體育教學中智能體育機器人融入的探索性研究

呂靜 王鐵新

中圖分類號：G807? ?文獻標識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2021）09-061-05

摘? 要? 本文運用文獻資料法、邏輯分析法和訪談法等對我國智能體育機器人助力體育教學改革的途徑、潛在風險進行探索性研究。研究發現智能體育機器人助力體育教學能夠從注重興趣引導、豐富教學內容、強化損傷防控、實時過程監測、提升運動技能等幾個途徑促進體育教育增質提效，同時，在科技助力體育教學的過程中，應對體育精神本位弱化、用戶隱私泄露被盜、事故責任劃分不清的風險保持警惕。對此，研究建議加快科技助力社會發展的法律法規完善、加強智能體育教育高端人才的培養力度，以為未來智能體育產業和教育做好充分的準備。

關鍵詞? 人工智能? 體育機器人? 體育教學? 個性發展? 智能救護

一、前言

隨著人工智能技術、計算機技術、5G通訊等科學技術的快速發展，機器人逐漸走向公眾視野，成為時代熱點。考慮到機器人技術可能產生的深遠的社會影響，世界各國對機器人技術都給予了高度重視。美國、歐盟、日本等都不斷加大對機器人相關技術的投資力度，到目前為止已進入實驗和半商業化應用的服務型機器人共有7種約40余款[1]。我國政府也同樣高度重視機器人技術的開發與研究。我國于2012年制定了《服務機器人科技發展“十二五”專項規劃》扶持機器人行業的發展[2]。2014年6月，習近平總書記在兩院院士大會上指出“機器人革命”有望成為“第三次工業革命”的切入點。2015年11月，在北京召開的世界機器人大會上，習近平總書記致信祝賀，同時李克強總理做出批示，顯示了國家領導人對機器人技術的高度重視。在2017年7月，國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，機器人和人工智能技術正式成為國家戰略[3]。

在世界各國普遍重視機器人技術的背景下，機器人將對人類社會的各個方面產生深遠影響。目前，機器人的巨大優勢已開始在工業、農業、服務、交通、醫療和軍事等領域初見端倪，釋放社會變革和科技革命蘊含的巨大能量，這勢必深刻改變人類生產生活方式和思維方式，成為我國更快速、更健康發展的重大推動力。教育乃強國之本，科技助力教育一直是我國教育領域的重點，2019年5月，教育部部長陳寶生表示，要發揮好、利用好人工智能技術在推動學校的教育教學和學校治理方式的變革，要以智能技術創新人才的培養模式，改革教學方法和教育評價體系。另外在中國政府發布的《中國教育現代化2035》[4]中指出，全面謀劃在人工智能時代教育的中長期改革發展藍圖，這將指引中國教育朝著更高質量、更加公平、更有效率、更可持續的方向發展。機器人與教育的結合是科技革命與社會變革的必然趨勢，勢必將推動學校教育教學變革和學校治理方式變革的發展。強國必先強民，體育作為教育的重要組成部分是促進受教育者身心和諧，全面發展為”全人”的過程[5]，對于培養人民健康意識，艱苦奮斗的精神至關重要。將機器人技術有機融入體育教育必然是推動體育與時代共同進步的重要一步，其戰略意義不言而喻。2011年，國家體育總局將機器人運動納入國家社會體育項目。2019年9月，國務院辦公廳發布《體育強國建設綱要》[6]，明確提出通過人工智能加快體育變革與創新，促進體育產業發展和提質增效。然而，我國機器人與體育教育相結合的研究成果卻寥寥無幾，機器人對體育教育會產生哪些影響，如何應對這些影響，學術界尚缺乏相應研究，亟待更多、更深入、更細化的系統研究。本文試圖從體育機器人助力體育教學的途徑、風險和建議三個方面探索機器人與體育教育的結合，以期為機器人在體育教育中的應用提供參考。

二、智能體育機器人的研發與市場應用現狀

人工智能是計算機科學的一個分支，其主要研究如何讓計算機完成人類心智所能做的事情[7]。智能機器人則是以人工智能技術為核心，結合機械設計、計算機、自動控制、人機交互、仿生學等使得機器人在行動上表現出與人類似的智能。一般認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是信號的輸入，也就是感覺要素，用來認識和感知周圍的環境狀況;二是信號的處理，也就是思考要素，用來處理感覺要素得到的信息，思考出采用什么樣的動作;三是信號的輸出，也就是運動要素，對外界刺激做出反應性的動作。智能機器人既可以直接接受人的指揮，也可以運行提前編好的動作程序，還可以根據人的綱領性意志行動。

智能體育機器人是掌握了體育理論知識和動作實踐，而且能夠與人互動，推動體育發展的智能機器人。人形智能體育機器人在外形、技能和交互上具有很高的擬人化特征[8]。首先，智能體育機器人的形態與人十分類似，也就是說智能體育機器人具有頭腦、軀干和四肢等與人身體結構類似的組織結構;其次，智能體育機器人可以基于其類人的形態和其所掌握的體育知識，具備類人的動作表現力和控制力;最后，智能體育機器人在動作表現和控制時，具備與人的互動能力，增強人機關系。

近幾年隨著人工智能技術的迅速發展，體育機器人參與體育運動和比賽早已不是新鮮事情。借助高速攝像機進行物體姿態動作捕捉，通過人工智能算法預判物體運動軌跡，為乒乓球、羽毛球、足球、高爾夫球等體育機器人的設計提供了可行思路。2016年4月25日下午，李克強總理在成都菁蓉創客小鎮與羽毛球機器人“切磋”球技，雙方打了兩個來回打成了平手[9]。經過多年發展，2020年廣西公益性體育賽事和活動中，專門設立了“人機大戰”羽毛球機器人挑戰賽[10]，與手握球拍的智能機器人隔網切磋已逐步走向普通大眾。2017年“姚明機器人”亮相世界機器人大會召開，姚明機器人具備精準視覺定位系統，在7米距離內的“三分球”近乎“百發百中”。LDRIC是一臺高爾夫機器人，可以完成一桿進洞，這臺機器人由“高爾夫實驗室”開發，用來測試不同的高爾夫技術和裝備[11]。FORPHEUS是一款能夠與人連續對打的乒乓球機器人，第三代FORPHEUS除了原有的根據球手發球的軌跡和強度來控制回球的功能之外，還借助人工智能技術掌握了新的絕技，可以記住球手的特征和球的軌跡的基礎上，通過連續對打來提高球手的水平[12]。此外，在上海體育學院中國乒乓球學院的訓練館里，已批量投入市場的乒乓球機器人龐伯特可以揮舞著機械臂為小球員做發球訓練[13]。日本本田研制的機器人Asimo不但能跑能走、上下階梯，動作靈巧，甚至還會踢足球，讓機器人踢足球的想法由來已久，目前FIRA國際機器人足球聯合會和ROBOTCUP國際機器人足球世界杯賽是世界上最有影響力的機器人足球賽事組織，不斷致力于推動足球機器人技術的發展。

目前，體育機器人參與體育運動和比賽的報道比比皆是，以“羽毛球機器人”“乒乓球機器人”“網球機器人”“籃球機器人”“足球機器人”等關鍵詞可以在網絡上找到大量人機對戰的報道和視頻。然而，目前人工智能及機器人技術尚未成熟，當下體育機器人智能度還不高，不能實現與人之間的自然互動。因此，目前體育機器人主要專注于技術層面，相關報道大多滲透著較為濃厚的娛樂性質，而對于體育精神的關注尚且不足。隨著人工智能技術的快速發展，智能體育機器人的智能化程度越來越高，其姿態、動作表現力和控制力越來越強，與人的互動也將更加自然，人們將更多的關注通過體育機器人所傳播的體育精神。那時，智能體育機器人必將對整個體育領域和產業產生顛覆性的影響，也會對體育教育形式與理念提出更高的要求。本研究探索智能體育機器人對體育教學改革的影響，相關成果可為未來智能機器人背景下的體育教育改革提供參考。

三、智能體育機器人對體育教學改革的促進

智能體育機器人主要可以通過以下幾種途徑促進體育教學改革。

（一）興趣引導，注重個性發展

個性化教育是進行教育創新的基礎和關鍵，2020年10月中國青年報《邁向大規模個性化教育》一文指出，個性化教育是深入貫徹素質教育的客觀要求，更是智能時代教育變革的必然趨勢。在教育改革實踐中，“學校規模化教學”與“學生個性化需求”之間的矛盾仍然是我國當前面臨的教育主要矛盾之一[14]。現代學校教育由于應試升學要求高、班級人數規模大、學生課業負擔重，以及教師能力有限等原因，難以準確把握每個學生的個性特征和差異，難以為不同的學生制定不同的、個性化的教學方案。

在人工智能技術快速發展的時代背景下，用高新技術賦能破解現實難題是教育改革的有效途徑。智能體育機器人結合5G技術、云服務平臺，可以針對每個學生的心智、體育技能、知識、興趣、生長環境等特點進行全面綜合分析。通過大數據深度學習算法，為每個學生定制差異化的、個性化的培養方案，激發受教育者的興趣和學習的主動性。而這些在傳統教室里面利用講座或者教材的閱讀是無法實現的。

（二）內容豐富，訓練動作精準

體育教育經過長期的演化和發展，目前存在的體育項目極其繁多。2008年北京奧運會比賽項目共計28個大項、302個小項。以人類的記憶和能力，要實現體育項目教學的全面性是幾乎不可能的。體育教育者只能掌握幾個項目的相關知識和動作技能，但是受教育者的興趣、體質不同，適合每個人的體育項目也不一樣，這勢必導致受教育者的個性無法發揮，受教育過程中興趣和積極性不高。此外，傳統體育運動訓練多以經驗指導為準，主觀、機械式訓練為主，缺乏客觀、科學的標準指導，難以發揮訓練者自我機體的多方位調節機制[15]。而且，人類由于肢體空間感、技能表現力、年齡和身體素質等方面的不同，動作風格也難以達到精準。

智能體育機器人助力體育教學，可以在機器人的編程階段，通過精確算法實現動作精準與風格統一。在體育訓練過程中，排除經驗性和主觀性指導的不準確性，通過客觀的、科學的標準化指導充分發揮每個訓練員自我機體的全方位調節機制。另外，機器人不會遺忘，隨著目前半導體存儲器的發展，很小的芯片便可以存儲大量體育訓練項目，推動教學內容的全面性發展。訓練人員可以根據自身的體質特點、興趣愛好等有選擇地針對性訓練，不僅利于訓練人員的個性化發展，而且可以提高其積極性，利于其身心協同健康發展。

（三）損傷防控，實施科學救護

在進行體育運動鍛煉或訓練時，當機體難以承受相應運動負荷或因外力作用無法完成技術動作時，極易出現各類運動損傷，如急性的肌肉拉傷、關節脫位、骨折、骨裂、皮膚擦傷、出血、昏厥、休克甚至猝死等意外傷害事件[16]。此外，訓練人員思想麻痹，準備活動不充分和學習方法不嚴謹等也會導致意外的運動損傷。中華醫學會運動醫療分會候任主委、復旦大學附屬華山醫院的運動醫學科主任陳世益教授表示，運動損傷當前發病率占10%～20%，并且逐年升高。當發生運動損傷后，如果不能得到及時、正確的救治和護理，或者救治和護理方式不當，便會導致二次損傷、傷情惡化，甚至嚴重的后遺癥等發生，導致重大人身傷害事故。

智能運動機器人可以通過各種傳感技術，實時監測訓練人員的心率等生理指標變化，一旦出現異常，立即發出預警并給出建議措施。通過將機器人技術與高速計算、機器學習、深度學習和5G通訊結合，智能體育機器人可以實時地識別、記錄人體運動姿態，通過對人體各部位的加速度、角速度、重心變化等因素進行綜合分析，預判訓練員的姿態變化，防止如跌倒等意外狀況發生，從而很大程度上降低運動損傷的風險[17]。目前，在運動跌倒風險監測記錄中，SVM算法的精度已經可以達到95%[18]。此外，如果運動損傷發生，智能體育機器人也可以根據已記錄的數據和自身攜帶的監測技術，第一時間確定損傷部位和程度，做出科學合理的救護措施，避免人類救護員因無法快速判定損傷部位，或者救護經驗缺乏，甚至盲目救護等導致救護不及時、不正確而產生二次傷害和后遺癥等問題。

（四）過程監測，反饋及時準確

基于計算機視覺和智能傳感等技術，智能體育機器人可以對受教育者在訓練過程中的心率、肌肉疲勞、情緒等特征變化進行實時檢測，并將監測結果反饋給教師。教師可以基于監測結果了解受教育者的技能水平，動態調整授課方案及內容。對于集體性運動項目，智能體育機器人可進行戰術分析預測，全面考慮不同隊員的體質和技能條件，優化團隊戰術。

（五）智能陪練，促進技能提升

智能體育機器人可以打破體育運動在人與人之間的限制。對于普及度很廣的乒乓球、羽毛球和網球等運動，目前只能夠局限于人與人之間的合作。這就導致在實際教學訓練過程中要受到受訓人數、技能差異等問題的限制，如果搭檔之間的技能水平差異太大，必然導致受訓人員興趣低下，學習主動性不高，技能水平難以提升。智能體育機器人可以根據個人技能水平和需求，設計不同的動作和難度，解決訓練搭檔的技術性差異問題，促進體育教學增質提效。

四、存在問題

（一）體育精神本位弱化的風險

人類文明的發展始終離不開教育，高水平的教育發展則離不開科技的助力。在人工智能技術快速發展的時代背景下，用高新技術賦能破解現實難題是教育改革的有效途徑。智能體育機器人助力體育教學改革，推動體育發展是科技發展與社會變革的必然趨勢，能夠激發受教育者的興趣，寓教于樂。但是體育的功能不僅僅是休閑娛樂，還包括多重社會和文化意義[19]。任何科技產物都是一柄雙刃劍，從以往智能電腦、互聯網、智能手機、智能平板等技術發展與教育融合的經驗看，智能體育機器人助力體育教學存在演化為過度突出機器人在娛樂性、沖擊感和體育暴力，而體育精神被忽視的可能。

（二）用戶隱私泄露被盜的風險

互聯網、大數據等技術的高速發展給人類生活、學習和工作等方面都帶來了便利，但隨之而來的個人隱私泄露、被盜等問題也導致用戶遭受巨大的財產損失，甚至人身威脅。近幾年，網站、手機App等用戶隱私泄露事件屢見不鮮，信息安全問題也成為當前社會的危險因素之一。智能體育機器人結合5G技術和云服務平臺，既可以設計個性化教學內容和方法，也可以實時評估運動損傷風險，進行科學救護。這些都是以包括受訓人員個人信息在內的大數據為前提和基礎的信息一旦被泄露，很可能被無良商家出賣獲利，也可能被不法分子加以利用，從事詐騙、非法討債甚至綁架勒索等犯罪活動，對平臺用戶帶來巨大的人身財產威脅。

（三）事故責任劃分不清的風險

由于技術本身的缺陷，或者使用者使用不當，都會導致高新技術在應用過程中存在風險。智能體育機器人和其他科技產品一樣，無法做到絕對安全，尤其在尚無統一的技術路線和產品理念的情況下，各大公司所研發生產的機器人質量參差不齊，在使用的過程中難免存在發生事故的風險。而事故一旦發生，如何明確責任主體及原因，機器人、制造商和用戶之間的責任如何劃分等便成了亟需解決的關鍵性問題。另外，隨著人工智能技術的深入發展，機器人在技術的控制下將會表現出越來越高的自主性，涉及機器人與人交互中事故責任的分配問題將會越來越多，這對于本來就尚未健全的法律體系更是雪上加霜，需要我們深入思考。

五、解決策略

（一）加快科技助力社會發展的法律法規完善

法律制度是科技發展健康服務社會的重要保障，如果法律制度跟不上科學技術的發展，將導致科學技術濫用，危害社會安全。

目前，世界上很多國家都頒布了若干針對人工智能和機器人應用的治理政策。2015年1月歐盟議會法律事務委員會成立專門的小組，負責調查研究與機器人和人工智能領域發展相關的法律問題。2016年10月，發布《歐美機器人民事法律規則》。2018年4月，英國議會下屬的人工智能特別委員會發布《英國人工智能發展的計劃、能力與志向》。我國也曾在2017年7月，頒布《新一代人工智能發展規劃》，其中明確要求要“健全與人工智能應用相關的民事與刑事責任確認、隱私和產權的保護、信息安全利用等法律問題研究，建立追溯和問責制度”[3]。2019年6月國家新一代人工智能治理專業委員會發布《新一代人工智能治理原則—發展負責人的人工智能》，明確提出人工智能應用的八項原則，這些政策文件為人工智能及機器人的應用提供了法律保障。隨著人工智能與機器人技術的快速發展，未來科技產品的自主性越來越高，所涉及的法律和倫理問題越來越復雜。法律制度應隨科學技術的發展不斷完善，目前關于機器人是否應當擁有權力、道德能力如何構建以及道德責任如何界定等法律和倫理問題尚未解決，仍需要我們深入思考。

（二）加強智能體育教育高端人才的培養力度

智能體育機器人助力體育教學并不意味著體育教學將完全依賴于科學技術，否則將導致體育精神的喪失。智能體育機器人助力體育教學仍要以人為本，通過科學技術增質提效，因此人才的培養永遠是最關鍵的環節。在我國人工智能產業強勁的發展浪潮中，研究和應用人工智能技術的企業數量不斷增加，人才需求在短時間內激增，然而我國人工智能技術發展較晚，目前處于一種“行業火爆，人才稀缺”的狀態[20]。國務院在印發的《新一代人工智能發展規劃》中預計當前在我國人工智能的產業領域，有效人才的缺口達到近30萬。智能體育機器人技術不僅涉及機械設計、計算機、自動控制、人機交互、仿生學等多個理工類學科，還與體育教育、倫理等人文領域存在很大交叉，該方面的人才更是稀缺，遠遠無法滿足智能體育發展的需求。在此背景下，我國智能體育教育產業的發展需要加快對人工智能在體育領域人才的培養以及引進力度，為將來的智能體育產業的快速發展做好充足的人力儲備。

六、結語

隨著人工智能、5G通訊等技術的快速發展，機器人技術已逐步在各行各業釋放出巨大能量，為社會發展帶來新的挑戰和機遇。智能體育機器人助力體育教學改革，催動體育發展是在科學技術迅速發展的時代背景下，社會環境變革和教育發展需求的必然趨勢。本研究詳細闡述了智能體育機器人助力體育教學改革的主要途徑，并提出應當警惕體育精神本位弱化、用戶隱私泄露被盜、事故責任劃分不清等風險。隨著機器人的智能化程度越來越高，我國應當加快科技助力社會發展的法律法規的完善、加強智能體育教育高端人才的培養力度，進而為未來的智能體育產業和教育做好充分準備。

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★通訊作者：王鐵新（1965-），男，山西絳縣人，碩士，教授，研究方向：體育心理學、民間體育和民俗體育。

★課題項目：基于生態學視角的村落民俗體育發展環境評價模型及其實證研究，項目編號：18YJA890022。