在体育教学与科研中应用计算机仿真技术的思考

摘要：论述了计算机仿真技术的概念、特点及仿真设计的一般流程，提出了目前将计算机仿真技术应用于体育教育与体育科研中存在的问题，分析了计算机仿真技术应用于体育教学与科研中的发展前景及重要作用。

关键词：计算机仿真；体育教学；体育科研

前言

随着计算机科学技术的发展， 计算机仿真技术目前已广泛應用于复杂系统的分析、设计、实验、评估、预测等方面。计算机仿真系统所建立的模型包含了实际系统对象之间的内在联系和客观规律， 通过计算机仿真实验可以研究系统内在因素的相互关系。在体育科学研究领域，随着系统仿真技术及相关的计算机图形学、数据库技术、虚拟现实技术的交互融合与推动， 加上以人体或其运动为核心的不同领域的强烈需求的推动， 虚拟人体及其运动成为当前研究发展的热点[1]。因此，将计算机仿真技术应用在体育科学领域对体育科学研究将会产生重要的影响， 它将成为体育教学和比赛训练中重要的辅助手段。

1 计算机仿真技术概述

1.1 计算机仿真的概念

计算机仿真 （Computer Simulation）是应用计算机技术及数学建模方法建立被仿真的系统模型，在一定的实验条件下对模型进行动态模拟实验的一门综合性技术。

按照计算机类型分类可将计算机仿真分为：模拟仿真、混合仿真以及数字仿真三种。随着计算机技术的发展，数字计算机的运算速度以及处理能力都在不断的提高，数字计算机仿真已经逐步取代了模拟计算机仿真和数字模拟混合仿真，因此目前计算机仿真通常是指数字计算机仿真。其主要特征是：实现方便、易于修改、费用低、精度高、运算速度快、实验结果可靠。

1.2 计算机仿真技术的应用

应用计算机仿真技术对反应周期长，而且难以观察、试验或消耗巨额资金的自然环境、生态系统、人口结构、生理、育种、导弹、军事、国防等系统，可以在短期容易实现的模型上进行分析、试验后预报结果。例如，中医诊断系统、农业育种专家系统。

在工程系统方面，应用计算机仿真技术进行试验或预研，可以在实物试验之前对系统的研究方案进行论证，达到优化方案以及系统参数的目的；分析系统响应与参数关系指导调试工作；分析系统的工作状态，改进薄弱环节，以提高系统的性能和运行效率。

在非工程系统方面，对企业管理、经济分析、市场预测、商品销售等也都可以应用计算机仿真技术。例如，应用计算机仿真技术可以建立商品生产和公司经营与市场预测模型。

1.3 计算机仿真的流程

计算机仿真的过程，概括地说包括“数学建模”，“计算机模拟实验”，“实验结果分析”三个基本的部分。也就是说计算机仿真不只是单一对模型进行实验，它需要包含从数学建模到反复实验再到结果分析的全过程。完整的计算机仿真过程通常包括以下步骤：

（1） 问题的描述。通过问题描述明确计算机仿真的对象、目的以及基础需求。再根据研究的目的及需求，确定计算机仿真系统的规模、约束条件等问题。

（2） 建立原始数学模型。数学模型是针对参照某种事物系统的特征或数量依存关系，采用数学语言，概括地或近似地表述出的一种数学结构。计算机仿真是一门基于模型的新技术，数学模型的准确程度对仿真结果的可信度起着非常关键的作用，这一步骤非常重要。原始数学模型也被称为是第一次建模。

（3） 建立仿真系统数学模型。根据计算机的运算特点、仿真方式、计算方法和精度要求，将原始系统数学模型转换为能够用计算机进行程序设计的数学模型。这类模型称作仿真系统数学模型，也被称为二次建模。

（4） 编程并调试。将仿真系统数学模型编制程序，并进行调试。

（5） 仿真实验。应用计算机仿真系统进行规定的实验，得出实验结果。

（6） 实验结果的分析和模型的验证。反复进行仿真实验后，对仿真的结果进行分析和验证，选出最优方案或者找出最优值，并将结果与实际发生的数据进行校验，检验仿真系统模型的准确度。

2 计算机仿真技术在体育科学领域中的应用

2.1计算机仿真技术在体育学科教学中的应用

随着多媒体技术的发展，在理论教学中可以通过应用仿真多媒体课件来丰富课堂教学内容，激发学生学习兴趣，加深对难以理解的理论知识的理解，提高教学质量；另一方面，在术科教学过程中，目前大多通过教师的示范来完成课堂教学内容的讲解，但由于教师年龄的增长或是教师技能掌握程度不同，有时很难在教学和训练中完成正确规范的示范动作，对学生的学习效果有一定的影响，对学生学习后的效果也难以真实评价。如果我们可以应用多媒体仿真技术、可视化仿真技术来开发、设计一些仿真软件，让学生在虚拟的环境中进行认知和练习，可以对学生提升学习和训练的效果起到一定的推动作用。

2.2 计算机仿真技术在指导运动训练中的应用

计算机图形学的应用领域十分广阔， 其中一个重要的领域就是利用计算机模拟某个系统或某种现象的过程， 进行系统分析， 过程控制。 例如，吕坤如的《计算机仿真人体二维运动图解设计技术在体育中的应用》等研究。

将系统数学模型转换成系统仿真模型，再通过计算机程序得到数学模型解的数据，对数据进行分析与验证从而达到计算机仿真的目的，这种计算机仿真技术很流行。例如，魏文仪，伍勰的《跳远起跳的计算机模拟》较好地反映了起跳动作的技术关键， 为跳远起跳技术分析开辟一个新的方法。还有房杰的《运用计算机仿真技术对乒乓球碰撞的研究》，朱雄军，韩凝的《运动生物力学诊断中可视化计算机仿真的应用研究》等论文都对运动训练有一定的指导作用。

3 存在的问题与展望

将计算机仿真技术应用于体育教学与科研领域中，是需要满足一定条件的，目前还存在一些值得思考的问题。首先由于体育术科教学内容本身的复杂性，目前还没有针对体育术科教学领域的专用计算机仿真软件。其次，计算机仿真技术的专业性与复杂性，使得体育教师和体育科研人员在应用计算机仿真技术时存在一定的困难等。这些问题的解决还需要科研人员能够将体育运动训练和计算机仿真技术更好的结合起来，例如计算机专业人员能够掌握某些体育学科的知识，或是体育科研人员和计算机技术专业人员更好的合作。

仿真技术不只是对某一个动作或现象单纯的模拟，而是通过仿真实验研究系统内在因素的相互关系，分析系统的可行性，预测系统运行结果，或作为预研手段为真实系统的运行奠定基础等。计算机仿真技术的发展对体育运动训练和体育科学研究带来新的契机，对体育科学研究与训练模式的发展都会产生重要的影响。因此如何将计算机仿真技术更好的应用在体育教学与科研中是值得思考和研究的，这一技术的应用研究对体育教育和指导体育运动训练都将起到积极的推动作用。

参考文献：

[1]黄汉升，朱昌义.人体运动计算机仿真的理论基础[J]. 广州体育学院学报，2007，27（5）：1-4

[2]吴旭光，王新民.计算机仿真技术与应用[M].西安：西北工业大学出版社，1998

[3]郝卫亚.专项体育运动的计算机模拟与仿真[J]. 第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编（摘要），2006

[4]燕国栋，孙晋海.体育教学领域中计算机仿真技术的应用[J]. 体育科研，2008，29（5）：68-70

[5]赵仑.计算机模拟仿真技及其应用[J].中国科技信息，2005（15）：68-69

作者简介：王丽丽（1982—），女，硕士研究生，研究方向：数据挖掘。