)

Integrating the 3-D motion capture technology with sports teaching, three levels, including the emotion, action demonstration and attitude analysis, are used to design the sports micro course, which effectively stimulate the enthusiasm and interests of learning sports. The virtual reality technology of the motion capture system is used to construct the learning environment for learners. It not only enhances the interactive learning experience, but also makes the teaching process more digital,intuitive, three-dimensional. By using the method of data quantization, the precision analysis of the movement posture promotes the scientific teaching evaluation, improves the teaching efficiency and enriches the teaching resources. Take a study of basketball shooting techniques as an example we canny out,the design of the course and the comprehensive experimental analysis and verify the effectiveness of the design in the teaching of physical education.

3D motion capture;physical education;micro course;instructional design

2017-01-16

国家自然科学基金资助项目(61202316)；辽宁省高等学校优秀人才支持项目(LJQ2013110)

韩丽(1973-),女,辽宁大连人,辽宁师范大学教授,博士. E-mail:hl_dlls@dl.cn.

1000-1735(2017)02-0199-08

10.11679/lsxblk2017020199

G434

A