冰雪虚拟仿真设备辅助教学的SWOT分析与推广路径

曹敬博　刘元国

摘 要：体育教学设施的数字化、仿真化是教育现代化的展现。采用SWOT分析方法，分析冰雪虚拟仿真设备对实现冰雪体育教学现代化的价值与推广路径。虚拟仿真设备在冰雪运动教学中应用的优势为教学过程体验感好，教学安全性高，可适用范围广;劣势为模拟现实有差距，设备应用规范性低，设备投资成本昂贵;机遇为北京冬奥会带来契机，冰雪政策支持带来机遇，虚拟现实技术迅速发展;挑战为旱地冰雪项目的发展，冰雪运动西扩南展的影响。提出采用宣传设备功能，借鉴应用经验;紧跟政策导向，优化服务保障;建立评价体系，提升应用质量等措施，推广冰雪虚拟仿真设备的应用，助力冰雪体育教学早日实现现代化。

关键词：虚拟仿真设备;冰雪教学;推广路径;SWOT

中图分类号：G80-05                         文献标识码：A                        文章编号：1002-3488（2022）01-0050-05

Research on the SWOT Analysis and Promotion Path of Ice and Snow Virtual Simulation Equipment Assisted Teaching

CAO Jing-bo1， LIU Yuan-guo2

（1. Graduate Department of Shenyang Sport University， Shenyang 110102， China; 2. Sports Training Institute of Shenyang Sport University， Shenyang 110102， China）

Abstract： Using SWOT analysis theory， study the assistance of ice and snow virtual simulation equipment to ice and snow teaching and propose a promotion path.Main conclusions： The advantages of virtual simulation equipment in ice and snow sports teaching are good teaching experience， high teaching safety， and wide application range; The disadvantage is that there is a gap in the simulated reality， Low equipment application norms， and expensive equipment investment; Opportunities are Beijing Winter The Olympic Games brought opportunities， ice and snow policy support brought opportunities， and the rapid development of virtual reality technology; The threat was the development of dryland ice and snow projects， and the impact of the expansion of ice and snow sports in the west and south. Promotion path： publicize equipment functions and learn from application experience; follow policy guidance and optimize service guarantee; establish an evaluation system to improve application quality.

Keywords： virtual simulation equipment; ice and snow teaching; promotion path; SWOT

在教育領域，虚拟仿真设备能够使学习者直接、自然地参与到教学活动过程中，其沉浸性、交互性与科幻性的特点适用于科学教育和医学教育等对教学环境要求较高的学科，如Daphne Economou[1]等（2000）对博物馆网络协同虚拟学习环境的研究，Estevez[2]等（2010）对解剖学教育的研究，其对现实环境的高替代性使其成为教学领域应用研究的热点话题[3]。随着我国在2015年对北京冬奥会的申办成功，我国迎来了冰雪运动新一轮的发展机遇。冰雪运动因场地、季节的特殊要求无法展开持续性教学，而虚拟仿真设备能对该问题进行针对性的解决。本研究运用SWOT分析法，以冰雪虚拟仿真设备辅助教学为主题，分析其优势、劣势、机遇、威胁，并提出推广路径，以期拓宽我国冰雪体育教学路径，引导更多受教育者参与冰雪运动，提升冰雪体育教学水平，最终达到冬季冰雪教学夏季化、冰雪教学方式多元化的效果。

1 虚拟仿真设备在冰雪项目中的应用现状

虚拟仿真设备在冰雪项目中的应用，主要分为滑冰项目应用与滑雪项目应用。

滑冰项目主要有针对速滑运动员提升竞技能力而研发的“速度滑冰陆地全相模拟场地与训练器械”[4]，滑雪项目虚拟仿真设备主要分为以下3种（图1）。

第一种是以Pro ski simulator公司为代表研发推广的机械模拟滑雪设备。该类设备主要以模仿滑雪动作为目的，利用机器滚动的自由度来模拟滑雪的左右转弯，但无法模仿滑雪的真实场景与细微动作，与真实运动相比更像是一个进行有氧运动的健身设施。第二种是以VR技术为主的模拟滑雪设备。在机械模拟滑雪设备的基础上，滑雪者佩戴VR头盔，在模拟滑雪设备上通过传感器、数字图像处理、控制理论等再现真实的滑雪环境与运动姿态，属于主要依靠头部运动感知的虚拟设备。第三种则为3D室内模拟滑雪设备[5]。在宽约10 m的雪道上，用户佩戴常规的滑雪板，设备通过压力和角度传感器测量滑雪者双脚对滑雪板的压力与倾斜角度，加入耦合算法后，根据用户位置控制显示屏中的人物在雪道中的位置。

2 虚拟仿真设备在冰雪运动教学中应用的SWOT分析

2.1 优势分析

2.1.1 教学过程体验感好

目前主流的模拟滑雪设备主要在室内应用，模拟真实的滑雪环境，并且利用传感器技术、硬件驱动技术和图像处理技术再现滑雪实践和滑雪体验。一般由系统服务器、主机软件以及硬件系统组成，且通过传感器设备、VR虚拟现实技术进行信息的录入[6]。正常冰雪运动教学的技术动作学习主要由教师进行指导，学生动作正确与否也仅凭教师肉眼观察，依据经验指出错误，不易进行控制。虚拟仿真设备利用视觉冲击、重心感知、动态模拟等技术模拟真实的感官体验，可以让体验者较为便捷地感受到参与冰雪运动项目的乐趣。在虚拟场景中，教师可以更好地把控教学节奏，纠正学生动作，也可以避免恶劣环境带来的影响，如冻伤、雪盲症等。

2.1.2 教学安全性高

在冰雪体育教学当中，保证学生安全是重中之重。近年来，随着体育运动技术不断发展，竞速运动项目的技术难度越来越大，也意味着会有更多学生容易在体育活动中受伤，而实际体育训练当中的情况也确实如此[7]。冰上运动方面，冰上教学课期间发生过不同程度的损伤，损伤比例达50.72%[8];雪上运动方面，损伤比例达32.55%[9]。高损伤率会导致部分学生因为害怕受伤而不敢做出正确动作，因而更难掌握新的学习内容，陷入恶性循环，打击到学习的积极性。虚拟仿真设备可以模拟真实环境，危险系数小，教学环境较实际冰雪运动更加舒适，在规避事故的同时也优化了学生的技术学习体验，提高学生学习的安全性。

2.1.3 可适用范围广

我国滑雪场已形成“单极向双极多点”发展的趋势，在其空间分布的影响因素中，地势地貌、气候环境等自然因素是影响冰雪场地建设的先决条件[10]。在冰雪稀少的秦岭—淮河以南地区，推广应用虚拟仿真设备，其不受环境条件制约的特性既可以帮助教学场地摆脱地势与温度的限制，也可节省冰雪教学场地开支，为缺少冰雪运动教学场地设施的单位提供教学条件，扩大冰雪运动的地域范围。在教学课堂中应用虚拟仿真设备，打破常规的学习模式，能够吸引学生主动积极参与，教学不再是教师向学生单向传输知识，而是教师学生互相交流，创设自然教学情境，具有交互性、沉浸性、科幻性特点，有益于丰富情感目标，将学生带入到课堂当中。

2.2 劣势分析

2.2.1 模拟现实有差距

虚拟仿真设备虽然高度模拟现实场景与感官体验，但并不能做到完全与现实对应。冰雪运动项目多为竞速滑动类运动，进行该类运动时人体与地面的接触面积和摩擦力不断发生变化，只有通过保持平衡和滑行才能克服摔倒与失衡带来的危险，并由此得到寻常难以比拟的速度感受，产生成就感[11]。目前的虚拟仿真设备仅能从视觉、触觉、听觉等人体感受方面进行简单模拟，无法模拟滑冰滑雪给人带来的速度体验、冰雪场地特有的地势气候以及克服危险障碍后给人带来的刺激感受。

2.2.2 设备应用规范性低

滑雪模拟设备中的VR模拟滑雪设备主要针对大众滑雪爱好者，将其应用于教学中并不能保证班级内的学生同时使用设备，对于常规二三十人以上的班级很难保证其练习密度，同时设备数量较少也会导致其因使用频率过高而损坏。运动教学课堂是以学生为本、以器材为手段，为达成教学目标而展开的。学生对于仿真模拟设备会产生兴趣，但激发学生兴趣的最终目标是促进学生健康发展，应用于体育课堂时应维持一定比例的运动负荷来保证课堂质量。虚拟仿真设备的引入，打破了传统体育课堂的教学模式，但如想保证学生尽量达到教学标准，则需要有虚拟仿真模拟设备课堂的标准结构，并尽量将冰雪运动教学规范化，以保证学生不会因为过于沉迷设备而无法达到冰雪运动教学的目的。

2.2.3 设备投资成本昂贵

虚拟仿真设备在国内起步较晚，受众人群相比于常规体育教学数量少，并且其设备造价昂贵，也导致了虚拟仿真设备的推广与应用成本较高。以滑雪虚拟仿真设备为例，满足教学的机械模拟滑雪设备市场价格在2 000～40 000元，实际教学中至少需要10台以上;VR模拟滑雪设备由于涉及VR头盔、滑雪仿真平台、动力系统等组合硬件，全套设备报价在30 000～50 000元不等;德国司凯泰思公司研发的3D滑雪模拟仪已广泛应用于各国专业滑雪运动员的培训与康复，但其设备价格仍旧高昂。

2.3 机遇分析

2.3.1 北京冬奥会带来契机

北京冬奥会申办成功以后，在国际奥委会与中国的共同努力下，通过冬奥会的筹备改变了我国部分省份因气候限制而无法开展冰雪运动的现象，从文化、兴趣、习惯等各个方面影响到我国的冰雪人口数量[12]，从而有利于实现我国“北冰南展”的目标。而虚拟仿真设备因其自身特点，适合在多种气候条件下使用，在大众期盼冰雪奥林匹克盛会的氛围下，可以作为“北冰南展”战略的重要应用工具。

2.3.2 冰雪政策支持带来机遇

2015年，随着我国获得2022年冬奥会举办权，各项冰雪运动政策开始实行，其中2016年、2018年、2019年三年所出台的政策最为重要[13]。政策主要围繞“三亿人参与冰雪运动”“两纲三划”“冬奥会保障工作”而展开，其中2016年《体育发展“十三五”规划》、2018年《带动三亿人参与冰雪运动实施纲要》、2019年《关于以2022年北京冬奥会为契机大力发展冰雪运动的意见》影响力较大，以上这些政策的出台会帮助我国冰雪项目在场地设施、文化发展、项目建设等方面取得长足发展。未来冰雪项目与产业的发展，以及虚拟仿真项目应用的正面经验，必定会增加虚拟仿真设备在体育项目中的应用范围与使用频率，虚拟仿真设备也会促进体育项目的技术提升与教学方式的拓展。

2.3.3 虚拟现实技术迅速发展

经过近60年的发展，虽然VR等虚拟现实技术仍然使用头部佩戴头盔等数据传感的方式，但已经摆脱了原先给人外形笨重、功能单一、价格昂贵的印象，并朝实用化、便捷化、大众化的方向发展[14]。随着21世纪的科技发展，虚拟现实技术已具备广泛应用的条件，其应用优势、技术优势对于冰雪运动教学的实践具有促进作用。

2.4 挑战分析

2.4.1 旱地冰雪项目的发展

旱地冰雪运动中，因旱地冰球、轮滑运动、旱地滑雪的推广与应用范围较广而具有代表性。旱地冰球作为一项团体运动，集竞技与娱乐为一体，逐渐融入到体育课堂当中。轮滑运动以其不受场地限制、简单易学、适宜人群广的特点，广泛应用于越野滑雪与冬季两项运动的夏季训练中[15]。目前六盘水市已开展冰雪暨越野滑雪滑轮运动进校园活动，该市部分学校已与体育局、体育文化公司形成战略合作关系。旱地滑雪是滑雪项目的延伸，通过使用PE材料及一次注塑成型技术打造人造雪道，模拟冬季天然雪场的形态与摩擦力，主要在市区内的公园与近郊的景区运营。当前，不断地技术优化使旱地滑雪的成本逐渐下降，日益发展的旱地冰雪运动也使得冰雪虚拟仿真设备在教学中面临巨大竞争。

2.4.2 冰雪运动“西扩南展”的影响

随着经济的发展与冰雪项目的推进，冰雪运动教学不断发展，虚拟仿真设备也同时受到传统教学场地与新兴教学方式的双重威胁。一方面，除东北等冰雪运动发达地区外，湖北、四川、云南等地区拥有高海拔地貌，气温相对较低，海拔2 000 m以上的山岭有助于形成南方地区地势独特的滑雪场，目前已建成神農架滑雪场、峨眉山滑雪场、玉龙山滑雪场等天然高山滑雪场。另一方面，室内滑雪场作为室外滑雪场的补充和延续，也在很大程度上填补了雪季外其他时期冰雪运动的空白，并且室内滑雪场不受地势制约，多建设于市中心的核心商业娱乐区域，适合冰雪运动的推广与参与。上述情况有可能威胁到虚拟仿真设备在冰雪运动教学当中的应用。

3 冰雪虚拟仿真设备辅助教学推广路径

3.1 宣传设备功能，借鉴应用经验

当前冰雪虚拟仿真设备在教学中的应用并不广泛，也导致其应用效果不能得到清晰展现。冰雪虚拟仿真设备自身独特的科技元素与沉浸式、交互式体验能够吸引足够多的参与者，为设备提供宣传空间。因此为扩大该类设备的影响范围，加强教师学生对设备的认知，应依托各地方冰雪协会举办虚拟仿真应用主题论坛，通过媒体的宣传推广作用展示虚拟仿真设备对教学的实用功能。依托冰雪运动在学校的发展政策，开展大量冰雪进校园活动，建立校园冰雪模拟实训中心，并针对成功开展冰雪虚拟仿真设备应用的单位进行案例宣讲，从而起到示范作用。以德国司凯泰思公司为例，其研发的3D模拟滑雪仪主打服务领域为专业运动领域与教学领域，在2014年索契冬奥会与2018年平昌冬奥会上被官方指定为训练及康复设备，教学应用中为北京市第八中学、内蒙兴安盟学院、张家口学院等学校提供过冰雪进校园服务，公司也被指定为京津冀冰雪进校园资源单位。此类成功应用的案例将丰富冰雪虚拟仿真设备辅助教学的实践发展，并提供了很好的借鉴案例。

3.2 紧跟政策导向，优化服务保障

冰雪虚拟设备适用范围广、安全性高、体验感好，为“带动三亿人参与冰雪运动”的愿景提供了条件，与冰雪进校园实施方案不谋而合。设备提供的便利条件降低了冰雪运动参与门槛，使学生更易产生兴趣并参与到冰雪运动中;政策的支持为虚拟设备运用于教学提供了便利，有助于推动冰雪运动教学的整体发展。因此，未来冰雪虚拟仿真设备的应用需要以北京冬奥会、后奥运时代为依托，紧跟政策导向，秉持“健康第一”理念，以实现“全民健身”为最终目标。冰雪虚拟设备教学的开展也需要以设备流畅运行为基础，应设立专门的售后部门，不断更新设备功能版本，保障硬件设备与系统运行的稳定流畅。并通过已有的教学实践进行拓展，面向社会提供教学，教师也要与学生在课后小结时探讨设备的使用心得，多方面提出意见。

3.3 建立评价体系，提升应用质量

教学评价是对所实施的各种教育活动、教育过程和教育结果进行科学判定的过程。冰雪虚拟仿真教学评价同属教学评价范围，因其教学形式的特殊性与新颖性，应根据虚拟仿真实验教学项目已有成果，以项目定位、内容、设计、研发、应用、团队为一级指标[16]，建立冰雪项目应用虚拟仿真设备的评价指标体系，以此规范并评价冰雪虚拟仿真设备教学。应在项目定位中融入教学理念，通过虚拟仿真设备交互性、科幻性、沉浸式特点实现情感目标，通过对学生视觉、听觉、触觉的交互作用实现技能目标。内容要符合冰雪项目特点，并注重于在雪季外教学、理论课教学中的应用，熟练应用虚拟仿真设备，规范操作。教学设计要保证学生练习的负荷强度，注重学生综合能力的提升，课堂中对设备的应用要规范、有序。可与管理部门指定的厂家共同合作，通过教师及学生的课堂体会共同优化设备，依据学生兴趣、反馈、参与度等教学效果指标提出针对性的改进措施。还可针对冰雪虚拟仿真设备教师、教学服务人员开展培训，提升冰雪虚拟仿真设备的科研投入（图2）。

4 结语

虚拟仿真设备的交互性、科幻性、沉浸式特点，推动着信息科技与体育教学相互结合。通过虚拟仿真设备的应用，可以把体育动作量化为视频动作与数据;通过动作量化与建模，可以有效弥补现实中肉眼观察的不足及师生教学的单一性。当前，虚拟仿真设备已不再仅限于现实条件艰苦、危险性相对较大的冰雪运动项目等，而是可以应用于各学科的教学当中，但在其应用过程中我们仍需厘清虚拟与现实的关系，合理安排课时。当虚拟仿真设备在体育课堂成熟运用时，其必会以强大的优势与潜力在体育领域发挥重要作用。

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收稿日期：2020-12-22

基金项目：国家社会科学基金项目（17CTY008）。

第一作者简介：曹敬博（1997-），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为体育教育训练学。

通讯作者：刘元国（1983-），男，吉林白山人，博士，博士生导师，教授，研究方向为体育社会学。