2010年9月15日，由中國體育科學(xué)學(xué)會體育儀器器材分會和中國系統(tǒng)仿真學(xué)會體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會主辦，北京體育大學(xué)科研中心和《中國現(xiàn)代教育裝備》雜志社承辦的主題為“體育院所實(shí)驗室的管理與運(yùn)行”的全國體育院所實(shí)驗室管理發(fā)展研討會在北京體育大學(xué)科學(xué)研究中心舉辦。在研討會召開期間，筆者采訪了國家體育總局體育科學(xué)研究所體育工程研究中心副主任，體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室主任、中國系統(tǒng)仿真學(xué)會體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會秘書長李祥晨。他是第一個對體育系統(tǒng)仿真概念做了系統(tǒng)界定的人，并創(chuàng)建了國家體育總局體育科學(xué)研究所體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室，長期從事體育系統(tǒng)仿真研究工作，出版專著一部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，他所做的每項工作無不飽含開拓精神和創(chuàng)新意識。
李祥晨主任
李祥晨主任給體育系統(tǒng)仿真下的定義為，通過計算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、評價的一種實(shí)驗技術(shù)學(xué)科。李主任介紹說，體育系統(tǒng)仿真是隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用而產(chǎn)生的，但仿真的概念自古有之，古人在從事大型工程，如制造船舶、修建樓房前都需要先做一個模型，然后根據(jù)模型去造船建房。如果在沒有模型驗證的情況下貿(mào)然開始造船建房，往往承擔(dān)很大失敗的風(fēng)險。建造這些船舶和房屋的模型的過程都可以看作是仿真活動，但這并不是現(xiàn)代意義的仿真，因為，現(xiàn)代意義的仿真是以計算機(jī)的發(fā)展為前提的，是通過數(shù)學(xué)建模建立和計算機(jī)計算來實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)建模是一個復(fù)雜的過程，牛頓發(fā)現(xiàn)的三大定律，就是給出了3個數(shù)學(xué)公式，這3個數(shù)學(xué)公式從本質(zhì)上來說也就是3個數(shù)學(xué)模型，它們涵蓋了所有宏觀低速物體的運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)用這3個公式可以描述所有物體的運(yùn)動，如鉛球的軌跡、標(biāo)槍的飛行等。具體到實(shí)際應(yīng)用中，這個數(shù)學(xué)模型就變得非常復(fù)雜和精細(xì)。例如運(yùn)動員投鉛球，如果只考慮鉛球的運(yùn)動，牛頓第二定律就可以解決，因為其本質(zhì)就是拋物線運(yùn)動。鉛球的運(yùn)動很簡單，但要反映運(yùn)動員的運(yùn)動就非常復(fù)雜，人的關(guān)節(jié)特別多，減去一些無關(guān)關(guān)節(jié)后，可以用剛體模型描述，于是又可以用牛頓第二定律解釋。當(dāng)然，為了更逼近真實(shí)的運(yùn)動過程，還需要考慮其他許多因素。隨著參量的增加，運(yùn)算量就變得相當(dāng)大了，就離不開計算機(jī)的幫助。
在體育系統(tǒng)仿真中常常運(yùn)用計算機(jī)來模擬再現(xiàn)人的行為，包括運(yùn)動員的運(yùn)動，教練員的想法和意圖。李主任以體育動作創(chuàng)新為例，深入淺出地介紹了體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用：如果把教練的設(shè)想告訴運(yùn)動員，讓他直接去嘗試，可能完成不了，也可能導(dǎo)致運(yùn)動員受傷。而用系統(tǒng)仿真技術(shù)，在計算機(jī)系統(tǒng)中事先就能獲知動作到底能做到什么程度，如果實(shí)現(xiàn)不了應(yīng)該調(diào)整哪些參數(shù)。仿真技術(shù)不僅用于動作創(chuàng)新，在設(shè)計輔助器材中更能大展拳腳。如設(shè)計力量訓(xùn)練器或特種關(guān)節(jié)訓(xùn)練器，若僅憑想象難以制作成功，需要借助計算機(jī)軟件中的一些功能。器材設(shè)計出來后，能不能達(dá)到預(yù)期效果呢，還可將數(shù)字的“人”放進(jìn)去驗證，也可以在全景虛擬現(xiàn)實(shí)中讓真人通過傳感器去操作計算機(jī)里的虛擬器材。利用系統(tǒng)仿真技術(shù)可以簡單、高效、經(jīng)濟(jì)地達(dá)到設(shè)計和驗證的目的，更重要的是可以保證運(yùn)動員的安全。此外，體育系統(tǒng)仿真還可以用于模擬訓(xùn)練，利用計算機(jī)模擬出整個運(yùn)動場地，學(xué)生可以在虛擬運(yùn)動場里做適合自己的訓(xùn)練。體育系統(tǒng)仿真的最終目的是為了控制系統(tǒng)的發(fā)展，控制事情的推進(jìn)，使運(yùn)動員取得更好的成績，在大型活動中更能突顯它的優(yōu)勢。在2008年奧運(yùn)會開幕式和2009年國慶閱兵式中都用到了系統(tǒng)仿真技術(shù)。
二、體育系統(tǒng)仿真對體育教學(xué)的意義
李主任認(rèn)為，就目前而言體育系統(tǒng)仿真對體育教學(xué)意義非常重大，而從長遠(yuǎn)來看，其意義還會越來越大。教學(xué)系統(tǒng)電器化程度逐步加深，多媒體教室正在迅速普及，從而推動了體育系統(tǒng)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用。在體育教學(xué)中，最常見的教學(xué)方法是教師在前面演示動作，學(xué)生在后面跟著做，學(xué)生如果因為距離等原因看不清楚教師的示范就學(xué)不好動作。如果使用仿真技術(shù)就可以把全部教學(xué)過程變成虛擬現(xiàn)實(shí)，使學(xué)生非常方便地自主學(xué)習(xí)：一是可以實(shí)時、隨地開展學(xué)習(xí)，不需要在體育館受實(shí)體條件的限制；二是可以實(shí)時檢查，從360º去觀察教師的動作，并且可以任意放大、縮小和旋轉(zhuǎn)，為更精細(xì)地掌握動作提供了條件。在教學(xué)前可以驗證教學(xué)方案的可行性，驗證其是否科學(xué)，能否教好學(xué)生。此外，運(yùn)用仿真中的虛擬現(xiàn)實(shí)還可以對教學(xué)效果進(jìn)行評估，把仿真效果與真實(shí)效果進(jìn)行對照，對角度不夠、力度不夠、速度不夠等情況都可以做實(shí)時對照。
他預(yù)測，在未來幾年中，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件開發(fā)難度降低，體育系統(tǒng)仿真在教學(xué)中一定會大有作為。它可以全方位地介入教學(xué)流程中，包括課程開發(fā)、實(shí)施和評估等都可以實(shí)時使用仿真技術(shù)。仿真技術(shù)是隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而發(fā)展的，科技越進(jìn)步，它的應(yīng)用就會越廣泛和深入。目前，信息技術(shù)的趨勢是計算機(jī)運(yùn)算速度加快，操作界面更加簡潔，人機(jī)交互更容易，這些都將推動仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。對于這個問題他通過回溯過去展望未來：現(xiàn)在學(xué)生利用電腦游戲進(jìn)行學(xué)習(xí)，例如，和計算機(jī)打乒乓球、打網(wǎng)球，增進(jìn)戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)學(xué)習(xí)，但如果往前推20年，這些事情是不可想象的，那時計算機(jī)的運(yùn)行速度比現(xiàn)在手機(jī)的運(yùn)行速度還要慢。正是鑒于現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，李主任對未來系統(tǒng)仿真在體育教學(xué)中發(fā)揮更大的作用很有信心。
三、體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室的建立
在我國，現(xiàn)代意義上的系統(tǒng)仿真已經(jīng)有近30年研究歷史了，它最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生。最早應(yīng)用于國防和航空航天領(lǐng)域，因為這些領(lǐng)域非常需要系統(tǒng)仿真技術(shù)。以后隨著計算機(jī)發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術(shù)逐漸民用化，社會其他領(lǐng)域也開始使用。20世紀(jì)90年代起，陸續(xù)有人關(guān)注體育系統(tǒng)仿真，從2000年開始進(jìn)入系統(tǒng)研究階段。國家體育總局科研所體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室是在原所長李元偉的大力支持下于2002年10成立的，后來的歷屆領(lǐng)導(dǎo)也都很支持實(shí)驗室的建設(shè)和發(fā)展。體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室的一個突出特點(diǎn)是高科技，即以高科技研究體育，在全部體育工作中技術(shù)比較領(lǐng)先。以前的體育研究往往集中在生理、生化和訓(xùn)練，而體育仿真是以計算機(jī)、高科技和網(wǎng)絡(luò)為主的交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工作性，屬于遵循科學(xué)規(guī)律的應(yīng)用研究。體育系統(tǒng)仿真具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，又得到了領(lǐng)導(dǎo)的支持和關(guān)懷，因此在創(chuàng)立的短短幾年里發(fā)展較快，目前體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室承擔(dān)了科技部、基金委、國家體育總局等多個項目。
四、科研心得：得益于廣泛的興趣和愛好
據(jù)筆者了解，李祥晨主任在攻讀研究生期間已經(jīng)出版了專著《體育系統(tǒng)仿真》，先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。當(dāng)筆者請李主任介紹科研心得時，他謙虛地表示目前主要是在做項目，發(fā)表的論文并不多，對這個問題不好回答。陪伴他參加本次研討會的師弟兼好友向筆者介紹了李主任科研工作中的兩段“逸事”：
興趣廣泛的社團(tuán)主席
李祥晨主任自幼興趣廣泛，雖然大學(xué)所學(xué)專業(yè)是體育，但他最感興趣的卻是工科，經(jīng)常旁聽其他院系物理、數(shù)學(xué)、電子和計算機(jī)相關(guān)課程。他不僅掌握多學(xué)科扎實(shí)理論知識，還具備超強(qiáng)的動手實(shí)踐能力，擔(dān)任電子社團(tuán)主席的他利用課余時間帶領(lǐng)協(xié)會會員義務(wù)為學(xué)校周邊住戶維修家電，他精湛的技術(shù)和老實(shí)本份的人品受到大家的一致贊揚(yáng)。
風(fēng)扇對著電腦吹
研究生期間李祥晨主任所學(xué)的專業(yè)是體育系統(tǒng)工程，研究方向為系統(tǒng)仿真，從2000年開始接觸系統(tǒng)仿真技術(shù)，于2001年出版了《體育系統(tǒng)仿真》。在寫這本書時，計算機(jī)硬件條件不像現(xiàn)在這樣先進(jìn)，主機(jī)散熱效果不理想，電腦經(jīng)常死機(jī)。為了加快寫作進(jìn)度，李主任將僅有的一臺電風(fēng)扇對著主機(jī)吹，而自己在三十多度的高溫中汗流浹背地工作。
當(dāng)筆者問及這兩個故事的細(xì)節(jié)時，李主任笑而不答。只是簡單地告訴筆者，他的科研工作的確得益于廣泛的興趣和愛好。正是因為對其他學(xué)科的了解，使他能夠從多個角度思考問題，而他也正是從學(xué)科交叉部分有所得。
五、對全國體育院所實(shí)驗室管理發(fā)展研討會的建議
北京體育大學(xué)“全國體育院所實(shí)驗室管理發(fā)展研討會”已經(jīng)舉辦了兩屆，提供了一個難得的交流機(jī)會，推動了體育實(shí)驗室發(fā)展，應(yīng)該繼續(xù)辦下去。其中一個問題我覺得探討得很有意義，中國的體育實(shí)驗室開放率不到1%，有的一年僅開放幾次，有些低檔實(shí)驗室一年甚至用不了一次。作為科學(xué)研究的一個主戰(zhàn)場，實(shí)驗室本身都是封閉的，沒有實(shí)驗就談不上科學(xué)研究，它不像哲學(xué)那樣“面壁十年圖破壁”，而需要靠科學(xué)實(shí)驗來證明。認(rèn)識世界的方法有3種：觀察、實(shí)驗和仿真，在現(xiàn)代科學(xué)體系中，僅憑觀察已經(jīng)行不通了，因此，需要把實(shí)驗室開放，形成一種開放機(jī)制，聯(lián)合開展研究，對推動科學(xué)進(jìn)步非常有意義。“體育院所實(shí)驗室的管理與運(yùn)行”這一主題的探討可以推進(jìn)實(shí)驗室管理與開放，既有利于學(xué)校體育教學(xué)也有利于加快科學(xué)研究。希望這樣的研討會越辦越好，規(guī)模也越來越大。
編后語
與很多科研工作者一樣，李祥晨主任不太善于言辭表達(dá)，只有在談及體育系統(tǒng)仿真這個話題時他才有說不完的話。廣泛的興趣愛好和多學(xué)科背景，使他可以迅速了解各行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)，進(jìn)而整合多學(xué)科優(yōu)勢資源達(dá)到創(chuàng)新之目的。李主任的科研創(chuàng)新經(jīng)驗值得學(xué)習(xí)，致力于教育裝備創(chuàng)新與建設(shè)的《中國現(xiàn)代教育裝備》雜志將繼續(xù)關(guān)注李祥晨主任及他帶領(lǐng)的國家體育總局體育科學(xué)研究所體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗室，推動體育院所實(shí)驗室發(fā)展。
撰稿：安健
