可穿戴設備在高校體育教學中的應用

謝佳輝，林 萌，汪 焱

(福州大學體育部，福建 福州 350116)

近年來，大數據、“互聯網+”等信息技術飛速發展，各類科技產品正改變著人們的生活方式，伴隨著新型傳感器技術和互聯網技術的進步，可穿戴設備逐步成為科技產業的新寵，進入一個飛速發展的時期。在高校體育中運用可穿戴設備的相關情況還比較少，國外高校已經開始實踐，美國奧羅爾羅伯茨大學要求所有新生通過佩戴Fitbit手環來記錄他們的運動狀況，并將此作為學生體質評價的一部分。將可穿戴設備應用到高校體育教學中不僅能受到學生們的歡迎和喜愛，還能依托可穿戴設備的強大功能來指導學校體育教學。本文試圖通過調查可穿戴設備在高校中的使用現狀，研究其技術特點對高校體育教學的作用，并從大數據的角度出發，研究體育教學的發展前景，以期為未來學校體育的改革提供思路。

2 研究方法

2.1 文獻資料法

通過在圖書館查閱相關的書籍，通過中國知網、維普網等查閱國內外有關可穿戴設備的文獻資料，為本研究的設計、分析提供客觀的理論依據。

2.2 訪談法

通過對體育教學方面的專家和相關教師進行訪談，針對可穿戴設備在高校體育教學中的應用研究，廣泛征求他們的意見，以收集資料和完善研究框架。

2.3 調查統計法

通過隨機選擇我校大一、大二236名學生進行調查訪問，并運用統計的方法對學生中可穿戴設備的使用情況進行分析研究。

3 結果與分析

3.1 大數據、可穿戴設備與高校體育教學

2015年9月5日，《國務院關于印發促進大數據發展行動綱要的通知》(國發[2015]50號)文件的發布標志著我國已將大數據的發展應用研究提升到國家層面[1]。大數據研究現已涉及到人們生活的各個方面，而教育大數據的應用研究必將是我國教育事業發展的趨勢。大數據并不僅僅指數據量大，更重要的是通過對海量數據的收集、整理、分類和分析，從中發現新的規律、知識和信息等。它的處理流程可分為數據采集、數據處理與集成、數據分析和數據解釋4個階段[2]。目前，高校體育教學過程中的數據采集量比較小，主要集中在學生體質健康測試數據上，如何將高校體育教學過程數據化，運用大數據平臺來指導體育教學將是我們研究的方向。可穿戴設備正好作為橋梁解決了體育教學過程中大數據采集等問題。

可穿戴設備是融合了多媒體技術、無線傳播技術、計算機科技，以日常生活中便于攜帶的物品形態存在的，并能夠連接個人局域網，監測即時情況來幫助用戶在動態過程中進行信息處理的智能化工具[3]。目前它已經被普遍運用于體育健身、醫療衛生、時尚娛樂、國防軍事等方面。市場上可穿戴產品多種多樣，主要有智能手環、智能眼鏡、智能手表、智能鞋等，可以通過智能傳感器監測心率、GPS、步數等數據，及時傳遞到手機等移動通信設備上。可穿戴技術的發展非常迅速，心率、GPS、血壓、汗液、溫度、睡眠、卡路里、葡萄糖、UV、呼吸、動作捕捉等都能通過傳感器進行檢測分析，所以，各種新型的可穿戴設備被不斷創造出來，適合高校體育教學的可穿戴設備也會在不久的將來出現，并將影響體育教學的發展。

可穿戴設備在高校體育教學中的應用研究是以大數據平臺為基礎，通過在學生中運用可穿戴設備，采集學生在體育教學過程中的各項指標數據，并通過藍牙、無線網等技術對數據進行處理和集成，以云計算技術為手段進行數據存儲和分析，這樣可以有效地將大量多變的數據存儲下來進行分析計算，依據分析計算的結果，為高校體育教學實踐所用。

3.2 高校學生中可穿戴設備的使用現狀

手機目前已經成為大學生必不可少的一部分，在學習、生活、社交等方面發揮著巨大的作用。而在體育鍛煉方面，則僅局限于通過微信等社交APP中的小程序——曬步數來體現，甚至出現了有些同學在上體育課的時候，偷偷將手機藏在身上來刷步數的情況。可見，移動通訊給我們帶來的便利并沒有在高校體育教學中發揮出其真正的作用，可穿戴設備正好可以解決其缺陷，發揮出其優點。據相關數據統計，高校中學生的手機擁有量已經近100 %，市場上可穿戴運動設備主要有運動手表、運動手環、能量手環、智能鞋、智能眼鏡等。通過對我校大一、大二236名學生進行隨機調查(表1)，發現有使用手機功能進行運動記錄的學生非常多，共188人將近80 %，還有少部分同學有通過手機測量心率的APP，對運動后的心率狀況進行測量，了解自己的身體狀況。調查還發現，了解可穿戴設備的同學比較多，但真正使用的學生數量非常少，僅5名，占被調查數量的2.1 %，使用設備主要集中在運動手環上，基本沒有其他可穿戴設備，使用功能主要體現在記步數、消耗能量以及記錄運動路線上。可穿戴設備在高校中的使用量比較少，一方面是因為可穿戴設備的價格因素，最重要的一點是智能手機已經具備了運動手環的很多功能，可穿戴設備的優勢并不明顯。但是在體育教學中，手機有一定局限性，明顯不能替代可穿戴設備，所以可穿戴設備在高校學生中仍具有很大的潛力。

表1 可穿戴設備在高校中使用情況表

3.3 可穿戴設備在高校體育教學中的應用

3.3.1 防范運動傷害

體育教學中的運動傷害事故是困擾體育教師和學校管理部門的重要方面，雖然國家有出臺學生運動傷害管理條例，但在實際運用時還是會困難重重，當事故發生時還是會追究當事體育教師的責任。因此，防范運動傷害，將學生運動中的傷害事故扼殺在萌芽狀態對體育教師和學校都至關重要。體育教學中的運動傷害除了體育教師組織教學的失誤以及非可控外在因素外，都有一個很明顯的特征，就是學生在參與運動時的身體狀態水平，當學生處于運動疲勞，注意力不集中的時候，發生傷害事故的概率就會非常高，另外，學生有先天性疾病或是運動當天身體健康狀況不佳也是造成傷害事故的主要因素。所以，及時掌握學生在體育運動中的身體機能水平對防范運動傷害有一定的作用。可穿戴設備能及時準確地對學生的心率、汗液、溫度、血壓、呼吸等進行監測。目前，普通的運動手環已經實現了對血壓、血氧、心率、卡路里、疲勞的監測。監測心率在運動中非常重要，心率的高低，直接影響到運動的效果和目的，當心率過快的情況出現時，實際上是在給身體一個警告，避免意外發生，將學生運動時的心率水平保持在相應的區域，這是心率監測的重要作用。長春理工大學的翟紅藝等人設計了一種有鍍銀織物電極的穿戴衣，在走路、上下樓梯、搬運輕物等低強度環境下，該心電穿戴衣測量R波的平均識別準確率高達 96.37 %[4]。穿戴式汗液傳感器能夠檢測汗水中的分子，經過汗液分析后，就能準確檢測出身體的健康情況。

3.3.2 監測運動強度

體育教學中對學生運動量和運動強度的掌握一直都是考驗教師教學水平的重要因素。教學內容和練習時間安排不夠，學生就會達不到體育鍛煉的效果，反之就會導致運動過量，容易造成疲勞，存在安全隱患，也影響學生的運動興趣。所以，對學生運動強度的監測能給體育教學提供良好的參考。可穿戴設備能有效提供運動的時間、步數、GPS路線等數據，并依據數據分析，計算出消耗卡路里、里程等，這能有效評定是否疲勞等身體狀況。但運動是一個復雜的過程，因運動方式和項目等的不同，人體運動強度會有比較大的出入，運動手環等可穿戴設備只是通過單個部位的加速度傳感器來測量運動情況，僅能分析人體在跑步過程中的運動量。此外，如何判斷學生在體育課堂中進行的是有氧運動還是無氧運動，僅從運動項目上來評判也是片面的，可通過可穿戴設備中的心率監測情況、運動路線上的速度情況、甚至通過對身體溫度以及汗液檢測等手段來分析，并依據科學的數據算法來評定運動強度。想要通過可穿戴設備來全面監測學生的運動強度，還需要更加精密和高科技的儀器。韓國的 Si-Jung Ryu 等人使用綁在兩個小臂上的三軸加速度傳感器來測量記錄人們日常生活中的運動情況[5]，這對運動強度的監測具有一定指導意義。

3.3.3 規范技術動作

技術動作教學是體育教學的主要內容，學生對技術動作的掌握程度，直接影響到體育教學效果的好壞。目前，在技術動作的教學中主要還是以教師講解示范、學生練習，老師糾錯指導的形式進行。雖有多媒體等新教學手段的加入，但教學形式基本沒有大的改變，技術動作教學效果沒有改進。可穿戴設備在技術動作中的指導運用其實早已存在，主要應用于專業運動員的訓練研究中。美國Zepp公司研制了針對棒球、高爾夫球和網球的傳感器佩戴設備，運動員通過可穿戴設備來捕捉他的動作，運動員和教練可以通過查看相關的數據來回放和分析當時的技術動作，以完善自己的運動表現[6]。Spelmezan等人設計了滑雪運動的可穿戴系統，可以識別初學者常犯的錯誤，教練可以遠程指導他們的姿勢和動作[7]。醫療領域出現的可穿戴設備也可應用于動作規范。意大利的E.Sardini 和M.Serpelloni等人設計了一款幫助脊椎受損的病人輔助康復訓練的背心，能及時反映患者軀干的彎曲程度，康復訓練過程中自動提示患者的訓練姿態[8]。美國的 Swamy Ananthanarayan 等人設計了一款名為“PT viz”的可穿戴式膝蓋康復輔助設備，可以檢測膝蓋彎曲的角度[9]。目前國內很多體育用品公司已經開始推出智能鞋，通過在鞋子里加入傳感器，不僅能測量日常步數、里程、消耗等數據，還增加了專業運動數據的記錄功能，通過記錄前掌觸地、觸地時長和騰空比例等數據，可以實時調整運動方式方法，減少不正確運動帶來的身體損傷。這些可穿戴設備在將來都有可能運用到體育教學中，而且會不斷優化和整合，更完整地規范運動中的技術動作，給體育教學提供更好的方法。陳立龍等已提出將可穿戴設備與虛擬現實、網絡等技術融合，實時采集學生的運動數據(時間、空間、速率等)，用其驅動虛擬場景中的角色模型，這能使運動數據實時可視化[6]。

3.3.4 激發學生興趣

培養學生參與體育運動的興趣是體育教學的主要目的之一。可穿戴設備作為高科技產品，通過體育教學應用在學生身上，必然會引起同學們的好奇心，得到他們的喜愛。第一，可穿戴設備的功能強大，既能檢測學生在運動中的生理生化水平，檢測技術動作的規范水平，還能通過數據計算出消耗的卡路里等情況，甚至有檢測室外場地的紫外線強度及空氣質量等功能，既滿足了學生對高科技產品的需求，還能減少學生對運動中傷害事故的擔憂。第二，可穿戴設備都能通過藍牙、無線傳輸等手段及時將各種運動數據顯現在手機、電腦上，這些數據在方便自己了解的同時，還可以通過各種移動APP、微信等網絡社交平臺體現出來，曬步數、比里程、算耗能、論排名等社交形式已經成為很多人的習慣。體育教學中可穿戴設備的使用，必然讓學生們的社交形式成為技術動作，健康運動，“黃金心率”等交流的平臺。第三，運動參與是一個長期的過程，不能僅限于體育課堂教學中，學生們通過可穿戴設備了解到自身的不足，需要通過課外體育運動來彌補，通過可穿戴設備的大數據，學生能很快找到跟自己運動水平差不多的同學，有利于協同合作進行鍛煉，一起提升身體素質，體育教師也可通過數據了解他們平時的鍛煉情況，給予適當指導，起到更好的監督和促進作用。

3.3.5 評價教學效果

教學效果評價是高校保障教學質量的重要手段。教學效果評價對教學質量具有重要的評價、監督和促進作用[10]。目前教學效果的評估主體主要有督導專家、同行教師、領導、學生等，這都具有很強的主觀意識，對教學效果的評價存在片面性。可穿戴設備的運用能為教學效果的評價提供強大的數據支持，對體育教學效果的檢驗具有重要意義。第一，可穿戴設備的定位技術(GPS等)能將學生體育課中的運動軌跡通過圖像等完整地表現出來，而通過對全班學生的大數據進行匯總分析，能更清晰地展示出體育教師在課堂教學中的組織情況，可以對教師的教學組織能力進行合理評價。第二，可穿戴設備的生理生化監測技術(心率、溫度、血氧等)能反映學生在體育課堂中的運動強度和心肺功能。根據體育教案安排，參照體育教學規律，分析學生在開始部分、準備活動部分、基本部分以及結束放松部分的心肺等功能變化情況，檢驗教學過程是否合理。第三，可穿戴設備的動作捕捉功能可以反映出學生對課堂內容的掌握程度，能及時糾正錯誤動作，使學生加強對運動技能的掌握。通過對教學前和教學后的技術動作對比，以及對全班學生技術動作學習情況的大數據分析，能更清晰地展現所有學生對運動技能的掌握情況，更直觀地檢驗教學效果。當然，可穿戴設備只是為教學效果的評價提供部分技術支持，對體育教學效果的評價不僅包括運動知識和技能的掌握,更應注重學生運動興趣的養成和自覺鍛煉意識的培養,這體現新時期體育教育觀念的轉變[11]。

3.3.6 創新教學模式

教學模式是在相應的理論基礎上，為達成一定的教學目標而構建的較為穩定的教學結構或程序[12]。隨著互聯網技術的應用和普及，移動通訊設備的飛速發展，高校教學模式也面臨新的變化，現代化的教學模式必然是通過網絡化和全球化的先進技術來改進教學，使學生更具創新能力。翻轉課堂教學模式、聯合課程教學模式、創客教學模式等都是通過運用現代科學技術實現知識傳授與知識內化的教學模式。可穿戴設備是先進科技水平的產品，將可穿戴設備運用到高校體育教學中，是對多媒體教學模式的補充，真正體現了“以學生為中心”的教育理念。運用可穿戴設備使技術動作的掌握更加方便，對正確技能的理解更加簡易，還能及時準確地把握學生在體育課堂中的身體生理發展水平，為體育教師掌控教學過程提供方便。借助于電腦、手機等新媒體設備，將課堂大數據進行整理，再通過視頻、動態圖像等更清晰的方式表現出來，能激發同學們的學習興趣，及時掌握不足和缺陷，有效提高對運動技能和水平的掌握。可穿戴設備還能增加學生與學生之間，學生與老師之間的互動性。通過運動數據的社交平臺分享和交流體育教學中以及課外體育活動中的問題和經驗，教師可通過反饋出來的學生運動數據進行統計分析，找出學生在體育教學中存在的問題，并有針對性地提出解決問題的方法，這對提高教師的教學效果和學生的學習效率具有重要作用。學生可以通過自己的運動數據與其他同學進行比較、交流，并通過協同合作，以及網絡大數據的查詢，一起解決體育運動中出現的問題。

4 結論與建議

4.1 結論

可穿戴設備作為現代科技產品，必將受到高校學生的喜愛，在高校學生中具有很大的發展潛力。將可穿戴設備運用到體育教學中，可以有效監測學生在運動中身體的各項指標，掌握他們在體育課堂中的運動狀況和身體健康水平，并有效避免運動傷害事故的發生，這有利于體育教師合理把握課堂運動強度，及時準確地發現學生技術動作的缺點和不足，并進行指導糾正，從而提高教學效果，激發學習興趣。通過對可穿戴設備收集的大量數據進行處理分析，對評價體育教學效果、創新體育教學模式也具有一定的指導意義。

4.2 建議

在體育教學領域，可穿戴設備還處在研究和設想階段，我們可借用的大多來自于醫療和體育健身領域的技術。雖然可穿戴技術在體育教學的應用研究已經沒有太多的技術難題，但要走向實際運用，還需要很多方面的支持和努力。首先是成本問題，雖然運動手環等產品的價格已經達到大眾水平，但涉及到汗液檢驗、動作捕捉等技術時，還只能在專業運動員的身上使用。其次，可穿戴設備還必須考慮長期使用的舒適性和方便性問題，這會影響在動態測量時信息的及時性、可靠性和準確性。第三，大數據平臺的建立雖然方便了大家運動信息的共享，但還是會涉及到一些隱私問題，會有一些不愿讓老師和同學知道的數據被公開。第四，數據運算處理存在問題。計算消耗卡路里、評定疲勞、分析技術動作等需要進行數據運算的公式是否合理，能否成為評定的標準還需要完善。可穿戴設備與移動互聯網、大數據分析的結合，將給高校體育教學帶來新的機遇與挑戰，必將成為未來發展的重要方向。

[1]國務院.關于印發促進大數據發展行動綱要的通知[Z].2015:9.

[2]劉智慧,張泉靈.大數據技術研究綜述[J].浙江大學學報,2014,48:957-972.

[3]維基百科.交互范式[EB/OL].(2010-04-24)[2017-10-25].http://zh.wikipedia.org/wi-ki/.

[4]翟紅藝,王春民,張晶,等.基于織物電極的心電監測系統[J].吉林大學學報(信息科學版),2012,30(2):185-191.

[5]RYU S J,KIM J H.Motion Recognition in Wearable Sensor System Using an Ensemble Artificial Neuro-Molecular System[M].Next Wave in Robotics.Springer Berlin Heidelberg,2011:78-85.

[6]陳立龍,宋建文,王穎,等.基于可穿戴設備的體育運動可視化管理[J].系統仿真學報，2014,26(9)：2028-2033.

[7]DANIEL SPELMEZAN,ADALBERT SCHANOWSKI,JAN BORCHERS.Wearable Automatic Feedback Devices for Physical Activities[C]// ICST.Body Nets ′09 Proceedings of the Fourth International Conference on Body Area Networks.Brussels,Belgium:ICST,2009.

[8]SARDINI E,SERPELLONI M.Wearable Posture Monitoring Sensor[M]. New York:Sensors.Springer,2014:255-259.

[9]ANANTHANARAYAN S,SHEH M,CHIEN A,et al.Pt Viz:towards a wearable device for visualizing knee rehabilitation exercises[C].Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems.ACM,2013:1247-1250.

[10]孫來斌,李敏.《馬克思主義基本原理概論》教學效果評價的問題與對策[J].思想政治教育研究,2010,26(6):12-16.

[11]朱建峰.普通高校體育教師教學效果評價結構研究[J].北京體育大學學報,2010,33(7):88-90.

[12]鐘志賢.大學教學模式革新:教學設計視域[M].北京:教育科學出版社,2008.