數(shù)字孿生技術在中小學體育教育教學中的應用思考

文/王秋睿 張枝梅

隨著數(shù)字孿生技術的快速發(fā)展以及5G技術的逐步應用，數(shù)字孿生技術越來越多地賦能于各行各業(yè)。數(shù)字孿生技術由美國密歇根大學的Michael Grieve教授于2003年提出，該技術是通過各類技術手段，完整準確地描述目標對象在現(xiàn)實場景中的運行狀態(tài)，并以虛擬化的效果在數(shù)字管理系統(tǒng)中加以呈現(xiàn)的一種展示技術。2014年，數(shù)字孿生技術理論被美國國防部、NASA（美國國家航空航天局）、法國達索、德國西門子等公司接受并加以推廣。數(shù)字孿生技術同樣影響著中小學體育教育與教學的活動。本文通過對數(shù)字孿生技術在中小學體育教育教學中的意義與方法的闡述，旨在推進該技術在中小學體育教學中的進一步應用，助力中小學教育教學水平的進一步提升。

一、數(shù)字孿生技術在中小學體育中的應用意義

（一）體育教育教學對象將更加廣泛化

對于中小學而言，數(shù)字孿生技術擴展了教學的場景，教師可以從更廣的層面獲取學生的動態(tài)。以往體育教學只能通過教師與學生面對面進行，而現(xiàn)在教師可以通過學生佩戴運動手環(huán)等可穿戴監(jiān)控設備，獲取實時的心率等運動體征，也可以在不佩戴可穿戴設備的情況下，通過視頻監(jiān)控分析學生的運動時長、運動強度。通過數(shù)字孿生技術，教師可以遠程獲取學生的運動情況，突破教學場地的限制。數(shù)字孿生技術的應用將使得育人場景移動化、數(shù)據(jù)化、生活化，讓人們無時無刻不在體驗數(shù)字孿生技術的服務，并享受其中的便利。同樣，在線教育根據(jù)其自身場景與特征，利用數(shù)字孿生技術擴大了目標對象的輻射范圍。

（二）體育教育教學對象將更加個性化

以往的數(shù)字化教學更加注重手段本身，往往忽略了目標對象的接受能力和接受習慣，使得數(shù)據(jù)收集過程與教學應用過程相脫節(jié)。解決這兩個過程的脫節(jié)問題，關鍵在于如何在學習環(huán)境中施加較小或不施加干擾的情況下伴隨式地采集學生數(shù)據(jù)，并進一步重塑學習環(huán)境的新形態(tài)。相關研究表明,目前數(shù)字化體育教學在中小學中應用不理想的現(xiàn)狀，主要核心問題是收集數(shù)據(jù)的過程不完整、不規(guī)范，導致缺失全面連續(xù)的數(shù)據(jù)，沒有充分考慮多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合。其建議利用人工智能手段，通過數(shù)字孿生方式進行量化評價，并進一步升級以往的數(shù)字畫像技術，利用數(shù)字孿生技術對教學對象進行刻畫，結合可穿戴技術、情感計算方法、機器學習方法等，收集整合多維數(shù)據(jù)，精準描摹目標對象。通過協(xié)同探究混合教學模式，同時發(fā)揮教師、技術的各自長處，使得兩者的結合產(chǎn)生“1+1>2”的效果。

體育教學也有同樣的問題。以往的中小學體育課，體育教師往往不得不針對一個班級的所有孩子安排同樣的運動訓練任務。在數(shù)字孿生技術的助力下，每一名學生的實時運動情況都將上報系統(tǒng)。結合每名學生的歷史運動成績，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)會結合體育運動的專家系統(tǒng)，有針對性地分析每名學生的運動能力，給出不同的運動方式和強度建議。

（三）體育教育教學對象將更加系統(tǒng)化

數(shù)字孿生技術從宏觀、中觀、微觀三個層面對中小學體育教學對象施加影響。

在宏觀上，數(shù)字孿生技術將學校、學生、家長這些子節(jié)點與社會總節(jié)點連接了起來，構建了家校社協(xié)同教育系統(tǒng)。學生每天運動強度、運動時長，都可以通過數(shù)字孿生得到監(jiān)控，從而使教育決策者知曉學生是否缺少運動量，并制定政策保障學生的體育鍛煉時間，也讓家長能夠根據(jù)孩子的實際情況安排不同的課余內(nèi)容。

在中觀上，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，學習者之間進行廣泛交互，構成了一個個新的群體。學生可以根據(jù)各自的興趣愛好組成不同的體育運動訓練小組，甚至可以打破學校的限制，在不同學校間組成共同的體育課程班級。尤其是針對一些小眾運動項目而言，一所學校的學生很可能難以達到組成班級的最低人數(shù)，但是有了數(shù)字孿生系統(tǒng)，這些問題都將得到解決。

在微觀上，數(shù)字孿生系統(tǒng)本身可以根據(jù)用戶數(shù)據(jù)，以事理圖譜的展現(xiàn)形式，為學習者提供豐富多彩的個性化選擇。系統(tǒng)可以通過學生瀏覽不同在線體育教學課程，分析學生的運動喜好，并提供可供選擇的教學課程和名師推薦。

（四）體育教育教學對象將更具趣味性

趣味性在體育教學中是很有必要的。有研究表明，游戲化的學習路徑可以增強學習效果，并強調(diào)教育產(chǎn)品設計要遵循趣味性、游戲性，增強系統(tǒng)的吸引力與參與度。數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅教學生體育課程，而且可以展示體育運動的背景知識、高水平比賽集錦、高水平運動員的成長軌跡等，讓學生在“追星”的過程中完成對自身的運動訓練，增強體質。

（五）實時反饋，提升體育教育教學質量

數(shù)字孿生系統(tǒng)的提出就是為了更好地獲取用戶的反饋。智慧化體育場館可以利用數(shù)字孿生技術全面分析和預測場館中人的運動特點，并實時監(jiān)測與統(tǒng)計，從而保證課程質量。在此基礎上，從使用者的角度出發(fā)，分析教師、學生怎樣利用數(shù)據(jù)的實時反饋，加強相互之間的聯(lián)系，破除提升教育教學方法的不利因素也是提升體育教學質量的有益路徑。通過上述方法，可以更加確信數(shù)字孿生系統(tǒng)將改變現(xiàn)有的體育教育教學方式，從而促進中小學體育教學質量的提升。

二、數(shù)字孿生技術在中小學體育中的應用方法與手段

筆者認為，中小學體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立應包括4個流程：重構、建模、反饋、干預（圖1）。

圖1 中小學體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)流程

（一）重構教育教學方式

通過數(shù)字孿生技術，教學過程的重構可以以教學組織方式、教育技術形態(tài)、教育覆蓋范圍、教學評價方式等進行。在此過程中，教師需要利用數(shù)字孿生技術關注學生復雜的學習過程中所遇到的問題，營造高效、輕松、愉快的學習環(huán)境。數(shù)字孿生系統(tǒng)若想在中小學起到實際的應用作用，就需要對整個中小學體育教育的諸多要素進行重構，做到深化技術、工具、內(nèi)容的協(xié)同，達成虛擬與現(xiàn)實的融合，彌合虛實交互的界限，提升交互感知能力與水平，使得學生能夠深度沉浸其中，實現(xiàn)教育教學的連續(xù)性。

具體而言，需要將學生個體的各體育預運動成績、身體機能指標、運動喜好、實時運動狀態(tài)、傷病與生病情況等指標都作為系統(tǒng)的參數(shù)，同時考慮所有群體的狀態(tài)，長時間、完整地收集、整理、分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容，形成豐富完整的數(shù)據(jù)支持。在此過程中，各類體感傳感設備、視頻捕捉設備、空間定位設備等都可以作為數(shù)據(jù)收集的輔助設備被納入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中。

（二）對教學對象進行建模

如果說數(shù)據(jù)的收集是利用數(shù)字孿生技術提升中小學體育教學水平的前提，那么對教學對象進行建模就是必要的基礎工作。以往的數(shù)據(jù)僅包括了少數(shù)影響變量，而新的數(shù)據(jù)的獲取將需要新的模型對之進行分析。新的數(shù)據(jù)可以有多種表示。從人機交互的角度而言，改變系統(tǒng)的界面某種程度上可以滿足不同學生的教學需求。進一步，通過用戶界面的特征，興趣相近的學生可以通過用戶畫像等手段建立對學生的分組，從而實現(xiàn)用戶聚類，為教學對象的建模打下良好基礎。從算法內(nèi)容的角度而言，有研究表明，利用數(shù)據(jù)關聯(lián)分析等手段，可以分析影響教學效果的各類因素，構建多特征、多領、多尺度的融合模型。融合模型可以很好地表示在線“教”與“學”的不同特點，促進“教”與“學”、“虛”與“實”深度融合的方式。

具體而言，需要將系統(tǒng)所需的個體的變量，作為參數(shù)輸入模型（圖2）。利用機器學習甚至深度學習的強大模型擬合能力，采用中小學生個體體育運動的多運動尺度、多時間尺度因素分析，并不斷通過系統(tǒng)的迭代學習，最終生成能夠準確描述個體運動特點的特征，該特征向量可以為后續(xù)階段的決策提供可靠依據(jù)。

圖2 數(shù)字孿生建模方法

（三）注重系統(tǒng)反饋

系統(tǒng)反饋是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)承上啟下的一環(huán)，其為教育者提供了開展工作的數(shù)據(jù)內(nèi)容，反饋的形式可以是多種多樣的。在具體實際操作中，數(shù)字孿生技術是手段也是過程。要觸發(fā)學生真正的學習意愿，就要檢測教師、學生、數(shù)字孿生系統(tǒng)構建的新型教學共同體是否對學生有正面的促進作用。促進作用的評價標準需要考慮其中的理論基礎、學習環(huán)境、活動內(nèi)容、教學模式的構成要素等內(nèi)容，學習過程同樣要遵循驗證性，要多維化、具體化。圖3展示了一個具體的基于運動場地的數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例。我們可以看到，系統(tǒng)能夠實時反饋人員在場上的分布、人員的運動系統(tǒng)及位置、運動場景等內(nèi)容。該系統(tǒng)未來還可以進一步升級，對每名學生的運動種類、運動強度進行監(jiān)控。有了這些信息，體育運動專家、教師與家長可以直觀地掌握中小學生在場地運動的情況，為有針對性的運動教學與訓練提供依據(jù)。

圖3 數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例

（四）注重實踐干預

有了之前的步驟和相關信息，教師以及政策的制定者可以更好地改進教學內(nèi)容。在具體操作層面，數(shù)字孿生系統(tǒng)應具有虛實共生、數(shù)據(jù)驅動、友好交互、動態(tài)更新的特點，尤其是要循證教學實踐原則。而教學實踐則離不開人工干預這種切實有效的手段的運用，尤其是離不開基于人工智能自主決策、自主執(zhí)行的人工干預干預方法。

在人工干預方面，應當重視運動處方的作用。運動“處方”針對健康與非健康人群提供了定量的運動建議。當前，針對成年人的運動處方的研究已經(jīng)比較深入，內(nèi)容也比較健全。但是中小學生由于生長發(fā)育的進程不一致性較大，針對同一年齡的學生不應該同一標準。學術領域也應該加強針對中小學生的運動處方的研究。在基于人工智能的自主干預方面，系統(tǒng)可以建立在數(shù)字建模的基礎上，利用圖2中的個體運動特征，結合大量個體樣本，進行群體聚類，然后結合運動表現(xiàn)數(shù)據(jù)提升等因素，對自主干預模型進行訓練并不斷迭代，最終生成一套智能化的運動處方推薦系統(tǒng)。

三、結語

本文分析了數(shù)字孿生系統(tǒng)在中小學體育教育教學中的意義和作用，討論了建設中小學體育教學數(shù)字孿生系統(tǒng)的流程和方法。在利用智能化手段解決中小學體育教學過程中的問題已成為共識的大背景下，相信數(shù)字孿生技術對于提升中小學生身體素質、全面健康培養(yǎng)下一代會起到很好的示范與引領作用。