李祥晨谈体育系统仿真

　　一、体育系统仿真概念及应用
　　体育系统仿真是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的一种实验技术学科。体育系统仿真是随着现代计算机技术的快速发展和广泛应用而产生的，但仿真的概念自古有之，古人在从事大型工程，如制造船舶、修建楼房前都需要先做一个模型，然后根据模型去造船建房。如果在没有模型验证的情况下贸然开始造船建房，往往承担很大的失败风险。建造这些船舶和房屋的模型的过程都可以看作是仿真活动，但这并不是现代意义的仿真，因为，现代意义的仿真是以计算机的发展为前提的，是通过数学建模建立和计算机计算来实现。数学建模是一个复杂的过程，牛顿发现的三大定律，就是给出了3个数学公式，这3个数学公式从本质上来说也就是3个数学模型，它们涵盖了所有宏观低速物体的运动规律。运用这3个公式可以描述所有物体的运动，如铅球的轨迹、标枪的飞行等。具体到实际应用中，这个数学模型就变得非常复杂和精细。例如运动员投铅球，如果只考虑铅球的运动，牛顿第二定律就可以解决，因为其本质就是抛物线运动。铅球的运动很简单，但要反映运动员的运动就非常复杂，人的关节特别多，减去一些无关关节后，可以用刚体模型描述，于是又可以用牛顿第二定律解释。当然，为了更逼近真实的运动过程，还需要考虑其他许多因素。随着参量的增加，运算量就变得相当大了，就离不开计算机的帮助。
　　在体育系统仿真中常常运用计算机来模拟再现人的行为，包括运动员的运动，教练员的想法和意图。以体育动作创新为例：如果把教练的设想告诉运动员，让他直接去尝试，可能完成不了，也可能导致运动员受伤。而用系统仿真技术，在计算机系统中事先就能获知动作到底能做到什么程度，如果实现不了应该调整哪些参数。仿真技术不仅用于动作创新，在设计辅助器材中更能大展拳脚。如设计力量训练器或特种关节训练器，若仅凭想象难以制作成功，需要借助计算机软件中的一些功能。器材设计出来后，能不能达到预期效果呢，还可将数字的“人”放进去验证，也可以在全景虚拟现实中让真人通过传感器去操作计算机里的虚拟器材。利用系统仿真技术可以简单、高效、经济地达到设计和验证的目的，更重要的是可以保证运动员的安全。此外，体育系统仿真还可以用于模拟训练，利用计算机模拟出整个运动场地，学生可以在虚拟运动场里做适合自己的训练。体育系统仿真的最终目的是为了控制系统的发展，控制事情的推进，使运动员取得更好的成绩，在大型活动中更能突显它的优势。在2008年奥运会开幕式和2009年国庆阅兵式中都用到了系统仿真技术。
　　二、体育系统仿真对体育教学的意义
　　目前，体育系统仿真对体育教学意义非常重大，而从长远来看，其意义还会越来越大。教学系统电器化程度逐步加深，多媒体教室正在迅速普及，从而推动了体育系统仿真在教学中的应用。在体育教学中，最常见的教学方法是教师在前面演示动作，学生在后面跟着做，学生如果因为距离等原因看不清楚教师的示范就学不好动作。如果使用仿真技术就可以把全部教学过程变成虚拟现实，使学生非常方便地自主学习：一是可以实时、随地开展学习，不需要在体育馆受实体条件的限制;二是可以实时检查，从360°去观察教师的动作，并且可以任意放大、缩小和旋转，为更精细地掌握动作提供了条件。在教学前可以验证教学方案的可行性，验证其是否科学，能否教好学生。此外，运用仿真中的虚拟现实还可以对教学效果进行评估，把仿真效果与真实效果进行对照，对角度不够、力度不够、速度不够等情况都可以做实时对照。
　　在未来几年中，随着计算机技术的发展，软件开发难度降低，体育系统仿真在教学中一定会大有作为。它可以全方位地介入教学流程中，包括课程开发、实施和评估等都可以实时使用仿真技术。仿真技术是随着现代科技的发展而发展的，科技越进步，它的应用就会越广泛和深入。目前，信息技术的趋势是计算机运算速度加快，操作界面更加简洁，人机交互更容易，这些都将推动仿真技术的发展和应用。现在学生利用电脑游戏进行学习，例如，和计算机打乒乓球、打网球，增进战略与战术学习，但如果往前推20年，这些事情是不可想象的，那时计算机的运行速度比现在手机的运行速度还要慢。正是鉴于现代科技的快速发展，未来系统仿真在体育教学中将发挥更大的作用。
　　三、体育系统仿真实验室的建立
　　在我国，现代意义上的系统仿真已经有近30年研究历史了，它最早出现在20世纪80年代，随着计算机技术的发展而产生。最早应用于国防和航空航天领域，因为这些领域非常需要系统仿真技术。以后随着计算机发展，系统仿真技术逐渐民用化，社会其他领域也开始使用。20世纪90年代起，陆续有人关注体育系统仿真，从2000年开始进入系统研究阶段。国家体育总局科研所体育系统仿真实验室是在原所长李元伟的大力支持下于2002年成立的，后来的历届领导也都很支持实验室的建设和发展。体育系统仿真实验室的一个突出特点是高科技，即以高科技研究体育，在全部体育工作中技术比较领先。以前的体育研究往往集中在生理、生化和训练，而体育仿真是以计算机、高科技和网络为主的交叉学科，具有很强的实践性和工作性，属于遵循科学规律的应用研究。体育系统仿真具有广阔的发展空间和应用前景，又得到了领导的支持和关怀，因此在创立的短短几年里发展较快，目前体育系统仿真实验室承担了科技部、基金委、国家体育总局等多个项目。