实验简介：
进入新时代，习近平总书记高度重视人民群众的身体健康，将全民健身作为全面建成小康社会的重要内涵，上升到国家战略的新高度。当前，全国各地牢固树立“绿水青山就是金山银山”发展理念，随着新时代美丽中国城市建设和全民健身国家战略的深入推进，城市路径健身运动已成为促进全民健康的重要方式。
然而，健身行为要想兼顾有效性和安全性，需要专业的指导。为城市健身人群提供城市路径健身指导是体育教育、运动训练、运动人体科学、社会体育、运动康复等各专业学生共同的责任。南京体育学院积极响应社会对新型体育人才的需求，将城市路径健身指导纳入到运动生理学课程的实验教学，要求学生在学习运动生理学基础理论和实验方法的基础上，通过反复实验，具备独立进行健身指导的能力。
然而，城市路径健身指导的实验教学存在以下困难：
第一、实验对象层次众多，配置资源多、实验成本高，特别是学生之间相互实验存在受试者过于同质化的现象，很难遇到罹患冠心病、高血压等慢病的受试者；
第二、实验过程中外界干扰因素众多，风险把控、实时监测水平较低，实验危险系数大，如果在现实实验中以上述慢病患者为实验对象需要承担巨大风险；
第三、真实场景运动环境具备随机性，现实实验场地缺乏多样化，尤其难以进行反复、对比实验。
针对以上问题，运动生理学教学团队以相关科研和教学成果为基础，自主研发了城市路径健身指导虚拟仿真实验，该实验对应2学时，对接《运动生理学》课程大纲第五章“呼吸机能”。项目构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，通过本实验学生能够熟悉有氧运动能力测试的技术原理和常用设备，熟悉递增负荷试验的流程，掌握有氧运动能力的评价方法，掌握紧急终止试验的指征并且能够在出现意外时做出及时准确的判断。最终能够综合判断健身者的健康状态、有氧运动能力、锻炼习惯，结合温度、湿度等环境参数，制定合理的走、跑健身路径，以及确定合理的持续时间和运动强度。
本实验融入“健康中国2030”国家战略行动，坚持“服务人与自然协同绿色健康发展”理念，致力于普及健康知识、提升健身素养，并提升专业学生为不同人群提供针对性的运动健身方案或运动指导服务能力。实验仿真程序和模拟数据均来自科研中的实际程序和实测数据，同时采用图形技术、3D仿真技术等手段对实验场景、人物进行建模并且1：1还原模型功能。
实验背景：
（1）实验的必要性及实用性
随着国家进入中国式现代化发展阶段，党和国家高度重视人民群众的身体健康，二十大报告明确指出推进健康中国建设是提高人民生活品质的主要任务之一，全民健身是健康中国、体育强国战略实施的重要支撑。面对城市化、老龄化的社会发展趋势和日益增长的运动健身需求，大力推广科学健身知识，是服务国家“健康中国”战略需求，培养具备独立指导科学健身能力的专业人才的迫切需要。本项目面向国家战略需求，立足学校的体育特色和专门人才培养定位，依托校内省运动与健康工程协同创新中心、国家体育科普基地等机构的教学、科研成果，致力于培养理论基础扎实，实践本领过硬的体育专业特色人才。 在真实场景中，城市路径健身指导的实验教学存在诸多困难。第一、实验对象管理困难。受试者来自各个人群，健康状况不一，有些甚至罹患冠心病、高血压等慢性病，很难对受试者的招募和医务监督环节进行有效管理；第二、实验过程控制困难。露天实验受到受试者个体健状况以及风雨、地形等众多外界因素的干扰，很难保证安全和顺利；第三、重复实验实施困难。真实场景实验路程远，时间长，成本高，而且偶然和不确定因素多，很难开展重复实验，不利于学生进行反复论证和比较分析。因此，传统上这部分教学内容多以理论授课为主，教学方式少、教学效率低、学生体验差。
（2）教学设计的合理性
城市路径健身指导及其相关实验是体育专业核心课程《运动生理学》的核心实验教学内容之一，其中有氧运动能力评定和户外健身运动处方设计更是运动健身指导的难点，其涉及到的理论知识点多、技术复杂，学生理解起来难度大。 该项目采用虚拟仿真手段模拟不同健身群体、常见城市场景、典型天气环境。 学生在学习心电信号诊断、有氧运动能力评定、运动负荷评估等知识的基础上，针对平台随机生成的受试对象，进行个体化的有氧运动能力的估测，设计适宜的健身路径、制定合理运动负荷，并且对运动全程进行监控。实验构建了路径健身的锻炼咨询的虚拟情节，其中个体状态评估、运动处方制定、运动风险处置这三个核心模块能够帮助提高学生解决复杂问题能力。
（3）实验系统的先进性
本虚拟仿真实验项目以第一人称视角实时仿真有氧运动能力评定过程和户外健身运动处方设计和执行过程，具有交互性、综合性、准确性、挑战性。实验提供了优良的人机交互方式，其中心电信号、气体代谢、代谢当量、心率、呼吸等重要参数均以动态图形直观地呈现给学生；学生可以通过改变速度，或者通过休息和补水来改变受试者的生理状态；实验受多种因素的影响，受试者个体状态、天气、路径组合等都有可能改变实验结果，学生需要综合分析各方面的因素才能做出正确的判断；实验的计算公式参考了国内外权威文献和教师团队的研究成果，真实地还原了运动过程中生理指标的一般规律，此外，城市场景给学生提供了一种真实的学习体验；实验对基础知识的掌握和运用、观察能力、综合分析能力有较高的要求，具有较高的挑战性。
设计原则：
1、实验设计创新：
心肺功能测评及应用是体育科学和运动医学交叉融合的应用焦点，已成为运动处方等健康知识普及研究热点，对具备实践指导能力的体育专业人才需求非常迫切。然而相关实验教学却面临着风险高、难度高、成本高的困难。团队遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，为《运动生理学》等课程对应章节自主研发了城市路径健身指导虚拟仿真实验项目。
1）坚持先进教学理念，实验强调以学生为中心，采用了任务导向的实验方案设计，以任务挑战、情景代入的方式调动学生学习兴趣和积极性。
2）科学功能模块划分。实验将学科知识、专业技能和综合应用三个环节有机融合、环环相扣，引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决现实问题的专业能力和结构思维的思考方式。
3）体现综合设计需求，实验内容来源于健康中国行动的实际需要，实验仿真程序和模拟数据均来源于已有科研成果和经验模型，学生能系统了解知识要点、测评手段、指导依据和要素特征，形成个性化制定运动处方的综合能力。
4）渗透立德树人任务。实验选取南京标志性场景，展现绿水青山，传递新发展理念，树立学生投身体医融合、体教融合等国家战略的使命感和责任感。
2、教学方法创新：
在实验教学过程中，本实验综合采用了任务驱动式教学方法、控制变量法、自主设计法、比较法教学方法。教学方法的创新性主要表现在以下方面。
1）环节内容安排上采用层层递进的组织方式，体现“原理-方法-手段-实践-实证”的实验教学逻辑，符合“由浅至深、由易到难、由被动到主动”的学习认知规律，使教学达成度更高、更具科学性。
2）情景环境创设上采用生动形象的呈现方式，融合中央体育场、中山陵、夫子庙等南京标志性场景，画面具有代表性和亲和力，并以第一人称视角进行操作，能帮助学生明确实验意图并主动融入实验。
3）操作实践模式上采用容错探究的学习方式，基于工程思维模式，解决方案或参数取值并不唯一，确保学生体验自主探究的价值乐趣，弥合真实实验受现实环境、测试对象影响缺陷，展开反复探究。
2、评价体系创新：
1）面向任务的实验成绩评价指标。本实验采用了任务驱动式和情景体验式实验教学方法，因而实验成绩评价模型中的评价指标均来源于实验任务要求达到的性能指标，学生完成任务的质量是实验成绩评定的重要依据。
2）面向学生能力的实验成绩评价。针对容错探究式实验教学方法，本实验的成绩评价重点是学生分析问题和解决问题的能力。实验报告中的解决方案或参数取值并不唯一，但实验结果具有一致性。通过实验任务的完成质量，实验成绩评价模型自动对学生能力进行考核。
2、对传统教学的延伸与拓展：
1）拓展了传统实验教学的范围。户外健身指导能力涉及知识面广、影响因素多，由于实际实验对象是人，导致实验操作复杂、不可重复。即使针对学生自己开展教学实验，也存在较大的风险。在指导方案不合理、设置不正确等情况下，测试对象容易运动损伤或意外，危及学生安全。本实验将实际情况下基于心肺能力评估的运动处方设计实验以虚拟仿真的方式展现给学生，有效拓展了传统实验教学的范围。
2）拓展了实验教学内容的时代性和先进性。通过虚拟仿真实验的持续建设和改进，实验教学团队可以将运动医学、体育科学等相关的最新研究成果迅速转化为实验教学内容，让学生能够通过实验了解科技最前沿，而这一点是传统实验教学无法达到的。
实验目标：
本虚拟仿真实验项目采用虚拟仿真手段模拟城市路径健身的不同健身群体、常见城市场景、典型天气环境的有氧运动能力评定和户外健身运动处方设计，是南京体育学院体育专业学生必修的核心课程《运动生理学》实验教学的一个核心组成部分，实验课程目标如下：
（1）育人目标：通过课程思政教育，使学生深刻认识国家“推进健康中国建设”的重要的战略，树立为人民健康事业努力奋斗的理想；培养学生从事体育和 健康事业的责任心和荣誉感。
（2）认知目标：熟悉人体心肺功能、代谢功能的基本理论；熟悉运动过程中人体机能的变化规律及调节机制；掌握有氧运动能力评价的常用方法和运动处方 制定的原则。
（3）能力目标：通过本实验的学习，使学生获得对人体各项生理指标的综合分析能力，获得评价健身效果和健身安全性的实践能力，获得为不同人群提供运动处方的基本技能。
实验要求：
（1）专业与年级要求
本实验属于南京体育学院专业基础课《运动生理学》课程章节内容实验，该课程是面向全校体育学类（0402）所有专业学生大一至大四的必修课程。
（2）基本知识和能力要求
《运动生理学》课程在体育学科领域有着极其重要的学科地位，不仅是《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中规定的体育学类本科专业7门基础课程之一，也是体育学科研究生考试和职业资格考试的主要科目之一。通过本课程的学习，可以科学地指导体育锻炼和运动训练，以达到增进健康、增强体质和提高运动成绩的目的。
本课程注重充分利用现代教育技术进行教学。通过“真实+虚拟”的线上线下实验教学能有助于提升学生学习质量，力求紧密结合生活实际，突出其适用性和实践性。实际教学中主讲教师均为我校一线骨干教师均具有比较丰富的教学经历和经验。知识角提供了大量学习素材，通过这些知识“碎片”，帮助同学们“自主学习”，并帮助其建立起比较完整的运动生理学知识体系。
