基于Unity3D乒乓球课堂的虚拟教学平台系统设计.pdf

摘要：针对高校体育教学课堂信息化建设存在的问题，结合现有的教学经验，应用Unity3D技术,研发出符合高校乒乓球教学课堂的虚拟教学平台，即：在系统设计思路、架构平台整体、开展测试与评估的基础上建立了乒乓球教学平台虚拟场景。该系统通过场馆设计和功能需求分析、场馆场景参数值设置、用户互动设计等实现了虚拟场景的人机交互控制，可以给未来构建更多数字体育场景提供借鉴。关键词:Unity3D;乒乓球教学;线上课堂;教学系统设计Abstract:In response to the challenges in the digitalization of university sports education,and drawing from ourexisting teaching experience,we have developed a virtual educational plaform specifically tailored to table tennisclasses in universities using Unity3D technology.This platform encompasses the design philosophy,overallarchitectural framework,and the implementation of testing and evaluation,all of which are aimed at creating virtualenvironments for table tennis education.The systems human-computer interaction controls within these virtualenvironments are based on an analysis of venue design,functional requirements,venue scene parameters,and userinteraction design.This platform can serve as a valuable reference for building various digital sports scenarios inthe future.Keywords:Unity3D;table tennis instruction;online classroom;instructional system design学校体育XUEXIAOTIYU基于Unity3D乒乓球课堂的虚拟教学平台系统设计Designing a Virtual Educational Platform for Table TennisClassrooms in Unity3D黄正Huang Zheng1前言1.1研究背景及意义王佳茵(2 0 2 0)在一文中提出：为满足大学生多元化的体育学习需求，提高体育教学效率，促进体育教学资源共享，应加快数字校园体育教育的平台建设。雷敏(2 0 17)发现当前我国大学体育课程信息化建设存在的问题包括了：形式简单、课件单一；过多以信息化建设为主，教学方式信息化片面；信息化下仍然以理论课程为主；信息化更多流于表面 2 。随着“互联网+”学习模式推广，体育课堂的信息化教学也可利用VR技术设备来增强其娱乐化教学。VR全称VirtualReality，即虚拟现实。该技术设备能够突破时间和空间的界限,并提升个人体验的真实感,其具有沉浸性,交互性和构想性的特征 3。虚拟现实技术与体育教育课堂的结合，能突破以往的单一教学方式,让学生沉浸虚拟环境中,探索与感知所创造的情境,使教学过程活泼生动起来，提高学生的学习趣味，增强师生间的有效交流 4。根据以往的研究不难发现,现阶段虚拟技术在高校体育课程中的应用基本停留在假设阶段，目前也没有真正将虚拟教学平台应用到相关的体育学科中以实现学者提出的设想 5。本文以高职院校乒乓球体育课堂为研究背景,根据前者提出的理论依据,将设计出基础的虚拟现实平台系统，真正将体育课堂的教学资源应用到信息技术当中，提高学生运动技能，且有意识地提高自身体育兴趣的同时，更将体育思政功能用现实认知的手段表现出来 6 。这不仅能为体育课程创新改革提供科学的实践依据,还能推进高校乒乓球课堂健康有序地开展。1.2Unity3D技术在体育领域的使用现状分析目前，基于Unity引擎的虚拟全景漫游系统已经被广泛应152BULLETIN OF SPORT SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.11.2023中图分类号：G8465文献标识码：A文章编号：10 0 5-0 2 56(2 0 2 3)11-0 152-6doi:10.19379/ki.issn.1005-0256.2023.11.043用在博物馆、油画展、教育、旅游等领域。而体育运动虚拟全景漫游系统与其他虚拟全景漫游系统相比，在用户体验和互动形式上具有独特的优势。虚拟全景技术是一种很有潜力的技术，但它的应用仍然面临一些挑战,其中最大挑战可能是硬件设备的限制 7 。现在市场上成本低廉、质量良好的VR头盔尚未普及,部分消费者对于VR眼镜不适应或过敏，普及性还需提高。此外,开发所需要的技能和资源投入，当前使用情况下视觉疲劳的问题,这些都是该技术在市场推广和实际应用中的难点和挑战。另一个重要的挑战是系统设计方面。设计一个虚拟全景漫游系统需要考虑到各种因素，如应用场景、用户需求和体验感受等。系统必须具备完善的交互性和多样化的功能，在满足用户需求的同时也要保证稳定性和流畅性。同时，如何优化用户交互的效果和体验也是一个需要解决的问题。在体育沉浸式体验方面的挑战是需要真实且高还原度地展示现实体育运动的细节,在光线、明暗等方面也需要进行精细调整 。体育基金项目：广东工程职业技术学院2 0 2 2 年校级教改项目（项目编号：GGJG2022B011）;2 0 2 2 年广东省青少年研究共建课题成果（课题编号：2 0 2 2 GJ057）；2 0 2 2 年广东省职业技术教育学会第四届理事会2 0 2 32 0 2 4年度科研规划课题项目（项目编号：2 0 2 2 12 C027)作者简介：黄正（198 9），女，广东茂名人，助教，硕士，研究方向：体育教育训练学，体育工程等方向。作者单位：广东工程职业技术学院公共课教学部，广东广州510 52 0Teaching Department of Public Courses,GuangDong EngineeringPolytechnic,Guangzhou 510520,China.VR虚拟技术环境学校体育XUEXIAOTIYU工作者也可能因为担心数字化技术与真实场馆有所区别而对规划如下：为了确保良好的展示效果，应该对潜在的场馆进其应用持怀疑态度。行评估。确定场馆建模的尺寸、材质和风格等,将课堂流程基于Unity引擎的乒乓球体育课堂虚拟全景漫游系统虽划分到不同展示区域。根据场馆的尺寸和风格,设计相应的然存在一些挑战,但随着硬件技术的不断改进和软件设计的不展区教学布局方案，优化课程的设计排布顺序，避免教学内容断提升，它必将在未来得到更广泛的应用。该系统必将在推动冲突。添加必要的装置艺术，如灯光、立体声，大小等特色，体育非遗文化数字化 9、增强全民健身意识、促进体育文化产来增强深度感知，营造惬意空间氛围。业的发展和创新上带来巨大的社会效益，同时给用户带来更丰3虚拟现实仿真教学平台的整体架构富、更立体和更全面的体育新体验。3.1用户界面要求及场馆设计路线2教学平台设计思路设计一个简洁、直观的用户界面，其中包括菜单栏、工具为满足大学乒乓球教学课堂的教学需求，首先对虚拟现栏、场景切换按钮等，方便用户进行操作。虚拟运动场馆的课实的教学环境进行宏观的框架平台系统设计设想，其中包括：程顺序路径设计符合教学大纲的标准要求，在前进线路设计中设计需求分析、建模的技术方案、平台模板的整体架构、界面设设置一些照明手段和标志物，以供学习者在整个虚拟场景体验计、数字库设计等。根据师生教学过程中课堂需求将平台模板期间能够获得最佳的沉浸式体验效果，球馆设计路线如下图2的整体设计融人体育思政的教育资源包、导入基本的教学课所示。程、数字媒体可视化、课堂知识问答互动环节、师生评教评分等管理功能,如图1 10 1 所示。1111111111111L2.1设计需求分析根据Unity3D官网提供的展馆素材获得较为完整的运动场馆模型，再结合素材图片来进行贴图建模。在制作完成模型后，进行虚拟场景和交互功能的制作，完成后保存为exe运行文件 1,并在2 0 2 1.3.15flcl版本的UnityHub中通过文件Demo完整地展示大学乒乓球虚拟课堂平台设计。运动场馆需要考虑展示学校体育馆规模、风格和运动容纳人数等因素 12 。场馆必须能够提供良好的展示效果,如充足的自然光照、氛围营造、标识以及安全性等。在考虑课堂流程设计时，应确定课堂流程的步骤、展示编排的顺序和位置，以达到最佳的体验效果。除了场馆本身的设计，还需要考虑学生在学习过程中的课程体验,场馆设计需要借助各种手段来吸引学生，例如：适当设置移动走廊空间，让学生有时间思考知识点、提供语音介绍和图解等有用信息、利用不同的展示技巧和安排方式来增强学习的乐趣。在运动场馆的管理与运营方面，还包括预算编制、场地投人、材料采购、人员安排以及广告推广等,还需要根据体验者的需求提供站点管理，定制参观路线和讲解计划以及提供翻译服务。2.2功能需求规划基于上述设计需求分析，对运动场馆的设计与实现功能111体育项目选择。教学内容选择。导入技术视频视频导入电脑触控一体机沉浸式观影了解体育历史一身临比赛场景、进行爱国教育学生回顾答脑教师总结归纳图1VR技术教学课堂设计流程学生需求选择。自主选择教学模设计动作路径块加强练习选择运动场景，VR自主探索1手杆模范练习思考学习任务。11加入体育游戏记录学习时长，教学体验互动。反馈学习效果，111学生进入任务模1块完成作业。反思与提高11111111图2 球馆设计路线3.2场馆场景制作流程3.2.1模型的设计展示台：创建一个新场景，在顶部菜单中选择“File”-“New”来创建新项目，然后设置大小和单位。确定场景的大小和测量单位能够更好地控制模型的大小关系。选择合适的面板。3dsMax提供了许多不同的面板，包括“Create”“Modify”以及“Rendering”等。根据需要选择最合适的面板，并将其固定在UI 界面中。开始建立台子模型的基础形状。这里可以选择任何一种形状（如盒子或球体）作为起点，接着从左侧面板栏中选择多边形并逐渐调整展示台的尺寸和外观。对模型进行修改。调整每个面的位置、角度和比例,直到得到满意的结果。认真检查模型上的细节。检查是否有未关闭的面，检查是否有不必要的三角形、多边形和数字化排列形状，完成模型后将其导出。通过选择“File”“Ex p o r t ,选择存储类型并保存文件至指定路径,并利用其他工具调整对象。如果对展架设计进行进一步优化，可以使用现代建模工具如布林操作、板式独立等技术进行更高级的编辑，效果如图3所示。图3模型材质选择体育科技文献通报第31卷第11期2023年11月153学校体育XUEXIAOTIYU玻璃材质则需要调整设置玻璃的基本属性,需要调整透明度、反射、折射等参数，以使其看起来更具现实感，如：设置折射率为1.5、反射值：0.5、透明度：0.8 等。如果想添加Bump纹理,则在左侧的“Maps”菜单下找到“Bump标签并添加该材质,通过调整“Amount”值来控制玻璃表面的凹凸不平。为开放的曲面创建UVW贴图（瓦片材质），这样就能够将纹理精确地贴在每个面上。在左侧的网格视口下方选择合适的纹理文件，然后将其拖到视图上。如果没有足够的纹理，可以选择“Material Editor面板下的“Bitmap进行纹理准备。使用3dsMax制作场馆内外部框架。创建一个新场景，在顶部菜单中选择“File”-“New来创建新项目，然后设置大小和单位。确定场景的大小和测量单位能够更好地控制模型的大小关系,在左侧面板栏中选择“Box或者“Cylinder,用基本图形建立基本的外形。对模型进行修改则将模型拉升至合适的比例，并在各个面板上微调形状以达到想要的效果。选择展示台模型,进人“EditPoly模式,在菜单栏中选择“Tools”，然后选择“Smooth进行平滑。打开Material Editor面板，在其中添加材质（如3dsMax内置材质库），之后选择所需的颜色并应用于相框模型。为相框加上画布纹理。在左侧菜单栏下面选择 UVWMap并且在“Coordinate Mapping”下选择“Planar”的方式。接着,选择“Bitmap贴图,并将其作为“Diffuse color”来添加到材质中。最后在“UVW Map”中为纹理进行染。调整细节。根据需要可以在“MaterialEditor”里面使用特殊的纹理，如“bumpmap”和“displacementmap”改善相框细节效果。完成后在染前调整材质、光源等设置，最后进行染。之后保存为Fbx文件格式，如图4显示场馆外围效果图，导入UnityHub之后贴上素材后效果如图5所示。个模型素材后在UnityHub中进行摆放如下图6 所示。图6 素材摆放3D俯瞰效果图3.2.3场馆灯光的设置运动场馆要保证足够的光源来展示最佳的视觉效果，使用不同色温和强大的灯光，以此保证虚拟中的体育课程光线接近现实中的运动场所所需，灯光设置如图7 所示。5030scaleTyDelasNearPlan5izeDraw.HaleFiareRendarModeCill图7 灯光设置相关系数3.3用户互动设计3.3.1添加地形通过创建具有纹理和细节的地形，可以提高运动场景的真实感和生动性，添加地形可以让更好地呈现这种效果，如图8所示。PolitiorRotatiotUsQualty.selone(F图4场馆外围效果图图8 场馆地形纹理效果图3.3.2第一人称设置福图5Unity3D视觉效果图3.2.2场馆的布局创建乒乓球桌、场地边界等场景元素，实现第一人称的用户与虚拟环境的交互，如击打虚拟乒乓球、移动虚拟人物等。场景管理模块中负责场景的加载、切换、煊染等功能，导人若干154BULLETINOFSPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.11.2023在Unity3D中实现第一人称视角可以使用摄像机来构建。创建一个空游戏对象,并将其命名为“Player”。创建一个子对象,将其命名为“Main Camera”将其附加到“Player”物体并将其调整到适当的位置（一般放在物体前方一定距离）。给“Main Camera”添加第一人称控制脚本。在搜索框中输人“FirstPersonControllerAsset”并添加第一人称控制器资源，或者编写自己的第一人称控制脚本。对于自定义脚本，可以在该脚本上添加以下代码片段：学校体育XUEXIAOTIYUpublic class FirstPersonCamera:MonoBehaviourpublic Transform target;/目标角色public Transform player;public float sensitivity=2.Of;private Vector2 currentRotation;void Update()/计算摄像头旋转float mouse_x=Input.GetAxis(“Mouse X)*sensitivity;float mouse_y=Input.GetAxis(Mouse Y)*sensitivity;currentRotation.x-=mouse_x;currentRotation.y-=mouse_y;/限制摄像机旋转范围currentRotation.y=Mathf.Clamp(currentRotation.y,-90,90);/应用摄像机旋转transform.localRotation(currentRotation.y,0,0);player.rotation=Quaternion.Euler(O,currentRotation.X,0)；完成以上脚本后,将控制器附加到“Main Camera对象,并确保在场景中的“Player”对象上设置正确的重力和速度以便与物体交互。如图9所示。VPlayer._FPs标UntaggedTransform位置旋转缩放:CharacterController斜度限制45每步偏移量0.3蒙皮宽度0.08最小移动距离0.001中心半径高度VPlayerCharacterControllerPlayerCamera脚本GravityDown ForceMaxSpeedOn Groune8MoveSharpness OnG15Camera HeightRatio0.9Rotation Speed20011Player InputHandleLook Sensitivity图9设置重力和速度参数值3.3.3相机跟随设置在Unity中,可以使用以下基本步骤来实现相机的跟随：创建一个空对象，并将其设置为主要的角色或对象，将摄像机放置到角色方向后面，距离适中，保证视野能够看到区域内的事物。在空对象上添加脚本。这个脚本将负责使相机始终位于角色的背后并跟随其运动。脚本必须从Update（）函数中获取角色的位置和旋转值,并使相机随着它们做出相应的移动和旋转。以下代码示例演示如何使摄像机随角色一起移动：public class CameraFollow:MonoBehaviourvoid Update()transform.position=new Vector3（t a r g e t.p o s i t i o n.X,transform.position.y,target.position.z-10);/相机跟随角色运动transform.LookAt（t a r g e t.p o s i t i o n）;/保持相机始终朝向目标Update（）函数不断跟踪目标角色位置,然后计算出相机的新位置,摄像机被朝向角色所在的位置。在场景中为相机附加“Camera Follow”脚本，并与字符相关联,如图10 所示。VRCamera静态的标签Untagged图层Default人Transform=Quaternion.静态的图层Default70.14-0.17X-18051Y0.51.8DPlaverCharacterControllerCenterEyeAnchor(Camera)20（脚本）DPlaverinputHandle添加组件Euler21.84Z（脚本）位置旋转缩放VRInput（脚本）脚本DvRInputDoubleClickTime0.3SwipeWidth0.3添加组件图10 相机跟随设置参数值3.3.4场景概况基于上述已完成以下的基本设计,其中包括：场景主题：描述该环境所表达的情感色彩和氛围等基本信息和特点，如图11所示。地图区域：刻画整个课程的物理边界,并给出各个区域之间的联系和共性,环境设计中出现的重要设施、地标建筑和可供探索的课程知识。第一人称：利用代码完成第一人称视觉及漫游。音乐和声音：包括BGM和配音录音等基本信息。如图11所示。光线和环境效果：包括天气情况、温度、时间和照明等环境效果。总体漫游效果如图1315所示。ReflectionProbeProbe类型剧新模式时间切片运行时设置重要性强度盒投影混合距离盒大小盒偏移立方体贴图播提设置分辨512HDR阴影距离Reflection Probe图11场景主题体育科技文献通报155第31卷第11期2023年11月X0X0X1小实时EveryframeAllfacesatonceX50X10000：Y50Z504系统测试与评估2Mural9学校体育XUEXIAOTIYUImportedObject菁景音乐1(Audio.Clip)序317376.169318409.极满蓝色项目进行打包后进入测试阶段，如图16 所示。Build SeingsBuild中的场誉Scenes/MainScene平台Windows,Mac.,LinuxDedicated ServerAndroidOSiOSFaP54霄景音乐100:0512贺豪音乐1orbis4410oRz/Stereol02:0T175AssetBundle96594625901Z添加已打开场wWindows.Mac,Linux目标平台维制PDB文件建Vsual Studio解决方*开发构调压煌方法5WnbGt资产导入丽盖最大纹理尺寸纹理压细NoneWindowsIntel:64.位工航Unity生感生成构建和运行图12 背景音乐Welcome to the Virtual Reality Table TennisClassroomExperienceHall欢迎来到大学乒乓球虚拟课堂开始游览虚拟课堂介绍图13总体虚拟漫游效果图首页操作说明返回图14总体虚拟漫游效果图场馆北面DimplNyT-FuuHD(TO操作说明返回Mhhiihhh图15总体虚拟漫游效果图南面156BULLETINOFSPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.11.2023图16 运行及测试页面4.1系统性能与用户体验的测试基于Unity的虚拟全景漫游,可以通过以下方式对系统性能和用户体验进行测试：功能测试：测试各个功能是否可以正常运行。兼容性测试：在不同硬件平台、不同操作系统、不同分辨率、不同浏览器、不同语言等多种条件下，确保软件的兼容性。例如，针对VR头盔设备的兼容性测试。4.2通过用户反馈进行改进和优化收集并分析用户反馈非常重要，这有助于识别潜在问题退出程序并及时解决，从而优化系统功能和提高用户满意度。用户调查：设计一份问卷并向用户发放，以了解他们的用户体验、喜好和期望。例如，询问用户对导览地图易用性或关于展品信息呈现方式的修改建议等。反馈表单：在应用程序中加人反馈表单,勾选所遇到的问题类型,用户对需要改进或增强的内容进行可视化说明与叙述。这一过程能够扫描不同分类标记下的反馈信息,并给到官方开发者详细参考。根据收到的用户反馈：增强功能：根据用户期望加入新的功能或优化现有功能，如个性化设置、更友善的导航以及展品的图文多元素等。界面调整：根据用户反馈给出统一的大众手册，通过调整布局设计、字体大小、成分位置等改善程序界了解更多面的易用性，使其更容易被用户接受和使用。知识竞赛5结论与展望随着VR、A R 等技术的不断发展,虚拟现实（VR)技术变得越来越成熟,基于Unity3D开发的乒乓球教学平台虚拟全景漫游应用能真正实现线上教学中学习者与虚拟场景的交互。未来将此虚拟现实技术引人到不同体育项目课堂中，在不受时间和空间限制下,更加完善体育课程教学内容及大纲，也为其他体育项目虚拟现实教学平台的开发提供积极的引领和借鉴。参考文献：1王佳茵.高校体育教学信息化建设与管理的实施策略研究 J.教育理论与实践,2 0 2 0,40（0 6）：6 2-6 4.2雷敏.我国大学体育课程信息化建设现状分析 J.体育学刊，2017,24(03):101-105.了解更多3苏昕.虚拟现实中的身体与技术 D.中国科学技术大学,2 0 2 1.知识竞赛4张庆新.基于项目特性创设真实情境的高中体育课堂教学 J.中国学校体育,2 0 17(11)：30-32.5黄正，张成云.数字时代下虚拟现实技术在高职院校体育课程中的应用研究 J.体育科技文献通报，2 0 2 2,30（0 9）：16 6 17 0.学校体育XUEXIAOTIYU6左德遥,高峰.一种VR/AR红色文化虚拟仿真教育系统设计与系统研究 J.系统仿真学报,2 0 2 1,33（0 6）：1334-1341.实现 J.计算机时代,2 0 2 2(0 2）：6 6-6 8+7 9.10黄正，张成云.数字时代下虚拟现实技术在高职院校体育课程中7管练武,丛晓丹,张庆，等.基于微惯性与Unity3D的室内滑雪教学与训练可视化系统设计 J.实验技术与管理，2 0 2 1.10（0 38）：152-156.8茅洁.Kinect体感技术在游泳项目中的应用研究 J.体育文化导刊,2 0 16(0 6):10 0 10 3+157.9侯守明，葛倩,刘彦彦.基于MAR的非物质文化遗产数字化保护的应用研究 J.体育科技文献通报,2 0 2 2,30（0 9)：16 7.11 曹海龙，杨晓波.基于3dsMax和VRP的数字博物馆虚拟漫游系统设计与实现 J.甘肃科技纵横，2 0 17,46（0 3）：4-7.12王银.基于Unity3D的VR艺术馆的设计与实现 J.信息与电脑（理论版）,2 0 19,31(17)：54-56.(上接第151页)4.2非投掷臂的引收练习教学中忽视非投掷臂的重要作用直接导致非投掷的练习手段极其匮乏。非投掷臂练习手段（见图11-图13）是以直立物体（树、电线杆等）为标志物，客观合理的原地推铅球站位为基础。练习非投掷臂的“引”，“引”的程度应以标志物的中心为限即肘关节的方向应与投掷方向成一直线，然后以肩关节为轴屈肘做“收”,同时非投掷臂直接出手推向标志物（收、推动作的连续性）。重点强化非投掷臂的“引”“收”动作，配合下肢的转协同身体共同用力。图11原地推铅球站位图12 非投掷臂引臂练习图13非投掷臂的收臂练习以及投掷臂的推球练习5结论5.1客观合理的原地推铅球站位是动力脚与投掷方向垂直，双脚与骨盆大小同宽错位站立形成与投掷方向30 的斜向站立，上体呈一定弯曲弧度的背向投掷方向，其符合人体解剖学与动力学特点，能够最大限度发挥下肢力量，实现增加器械飞行远度的根本目标。5.2铅球推力方向是由身体自然转动和推铅球时手与肩横轴的角度共同决定的，合理的推力方向是保证最后铅球直线性的基础。推铅球时手与肩横轴的角度是实现铅球运行轨迹保持直线的必备要素，同时能够最大的满足球与力的运行方向保持一致实现最大的有效做功距离获得最大速度和适宜高度。5.3在实际教学中,由于教师对于非投掷臂作用的忽视导致学生出现了非投掷臂的“随意性”引导，最终直接影响着铅球整体力的传输。非投掷臂在整个推铅球过程中起着传导力的重要作用对铅球整体的影响极大，掌握好非投掷臂的技术能够协调全身力的传导，身体用力的向前、向上会充分体现。5.4铅球技术教学中直线推球效果的缺失直接影响着最后力作用于器械的有效距离，教师应强化铅球的“自然转动的直线推球”，而非以追求直线推球而进行的“刻意直线推球”，只有采用合理有效的方法才能充分追求铅球的向前性原则。5.5直线推铅球技术理论即肩、髋、膝、踝和铅球出手后的运行轨迹五者最后成一直线用力。参考文献：1谭建共,田峰.最后用力阶段非投掷臂摆动特征对铅球技术的影响 J.西安体育学院学报,2 0 0 2,0 3:9 0 9 2.2房志慧.非投掷臂技术在最后用力中的重要作用 J.体育科技，1995,03:7.-9.3苏小远，韩江.铅球用力过程中的左侧技术分析 J.体育研究.1992(2):5 17.4骆建.田径理论与实践中的传统与现代观 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