基于物聯網的體育教學平臺設計

李尚濱等

摘 要：研究面向實時體育教學活動，運用物聯網技術、無線網絡技術，結合傳統校園網及IT信息技術手段，提出一種新型、動態、開放的體育網絡教學平臺設計，對該設計原始教學活動數據采集、分析、建模、挖掘、展示、反饋、自我完善等方面進行闡述，同時對模型的實現技術進行了探討，并對平臺與排球體育教學的結合進行了實驗設計，實驗顯示通過平臺仿真，較好促進了學生對傳球、墊球、發球等基本技術的理解、掌握和運用。

關 鍵 詞：學校體育；體育教學平臺；物聯網；移動平臺；校園網

中圖分類號：G807.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-7116（2015）01-0090-05

Physical education teaching platform design based on the Internet of Things

LI Shang-bin1，WANG De-cai2，LIU Ying-shuang1，ZHAO Pei-yu1

（1.Department of Physical Education，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；

2.Network Information Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Abstract： By applying Internet of Things technology， wireless network technology， coupled with traditional campus network and IT information technical means， the authors put forward a new， dynamic， open physical education network teaching platform design for real time physical education teaching activities. The authors expatiated on this design from such aspects as original teaching activity data collection， analysis， modeling， mining， display， feedback and self-perfection， probed into model realizing technologies， and worked out an experimental design for combing the platform with volleyball teaching. The experiment showed that students understanding， mastering and applying of basic techniques such as ball passing， ball receiving and ball serving were nicely promoted by means of platform simulation.

Key words： school physical education；physical education platform；Internet of Things；mobile platform；campus network

為改進高校的體育教學輔助平臺的教學模式，運用物聯網技術、無線平臺技術，基于原有校園網絡，提出一種基于物聯網和移動平臺技術，構建高校體育新型教學輔助信息化平臺的思路，為實現運用先進信息化手段輔助體育教學提供了一種新的嘗試。

以前大多數體育網絡教學平臺多是靜態數據庫、靜態資源方式搭建，基于物聯網環境下的體育網絡教學平臺是直接面向實際課堂教學、進行課堂實時數據的采集和存儲，這對原來的信息化輔助教學模式在數據采集方面是一種新的變化。

基于物聯網傳感器技術，遙感技術可以把教學活動中的學生或教師轉變成“活點”，這樣就相當于把運動的過程用數字化的方式存儲起來，為將來模擬、分析、建模進行數據準備，這就為再現實際的教學活動模式奠定了數據基礎，這種模式的轉變相對于原來的教學模式是一種新轉變。

動態的自我反饋完善體系，使用教學理論的數據進行理論建模，將得到理論教學參照模型，使用實時的體育課堂教學活動采集到的動態數據建模，將會得出實際的體育教學模型，再將兩種模型對比，將得出理論和實際模型的差異，依據差異可以分析問題、指導完善教學活動，從而不斷自我反饋、迭代、完善，這樣會形成理論模型和實際模型的動態互動和反饋優化，這種動態模型的數據源是物聯網采集的，這也是物聯網和數據建模仿真的重要意義。

源于實際教學活動，評估實際教學活動、改進實際教學活動，有理論模型、有實際動態的模型，就能夠根據實際制定科學、合理的評估評價指標體系，用于指導、評估每個課堂的教學活動，甚至細致到每個學生的學習活動，切實的把握教學活動中重要的指標數據，用實際的數據說話，依據實際的數據制定改進計劃，對切實指導每個學生、每個教學活動有著很大的輔助作用。

所以，將現階段的先進IT技術，如物聯網技術、移動終端技術、IT信息化手段和傳統體育教學平臺結合起來，設計構建新的體育教學平臺有著積極的現實意義。

1 原有體育信息化平臺與物聯網及移動平臺技術比較

1.1 原有體育信息化教學平臺

原有的體育網絡教學輔助平臺，多數是基于Web服務站點的方式組織，多以教學錄像視頻的方式和HTML形式展現，實現技術則多以后臺數據庫和教學資源為基礎，以某種Web開發技術研發實現[1]。

之前搭建的體育教學平臺，由于是以靜態資源為主，HTML的Web站定方式展現，所以與實際課堂教學活動關聯不緊密。因此，之前的大多體育教學平臺僅是課堂教學的補充，但對于實際體育課堂教學活動的實時、真實原始數據沒有進行采集，更沒有運用IT信息技術進行挖掘分析和仿真建模來檢驗和完善實際的教學活動。

1.2 物聯網及移動平臺技術的發展及帶來的契機

國際電信聯盟（ITU）和《ITU互聯網報告2005：物聯網》正式論述了物聯網的概念。報告指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將到來，世界上所有的物體從輪胎到牙刷 、從房屋到紙巾，都可以物聯網進行主動信息交換[2]。

物聯網（The Internet of Things，IOT），顧名思義，是物物相聯的互聯網絡，其內涵包括兩個方面，第一，物聯網的基礎和核心仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其用戶延伸到了任何物體和物體之間，使其進行信息交換和通信[3-6]。

體育教學活動的特點是動態性、實踐性，結合物聯網傳感器遙感技術和“活點”技術及當前信息化的IT技術，對大學體育課堂教學活動進行計算機輔助實現，構建新型的體育信息化教學平臺[7]，使得教學活動中的主體變成“活點”，并對整個運動過程進行數據采集、存儲和監控，也是物聯網技術在這一領域應用的體現，這一設計構想的提出，對大學體育教學利用計算機技術輔助教學有著一定的現實意義。

體育教學活動本身運動的特點，整體有一定內在規律性，利用物聯網、移動終端及相關信息化手段，將體育教學活動中的主體（活點）運動數字化、運動規律模型化，使實際教學動態數據轉化為計算機動態的數據，這對于提高體育教學的質量，與以往相對靜態的計算機輔助教學是質的變化。

2 體育信息化教學平臺設計

教育技術是通過創造、使用和管理合適的技術過程和資源以促進學習和改進績效的研究和符合道德規范的實踐[8]。隨著IT技術不斷進步和教學理念的不斷變化，我們在體育教學信息化教學平臺方向的努力和實踐使得我們的教學理念和IT技術結合得更加緊密，使之向著更加有效的促進學習和管理的方向前進，我們的設計在教育技術的指導下，圍繞體育教學平臺內在特點及需求，結合不同方面IT技術，構建分層的平臺模型。包括傳統網絡技術、物聯網技術、移動終端技術、數據挖掘技術、建模仿真技術、數據庫技術、應用開發技術等，下面從技術路線和平臺模型兩個方面加以論述。

2.1 體育信息化教學平臺技術路線

1）傳統網絡技術。

傳統網絡及原來的校園網絡，作為采集后的數據傳輸網絡和數據存儲網絡，與原來教學平臺的作用是一致的，是連接物聯網層和數據中心的樞紐，亦是提供服務的基礎環境。

2）物聯網技術。

物聯網層是平臺數據采集動態性特征的體現，主要是運用終端傳感器技術對體育活動的各項指標數據進行采集，如田徑競賽項目中時間與隊員的位置、起跑的壓力、跑進中的姿勢照片等；還如排球比賽中的雙方球員的位置、球的速度及路線等。理論上只要配備相應指標的采集傳感器，就能采集到所需要的數據。然后再通過無線網絡，無線網關經過校園網絡傳送至后臺數據中心。

3）移動終端技術。

移動終端技術，例如目前流行的Android平臺，可以開發平臺和教學活動中的個體，如教師和學生之間的動態實時交互應用，可以起到狀態監控的指導作用，如在長跑運動中，經過一段時間向參與者通報其所在的名次、達到的速度、心跳次數、血壓和教師的指導等，總之通過Android平臺和無線校園網絡，為整個平臺的實時交互提供技術實現的可能。

4）數據挖掘技術。

隨著在實際體育教學活動中采錄積累數據的不斷增多，為后續的數據挖掘提供了數據基礎，利用數據倉庫技術、數據挖掘手段，對大量的數據進行挖掘分析，例如，把學生每年度的體質測試數據進行分析比對，建立健康檔案并實時提供運動處方。這對于引導學生自主開展體育鍛煉，把握體育教學活動的某些規律有著重要的指導意義。數據挖掘中發現的規律，對于體育教學模型的建立和完善也是有著重要的借鑒意義。

5）建模仿真技術。

建模仿真技術是利用采集到的數據和理論的數據，通過建模仿真軟件對體育教學活動建立計算機實現的仿真模型，采用直觀、可視化的手段，使得仿真模型與實際模型建立直觀的一致性，使用實際的數據可以驅動的模型，目的是能夠反映出實際體育教學活動的真實情況并能夠為教學活動的參與者直觀認知和理解。這樣作為體育教學活動的主體即參與者才能從主體的角度總結和提出問題，并制定修正的方法，可以說仿真模型是以數據驅動的真實體育教學活動的計算機還原，是一座鏈接平臺和參與者的橋梁。

6）數據庫技術。

數據庫技術是相對已經成熟的技術，實現整個平臺的數據存儲任務，亦是數據挖掘的數據倉庫的承載著，起到底層支撐的作用，也為網絡前臺、移動終端前臺的展示提供數據支持。

7）結合體育教學需求進行應用開發。

如果說上面的平臺相關各項技術多是依賴現有的IT技術和產品，這部分的應用開發技術則是偏向研發，需要根據大學實際體育教學活動的需求，依托上面設計的各項技術，分析需求、設計各個環節的技術實現思路，最后運用現有的IT技術，如JAVA、.net等開發技術，開發出整個平臺，這部分相當于整個平臺的具體實現，整個連接上面各項技術。也是平臺提供服務的具體實現，是整個平臺的核心。

物聯網技術和移動終端技術對應體育教學活動中的“活點”，是運動的原始采集層，網絡和數據庫是“活點”數據的存儲載體，建模仿真技術是體育教學活動規律的再現，數據挖掘技術是對大量數據宏觀特征的展現，總之需要將IT技術和體育教學需求緊密結合，才能設計出先進的教學平臺。

2.2 平臺模型總體設計架構

1）總體的層次結構。

平臺以體育教學活動為驅動，通過物聯網、無線網絡采集實時、實際的教學活動數據；通過校園網絡傳到數據中心，再以這些采集到的數據為原始數據，進行建模和數據挖掘以及應用展示。

傳統網絡及原來的校園網絡，作為采集后的數據傳輸網絡和數據存儲網絡，與原來教學平臺的作用是一致的，是連接物聯網層和數據中心的樞紐，亦是提供服務的基礎環境（見圖1）。

圖1 平臺整體層次架構示意圖

2）平臺模型解讀。

（1）依托實際教學活動。實際的體育教學活動是驅動終端物聯網層的源動力，在實際設計實現時要根據具體的體育教學課程的不同，實際使用不同的傳感器進行采集。

（2）物聯網絡實現教學活動原始數據采集（如時間、位置、壓力、畫面、環境信息等關鍵數據）。物聯網絡是體育活動原始數據采集的承載，因采集的原始數據不同而不同，類似于神經系統的末梢神經元一樣，不同的神經元負責不同的條件反射，物聯網層整體構成體育教學環節的采集層。

（3）無線網絡和傳統校園網絡完成采集數據上傳數據中心。無線網絡和校園網絡層負責將采集到的數據上傳到數據中心，也是下傳控制信息的傳輸網絡。數據中心負責存儲教學活動中的原始數據，是開發構建應用系統的基礎，是數據倉庫的載體，這個層次是整個系統的核心之一，是其上的應用層、體育活動建模和數據挖掘的基礎。在實際實現方面，是可以采用目前主流的數據庫平臺實現，如Oracle、DB2、Sybase、Mysql、Sqlserver等。

（4）應用層。應用系統可以圍繞以下方面進行，Web應用、數據挖掘、檢查管理輔助等。基于數據中心的數據庫，可以構建Web信息系統，如信息查詢、成績查詢、基本信息查詢等，這部分可以融入原來的體育教學平臺實現。教學活動建模分析采集到數據中心的數據，是實際體育教學活動原始要素數據的采樣，可以根據實際的體育教學相關理論，通過計算機仿真手段，建立相應的領域模型。如針對一次足球教學活動的建模實現，可以依照以下思路進行，假設在體育教學活動中采集了雙方隊員的時間及位置序列的原始數據，那么通過計算機可建立類似動畫回放效果的模型，通過模型可以回放教學活動中每位球員在場地上的位置變化動畫，通過模型可以判斷足球教學中學生的運動軌跡，評價學生的成績，發現存在的問題，有助于老師有針對性的指導學生和改進教學活動。數據挖掘的應用主要針對一些整體的、趨勢的、潛在的規律進行模式分析，如學生在校4年的體質健康趨勢、各個不同學期學生體育教學活動的比較分析，需要海量數據 ，需要深入分析各個因素的潛在關系，在數據倉庫的基礎上，建立數據挖掘模型，反復反饋、修正，對實際的教學中一些長期、關鍵決策起到一定的輔助作用。檢查、管理應用，這個層面的應用主要用于人為參與較多環節，如領導不可能同時參加很多現場體育教學活動，可以通過數據及模型，查閱不同體育教學活動的原始狀況，對具體的體育教學活動進行檢查和指導。依據原始的數據對評估實際教學水平有一定的現實作用，可以避免傳統問卷等方式有可能獲取不真實數據的情況。

（5）基于物聯網、移動網絡的教學平臺，立足全面整體的原始數據采集，把教學活動的靜態數據和動態數據有機的聯系起來，原來的系統相對只是靜態的數據，如學生、教師、課程等，而新型的系統不僅有原來意義上的靜態數據，而且注重體育教學活動的動態數據。這對體育教學的輔助作用在數據層面上也是很有現實意義的。個性化、細致的教學指導制定，由于整個平臺的數據是靜態和動態數據組成的完整數據，因此可以細粒度到學生的體育教學活動的每一個環節，對于個性化的、細致的掌握每個學生的體育教學活動狀況，提供了數據基礎。也為制定針對每個學生的個性化教學指導提供了原始的參照數據，在這樣的數據支撐下，制定細粒度的教學指導的科學性、針對性、準確性將大大提高，而且在某指導下的新的采集來的數據，又會反饋給系統，如此循環往復，形成一個自我完善的閉環系統。這個新型體育教學平臺擁有一個重要核心之一，就是他的自我完善、不斷修復的特性。

（6）移動平臺，實時交互、查詢。移動平臺的技術可以運用到一些在實際教學活動中需要交互的場景，如在長跑賽場匯報自身的情況及接收教師的指導等，可以利用無線網絡加3G手機作為硬件環境，基于其系統平臺開發類似原來大哥大通信方式，用以輔助教師在教學或比賽活動中，實時掌握學生的信息和下達指導。另外，隨著3G網絡和終端的普及，可以在移動平臺下開發一些查詢功能，比如學生可以隨時隨地查詢體育教學活動中的一些主要數據，給自己一個反饋、思考問題等，有助于了解自身的狀況，這也是依托整體的全面細粒度的數據而實現的。

3 平臺與排球課程教學實驗

3.1 實驗流程設計

教學內容：排球基本技術傳球、墊球、發球、扣球、攔網等5項技術。

教學時數：18教學周，共計36學時。

對照組：在教學過程中，主要是以老師講解、示范來幫助學生建立正確的技術動作概念。

實驗組：在對照組的基礎上，增加排球教學網站支持的在線自主學習，便于學生課前、課后自學。

物聯組：在實驗組的基礎上，通過體育場館觸摸屏增加教學實況播放、教學錄像回放以及教學仿真模擬的視頻播放。

3.2 各組考核成績評定分析

通過對物聯、實驗、對照3個組的成績進行方差分析，排球基本技術中傳球、墊球、發球技術評定成績出現了顯著性差異，平臺仿真組成績與對照組的差異達到了非常顯著性差異（P<0.01）。原因是排球課堂教學中，教師的語言講解和對基本技術的身體示范，只能滿足在一定程度上促進動作概念在頭腦中形成；而平臺仿真組是在教學過程中，運用視頻影像和多維動畫特技等多視角地模擬、演示排球技術各環節動作的時空特征，展示排球技術過程的具體空間方位與時序特征，可以促使學生形成清晰技術動作概念，建立正確的動作表象，較好促進了學生對傳球、墊球、發球基本技術的理解、掌握和運用。

在排球扣球、攔網技術評定中物聯組與對照組成績差異不具有顯著性（P>0.05）。究其原因是排球扣球、攔網技術是排球教學中較難掌握的技術，課堂教學時數不足以及大學生身體素質和運動能力的限制，掌握起來較困難，即使是利用平臺仿真輔助教學也同樣很難達到理想的教學效果。

平臺的建立和運用，使得體育教學這門本身就是理論與實踐結合性非常強的教學活動，通過信息化技術手段，使得兩者在教師與學生之間建立起良好的循環互動模式，相互支撐、相互提升。

4 結論

研究從以物聯網及IT信息技術結合的實際體育教學活動為基礎，提出全新的IT技術融合下的體育教學平臺框架，是集傳統網絡、物聯網、無線網、移動終端及各種IT技術的組合和創新。本平臺理論、技術上對原來的教學平臺是一定的突破和革新，同時也面臨著很多技術挑戰和難題，嘗試運用物聯網技術、無線技術、數據挖掘等IT技術在體育教學中提出了一種嘗試，具備實時的特性、自反饋完善的特性。

同時，在本平臺與體育教學活動相結合過程中，將在以下方面對原來的教學模式轉變和提升。

教學活動實時監控方面，與以往的分散、分時監控不同，基于平臺可以構建全局統一的動態監控系統，有利于對“運動中的教學”進行全面實時了解，從而及時準確的對體育教學進行優化和調整。教師教學質量評價方面，可以使用體育教學平臺采集的數據并建立模型，動態的構建全面、科學的體育教學質量考評體系，更準確了解教學質量。在交流共享方面，將通過平臺采集到的數據，實施建模、仿真，共享出來，使其網絡化，以便于促進體育課程的交流與學習。

基于物聯網技術、無線網絡以及移動平臺技術，提出新的體育教學信息化輔助模式，對原有網絡教學模式是一種革新和突破，實現一種新型動態的面向實時教學活動的數字化采集、建模、評估、分析、展示的綜合性平臺系統。希望在未來隨著IT技術的不斷發展，這一信息化體育教學輔助平臺能夠實現，為輔助體育教學作出貢獻。

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