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摘要：通过文献资料、专家访谈和软件开发法，参考相关研究结果基础上运用运动生物力学、运动解剖学和运动训练学等交叉学科理论知识分析立定跳远规范动作、做功肌群以及训练方法。在总结立定跳远各技术环节中起跳角度、关节角度等关键数据基础上通过仿真技术准确地构建人体骨骼与骨骼肌3D仿真模型、立定跳远完整与分解动作3D仿真动画、立定跳远规范动作及视频对比、下肢力量分层体感打卡训练。结果显示：基于运动生物力学和人体解剖学研究成果确立的立定跳远规范动作及练习方法，对做功肌群准确判断与有效发展创造条件。系统集学习、操作和评价三位一体，在运行与使用上具有良好功能性、稳定性和应用效益，不仅有助提高立定跳远动作质量和成绩，同时可以发展腿部肌群力量素质和养成运动打卡习惯，为构建多样化、高质量、现代化大学体育课程教学提供参考。

关键词：立定跳远;规范动作;仿真教学;体感打卡

文献识别码：A  文章编号：2790—9913 （ 2022 ） 06-0049-059

DOI：https：//dx.doi.org/ 10. 12397/tyjypl-.2023. 03.007

Research on the construction of simulation teaching and training system for standardized movements of standing long jump

Yang Renwei1Xie Silian2Zhang Zuolong3

（ Shanghai University of Finance and Economics of Zhejiang College， Jinhua， Zhejiang 321013， Physical Education）

Abstract： Through literature， expert interview and software development method， the cross-disciplinary theoretical knowledge of sports biomechanics， sports anatomy and sports training is applied to analyze the standardized movements， the working muscle groups and training methods of standing long jump with reference to relevant research results. Based on the summary of key data such as jumping angle and joint angle in each technical aspect of standing long jump， the 3D simulation model of human skeleton and skeletal muscle， 3D simulation animation of complete and decomposed movements of standing long jump， standardized movements of standing long jump and video comparison， and layered somatic punch card training of lower limb strength are accurately constructed through simulation technology. The results show that the standardized movements and practice methods of standing long jump established based on the research results of sports biomechanics and human anatomy create conditions for accurate judgment and effective development of doing muscle groups.The system integrates learning， operation and evaluation， and has good functionality， stability and application benefits in operation and use. It not only helps to improve the quality and performance of standing long jump movements， but also develops the strength quality of leg muscle groups and develops the exercise punch card habit， which provides a reference for building a diversified， high-quality and modern university physical education curriculum.

Keywords： Standing long jump;Standardized movements; Simulation teaching;Physical punch card

立定跳远是人体基本运动形式之一，是掌握复合运动技术基础，是发展下肢爆发力、快速力量、协调性常用练习手段。2020年10月国务院办公厅印发《新时代全面加强和改进新时代学校体育工作意见》指出要强化学校体育教学训练，指导学生掌握跑、跳、投等基本运动技能。《中国教育现代化2035》提倡“智能学习空间和学习体验”，要创新教育教学方式，推行场景式、体验式、沉浸式学习，指导学生科学锻炼[1]。当前我国青少年立定跳远成绩整体处于及格水平，教学方法上仍多采用灌输式教法，项目健身原理和技术动作力学分析不透彻[2]。本研究对国内外虚拟仿真实验教学应用研究进行梳理，明确立定跳远仿真实验教学与训练需求、开发策略和思路，运用立定跳远四个技术环节中运动生物力学研究成果数据，使用软件开发法构建人体骨骼与骨骼肌3D仿真模型、立定跳远完整与分解动作3D仿真动画、立定跳远规范动作及视频对比、下肢力量训练与体感打卡。虚拟仿真实验教学是顺应时代发展和教育现代化发展需要，利用沉浸性、探索性和交互性实验教学新型式助力青少年体育健康促进研究具有重要意义。

1 研究方法

1.1文献资料法

本研究通过中国知网、百度学术等文献数据库，以“立定跳远、立定跳远动力学分析、虚拟仿真、爆发力训练”进行了检索与整理，以了解国内外关于立定跳远动作特征与力学分析以及虚拟仿真实验教学的开发应用现状，为本研究提供理论依据和参考。

2.2软件开发法

本研究在系统设计与开发现环节运用该研究方法，通过使用3D Studio Max、Unity 3D 等虚拟仿真设计软件完成对实验教学资源的建模与整合，再通过数据库技术和运行脚本文件实现学习者与立定跳远规范动作仿真教学训练环境交互。

2.3专家访谈法

在研究过程中，针对研究中具体问题对体育教学专家以及软件工程师进行访谈，内容包括虚拟仿真技术应用于体育实验教学前景探讨、体育虚拟仿真实验教学项目内容与功能、立定跳远仿真教学体感打卡训练应用等，并对访谈结果进行分析、归纳和总结，使项目建设更符合体育实验教学特点与要求。

3 研究结果

3.1立定跳远规范动作及训练

立定跳远是提升人体下肢爆发力和弹跳水平以技能为主导传统运动项目，要求髋部及下肢肌群在上肢摆动助力协调配合下克服自身体重跳跃到远距离的运动，对发展臀腿肌群、韧带、关节、小腿以及脚掌等小肌群力量有着较大锻炼价值。

3.1.1 立定跳远规范动作概念

立定跳远是由双脚原地起跳、腾空后收腹举腿和积极快速伸小腿落地等一系列连续动作组成[3]。分预摆下蹲、起跳展体、腾空收腹、落地缓冲四个环节。预摆下蹲要领：两脚左右开立与肩同宽，前摆时两腿伸直提踵；后摆时屈膝降低重心上体稍前倾，手尽量往后摆。预摆下蹲动作是立定跳远起始动作，此时髋、膝、踝三关节角度逐渐减小做缓冲退让动作，目的更好地使拉长肌肉进行后继性收缩，将弹性势能转化为后继动作动能，为蹬伸取得适宜垂直和水平速度做准备。起跳展体要领：两脚快速用力蹬地同时两臂由后往前上方摆动。躯干应充分伸展至踝、膝、肩三关节处于一条直线。要求下肢各关节积极伸展给地面施以作用力同时产生反作用力从而使人蹬离地面。腾空收腹要领：整个身腾起并充分伸展之后开始屈髋屈膝以延长空中停留时间，为落地缓冲做好充分准备。落地缓冲要领：落地前应尽量收腹举腿，同时手臂由上快速向下向后摆动。运动过程为脚掌落地瞬间至膝关节最大缓冲。合理的关节角度和落地角在落地环节中具有维持身体平衡作用，避免前扑或后倒发生。

3.1.2 立定跳远各环节生物力学分析

立定跳远技术四个环节中预摆下蹲为能量储备阶段，起跳展体为能量释放阶段，腾空收腹为能量控制阶段，落地缓冲为能量结束阶段。韩静等人在不同蹬地角立定跳远的运动学和动力学对比研究表明起跳时起跳角度增大或减小将影响起跳时水平速度和垂直高度[4]。Masaki Wakai，Nicholas P通过实验得出起跳角度在19～27°时能够促进动量距向全身移动，增大起跳速度和高度[5]。徐立峰在对立定跳远技术动作进行运动学分析得出影响立定跳远技能水平主要运动学参数有下肢关节活动幅度、蹬伸和落地时关节角速度、起跳角度和落地角度等[6]。Blake等对肢体摆动幅度设定了严格控制组与不摆动组，研究发现摆动组跳远远度超过不摆动组21.2%[7]。Milan Coh.et.al.根据生物力学理论分析得出当膝关节角度在90°左右时动作姿态符合力学原理、起跳速度和腾空高度较为理想[8]。王宏达针对立定跳远起跳时大小腿夹角对成绩影响进行对比研究发现起跳时站位接近90°好于起跳时站位接近135°成绩[9]。张轩运用运动生物力学理论通过实验法测量出立定跳远各技术环节中合理关节角度[10]。

综合现有研究成果提出四个环节中规范动作关节角度：（1）预摆下蹲环节中当踝关节在116.98±6.63°、膝关节在140.56±5.64°、髋关节在155.95±4.08°时能有效将肌张力转化为动能存贮为起跳蹬伸发力奠定基础，见图1（a）；（2）起跳展体环节中手臂前摆角度应大于150°，蹬伸力最大力值与膝关节角度呈正比， 膝关节在135-150°间达到最大值。当髋关节在183.8±6.7°、膝关节在140.8±26.1°、踝关节在157.4±15.3°时身体腾空姿态较为理想。当起跳角度为20-40°时起跳垂直速度和水平速度将达到最大值，见图1（b）；（3）腾空收腹环节中当髋关节在115.1±18.9°、膝关节在138.6±44.7°、踝角度在115.6±9.2°时关节角速度将达到最大值。关节角度大小会影响身体总体转动惯量大小，在转动半径下肢长度一定情况下，增大人体屈髋前摆角速度从而增大前摆幅度，见图1（c）；（4）落地缓冲环节中落地角度在64-71°为宜，当踝关节在79.3±20.1°、膝关节在120.9±12.7°、髋关节在89.2±21.5°时，能使下肢各关节和肌群被迫拉长做退让性工作，从而减小外力对关节和肌肉造成的伤害以及维持身体平衡，具体见图1（d）。

3.1.3 立定跳远各环节做功肌群理论分析

根据肌肉在同一动作中作用不同可将其区分为原动肌、对抗肌、固定肌和中和肌。王文洋运用解剖学知识分析了参与立定跳远起跳蹬伸技术与收腹举腿技术的原动肌[11]。Scoot J.， Blaek根据实验研究发现在立定跳远运动过程中股二头肌、股外侧肌和股内侧肌是一组对抗肌并指出股四头肌在运动过程中机电活动最强[12]。代丹对参与立定跳远技术动作相关肌群和练习手段进行探究，认为参与立定跳远技术动作相关肌群分为上肢肌群、躯干肌群、下肢肌群[13]。罗志全认为参与立定跳远工作肌群主要由臀大肌、股二头肌、股四头肌、小腿后部深层肌群、髂腰肌、腹直肌等组成[14]。在立定跳远训练中除了掌握合理技术动作之外，还要有目的去发展技术动作所需要肌肉快速力量，具体见表1。

3.1.4 立定跳远教学与训练方法研究

传统爆发力训练更多强调肌肉向心收缩，在较短期训练后提升爆发力更多来自神经肌肉运动单位活动同步性和一致性，如 Van Cutsem，Duchatea等人研究认为肌肉爆发性收缩增加主要归功于运动单位同步性［15］。训练方式主要有高强度间歇训练、轻负重快速肌力训练、重复冲刺跑训练等，这些更加强调肌肉向心收缩机制训练方式常被用于提升下肢爆发力［16］。随着肌力与体能实践发展和研究深入，增强式训练（国内称为超等长训练、快速伸缩复合训练）借助中枢神经系统对被快速伸张的肌梭做出反射性快速肌肉收缩机制，由下肢着地缓冲接快速起跳，使主动肌群完成由离心收缩向向心收缩转换过程利用肌肉牵张反射作用，使身体反射性爆发出更大力量去实现离心收缩至向心收缩快速、有效、平稳衔接。已有研究证实增强式训练对提升肌肉爆发力具有显著作用［17-18］。学校体育教学实践和理论研究工作者对立定跳远也进行了大量理论研究。张四清运用重复练习、竞赛、循环练习等教学方法进行教学同时运用挂图和视频辅助教学，在大脑中建立运动表象从而提高教学效果[19]。亓加周运用重复练习、持续练习和纠错法进行教学并分析重复练习在泛化阶段作用是建立条件反射[20]。杨明烨提出可以通过重复预摆训练、连续性多级蛙跳训练、深蹲起训练、纵跳摸高训练和障碍跳跃训练动作8～12次，每次3～5组，组间休息30-60秒规范立定跳远动作技术和提升成绩[21]。以上研究在揭示提高立定跳远成绩方法同时达到发展学生身体素质，具有一定参考价值。

3.2 虚拟仿真技术与体育教学训练

虚拟仿真是以计算机技术为核心生成具有视、听、触等多种感知模拟情景的一种集成了计算机图形、多媒体技术、人工智能等多个领域综合性信息技术[22]。随着国家《中国教育现代化2035》等系列政策和文件出台，以虚拟仿真实验教学项目为代表“金课”工程成为高等教育重要工作，体育虚拟仿真实验教学项目建设也进入了快速发展阶段。

3.2.1虚拟仿真技术与仿真实验教学

美国是最早研究虚拟仿真技术国家之一并率先将虚拟仿真技术应用于高等教育国家，美国国立医学图书馆运用仿真技术制作人体标本模型并通过虚拟成像方式实现了医护人员实习培训沉浸式学习体验；美国耶鲁大学创建了生物学领域虚拟实验室，学生通过移动平板电脑完成实验，开创了移动式虚拟交互实验先河。Hoffman在2014年使用虚拟对手进行虚拟障碍跑训练，通过对速度、步数、决策等能力评定，发现虚拟训练能够提高训练者决策能力并提升运动成绩[23]；虚拟仿真实验教学是借由虚拟仿真技术构建实验教学情景和任务，使学习者在虚拟化实验教学情景中进行沉浸性、探索性和交互性实验教学新型式[24]。通过仿真技术将真实环境内教学实验设备、仪器、环境等还原到虚拟世界之中，按照实验教学环节与流程进行一定逻辑规律归类与设计，借助交互手段和网络技术构建出虚拟化、可共享实验教学情景。

3.2.2 体育虚拟仿真实验教学

教学方法依次经历了由“以教为主”到“以认知为主”再到“以学为主”变迁，“以学为主”源自建构主义理论，强调教学过程是学习者充分调用教学情景中工具或资源，通过个人行为构建自我认知和理解。实验教学是集知识、能力与实践三位一体教学活动，与理论教学具有同等教学地位，体育实验教学培养学生具备解决人体科学问题实践能力和决策能力教学活动，通过实验互动等形式降低认知负荷、尊重认知规律，同时重点培养复杂问题解决能力和高阶思维能力，实现知识与实践技能并行培养[25]。依靠智能化教学设备，更多教学情景和教学任务可以被创建，从而激发学习者学习动机使其自发地进行探索式、个性化以及协作式学习。有学者指出虚拟仿真技术在体育教学应用本质是一种不受物理因素限制智能分布式交互教学，将虚拟仿真技术应用在大学体育专项课程能够突破传统课堂教学方式和其教学方式限制[26]；虚拟仿真技术在运动人体解剖教学中也得到了一定应用并取得良好反馈[27]。北京体育大学利用 Kinetic系统和3D Studio Max建模平台建立虚拟仿真教学环境以及运动技术的三维展示模型，使得运动技术展示可以实时控制、多角度观察等操作提高了实验教学效益[28]。当前虚拟仿真技术在体育教育训练中取得了理论与实践层面成果，研究者普遍认为虚拟仿真技术能够突破传统体育教育训练时空限制，提高教育与训练多方面综合效益[29]。紧随教育信息化改革浪潮，建立 3D 人体运动技术动作素材库，直观展现动作技术要点，增强交互性，突破传统体育教学模式，可以提高体育教学的安全性、系统性、科学性，实现虚实结合、优化认知和综合应用。

3.3 立定跳远规范动作仿真教学与训练系统设计

通过虚拟仿真技术于体育教学方面应用，打破时空以及资源上限制，提高教学效率，满足教学现代化多元需求，形成一种智能化、分布式、交互式、图文并茂教学手段。

3.3.1 人体骨骼＋骨骼肌3D模型仿真

原动肌及其工作参数状态是腿部力量训练动作设计的核心要素。了解人体结构和训练的使用是开展腿部力量训练的基础，任何力量训练的动作设计都需具备关节、肌肉等人体结构知识。通过“骨骼＋骨骼肌”三维仿真模型与3D动画对专项力量训练动作的原动肌及其工作状态参数进行可视化处理，以实现原动肌的正确判断与其工作状态参数的精准确定。主要有以下三个方面仿真设计：

（1）立定跳远规范动作3D仿真。立定跳远规范动作3D动画是基于静态的三维建模基础上，连续播放立定跳远运动动作时空序列的静态模型而形成的动态画面。这种360度动态的展现形式可以让学生更好的了解训练动作的空间结构变化，有利于加深学习记忆与增强学习兴趣。

（2）肌肉功能的着色仿真。肌肉功能准确分辨是原动肌正确判断的前提，而任何专项动作中人体任一运动链的任一关节处都拥有承担不同角色任务的许多肌肉。为了准确区分错综复杂的肌肉功能，项目采用软件着色技术分别用红绿两种颜色标识所有仿真图片与3D动画中的原动肌与对抗肌，这种生动形象处理方式可以提高学习兴趣与记忆效果。

（3）肌肉收缩舒张的形态仿真。肌肉的起止端的附着点是固定的，但在运动过程中总是伴随附着点相对位置的变化，即肌肉长度是会发生变化的。肌肉收缩舒张的形态仿真就是在三维建模的基础上，通过不断调整相关参数，模拟出肌肉收缩肌肉变短变粗与肌肉舒张肌肉变长变细的形态变化，这种肌肉形态变化仿真可以让学生直观形象认识肌肉工作的形态特征，进而提升学生的学习效果。

3.3.2系统功能内容和结构

立定跳远规范动作的仿真教学训练平台设置了预习、演示、学习、考核4个系统。主要有四大功能模块：人体骨骼与骨骼肌3D模型、立定跳远完整与分解动作3D动画、立定跳远规范动作及测试标准、下肢力量训练与体感打卡。在仿真实验教学平台选择其中任意一个系统进行虚拟仿真实验内容观看及交互式虚拟实验操作。（一）预习系统：设置有实验目的、实验原理、操作步骤、注意事项等。（二）演示系统：实验全过程规范操作的录像，便于学生快速地从整体上了解实验内容。（三）学习系统：主要有六大知识点：（1）关节运动形式；（2）关节运动角度；（3）肌肉协作关系；（4）原动肌工作性质与工作条件；（5）骨骼肌损伤与预防；（6）人体运动力的产生与传递。（四）考核系统：分为测试题库和体感打卡。测试题库主要围绕实验步骤或关键知识点设置一些考题，可以设置选择、填空或判断题型，考核结束后系统会自动给出分数。体感打卡则根据学生立定跳远成绩水平设置初级、提高和高级组体感打卡训练。考核评价指标主要包括线上虚拟实验操作30%、自主训练设计20%、测试考核成绩20%、线下自主训练完成情况30%。具体见图3。

4.研究结论

（1） 应对“互联网+”时代冲击，体育课程建设要做到超前识变、积极应变和主动求变。体育虚拟仿真实验教学项目应选择具有实践性、综合性和探索性实验内容，设计应凸显“导向性、规范性、易用性”，并按“认知-实践-探索”流程进行功能模块设计。立定跳远仿真教学训练项目强调知识综合性和学科交叉性，在形式上体现“虚实结合，突出重点”，方法上服务“凸显体育、优化认知”，内容上强调“创新驱动、综合运用”。

（2） 软件采用 B/S+C/S混合结构，开发工具为 Unity 3D引擎和3D Studio Max建模软件，数据库采用 MySQL 数据库系统。学生可使用学校的计算机及个人计算机、手机、PAD等设备，在校园网络环境下完成实验。选用主流开发环境，确保项目系统集学习、操作和评价三位一体的完整运行，系统在运行与使用上具有良好功能性、稳定性和应用效益。

（3） 本系统在“大学体育课程”公众号“仿真教学”菜单链接进入，在手机微信上即可完成学习，免下载、免注册、免安装，方便学生使用。发挥教师主导作用同时体现学生学习过程中主体地位，重视实验过程性评价，增强教学过程趣味性，从而提升学习积极性和主动性。研究以较完整项目成果形式呈现且能够直观地展示并兼具良好互动效果，能为今后体育虚拟仿真实验教学进一步设计与研发提供范例与借鉴。

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基金项目：浙江省高等教育学会研究课题“虚拟仿真教学法对立定跳远提升锻炼绩效的实证研究”。

作者简介：1.杨仁伟（1982.6—），硕士，副教授。主要研究方向：体育教学与训练

2.谢仕莲（1995-），硕士，讲师。主要研究方向：体育教学

3.张作龙 （1995-），硕士， 讲师。主要研究方向：体育数据统计