以智育人：智慧體能教室的系統構建

赫忠慧 郭鐘澤

（北京大學體育教研部 北京 100871）

1、引言

隨著信息化不斷發展，知識獲取方式和傳授方式發生了革命性變化，教育領域的數字化改革日漸加速。黨的十九大報告提出，要建設網絡強國、數字中國、智慧社會，“數字中國”上升為國家戰略，互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術全面應用于我國各領域建設，并取得決定性進展和顯著成效?！督逃?022年工作要點》提出“實施教育數字化戰略行動”，加快推進教育數字轉型與智能升級。隨著現代教育技術的發展，越來越多新型的教育技術被運用到教育中，對整個教育過程、教育體系都產生了很大的影響?！拔锫摼W”、“云平臺”等現代技術為傳統教室的智慧提升提供了支持，極大地促進了校園信息化的程度，而智慧教室的出現為改革學習過程和學習評價提供了技術支撐，滿足了不同課程體系以及不同師生的需求，進而得到了全新的學習體驗。

新時代，發展與提升青少年體能有著時代的必要性和可行性，隨著數字化運動數據監測設備和設施在體能訓練過程中的成熟運用，讓智慧體能教室的系統性發展成為可能。本文旨在探討基于智慧體能教室設計的需求分析前提下，進行智慧體能教室的系統化設計，并提出智慧體能教室的建設建議。

2、智慧體能教室的需求分析

智慧體能教室是針對在校學生以提升體質與健康水平而進行的專門化、專業化教室。結合傳統教學過程中與體能發展相關的學生體質與健康測評、體能課程教學、課外體育鍛煉等活動，有針對性地制訂智能化教室的系統設計方案，進而進行場地及設施設計，以及人體及運動數據采集與分析系統等架構分析。

2.1、《國家學生體質健康標準》測評的需要

《國家學生體質健康標準》（以下簡稱《標準》）是國家學校教育工作的基礎性指導文件和教育質量基本標準。《標準》從身體形態、身體機能和身體素質等方面綜合評定學生的體質健康水平，是學生體質健康的個體評價標準。測評指標中的身體形態及身體素質類指標可以作為體質健康水平的監測指標，也可以通過它們的變化來反映運動對體能的改善和提升效果，因此，《標準》測評指標可作為智能體能教室中重要的測評工具。

2.2、體質健康發展的需求

青少年時期是各項身體素質與身心發展的關鍵階段，然而中國青少年的體質健康水平呈現著連續下滑趨勢。已先后進行了8次的“中國學生體質與健康調研”結果顯示，從1995-2014年，中國兒童和青少年身體素質情況下降了167%，且不及1985年的水平。其中，有33%的青少年存在不同程度的健康隱患。細化至身體姿態這一領域，駝背、圓肩、高低肩、脊柱異常等身體姿態問題在青少年群體中較為多發，脊柱側彎已成為繼肥胖癥、近視之后中國兒童青少年健康的第三大隱患。

《普通高中體育與健康課程標準（2017版）》和2021年新頒布的《義務教育體育與健康課程標準》中都將發展體能作為技能發展的前提和基礎，在課時安排和教學內容等方面都提出了明確的要求。在體育教學中采用數字化教學資源、智能測評及運動處方指導方案等也已明確寫入課程標準中，引導著體育教學改革的方向。

3、智慧體能教室的系統設計

智慧教室是一種全新的教學環境，其依托泛在網絡環境等科技，以海量的數字化課程與教學教育資源為前提，融合多媒體技術、通信技術、傳感技術、人工智能技術、虛擬現實技術等，實現電子設備系統化管理、促進課堂交互開展，優化教學內容呈現，以師生互動為核心，實現“教”與“學”關系最優，具有情境感知和環境管理功能的新型教室。

智慧體能教室的系統設計應用智慧教室的上述技術，實現智慧教室的功能。還應遵循體能發展規律，充分體現發展體能的過程，且全方位呈現“智慧教育”的特征。發展體能的過程應體現體能基礎水平的測試與評價，體能訓練方案的實施與質量監控，以及體能發展的效果反饋。而智慧教育的主要特點包括：學習方式個性化，教育信息共享化，管理服務智能化。

3.1、智慧體能測評系統

體能測評系統基于體能測評的需求，系統開展《國家學生體質健康標準》測試與評估，同時圍繞體能發展所關注的身體姿態、身體功能篩查等測評項目，結合運動能力的測評滿足運動技能學習的需要。

體能測評數據的采集及統計分析采用目前通用的數據采集設備，如電子計時設備，電子測距設備，數字化計數設備，電子傳感器設備，壓力感應設備，人工智能動作捕捉系統等。通過發展較為成熟的外設設備將體能測試數據采集到評價管理系統，并依據評價標準進行評價，出具結果分析報告。

體能測評系統既可以對個體體能狀況進行測評、結果反饋，也可以針對不同群體開展群體數據分析，為個體進行運動處方指導提供依據，也可以為班級體能教學指導提供數據分析報告。

圖1 智慧體能評價系統結構示意圖

3.2、智慧體能運動監控系統

運動處方根據功能可以分為以發展健康體能的運動處方和發展運動體能的運動處方。運動處方根據不同目標進行設計，同時根據練習者的基礎體能狀況安排不同的運動處方方案。此外，很多體育教學課件也可以作為教學資源在教室里加以推送與應用。這些方案中通常包含運動的強度、時間、運動量等實時運動指標，也包括身體負荷等整體評估指標。上述運動實時數據的采集目前較常用的是可穿戴設備，如，以普通健身需求為導向,簡單輕便,個人常用的計步器、運動手環、運動手表等，還有一類以運動監控需求為導向，設備專業屬性強，可根據需要靈活調整采集指標和相關參數，設備佩戴安全性和舒適性高，如 GPS、加速度計、陀螺儀等。對于監控數據也通常會有相應的軟件支持及數據交互、云端交互功能。

圖2 智慧體能運動監控系統結構示意圖

3.3、智慧體能數據分析及管理平臺

智慧體能數據管理平臺可收集并整理的數據范圍廣且有針對性，可對練習者全方位的數據和信息實現數字化、系統化。體能訓練數據管理平臺應該具有技術成熟，用戶體驗友好，操作簡單有效，便于每天數據輸入和分析等特點。并且可以短時間生成準確、有針對性的數據分析報告。幫助練習者對其運動表現的變化做出準確的判斷，同時，也可選擇多樣的個性化定制方案來滿足練習者的需求。

智慧體能訓練數據平臺的設計應兼具靈活性和自定義性，輕松設置不同級別管理者、指導人員和練習者的操作權限。同時，大數據平臺還應該支持目前主流數字化體能測試儀器的后臺數據導入，可以通過直接上傳或間接導入的方式來進行數據傳輸，減少人工輸入的環節，并實現一站式體能測試和訓練數據的匯總、管理、存儲和分析，生成簡潔直觀的分析報告。

數據挖掘技術能夠把各個數據之間的相互聯系做出一個清晰明了的分析,進而發現一些具有很大價值的運動規律，達到對練習過程的有效控制。

圖3 智慧體能數據分析及管理平臺結構示意圖

4、建設智慧體能教室的建議

4.1、秉承“以人為中心”的設計理念

智慧體能教室在建設過程中，應采用“以人為中心”的設計理念，即遵循以學習者為主體的設計理念，應體現體能測評結果分析、運動方案實施過程監測以及運動質量及效果評估的需求。同時，智慧教室應具有高科技的智能技術與教學裝備，即要求網絡、云服務、智能行為分析系統、各種交互式設備等應成為標配；優化整合教學資源，優質教學資源獲取及推送服務便捷，實現線上線下的混合式教學；根據課程特點，充分運用先進技術和裝備，創設體驗型、主題型不同類型的教學情境，滿足不同需求。

4.2、堅持“以應用為中心”的建設原則

在建設智慧體能教室過程中，應堅持“以應用為中心”的原則，選取發展成熟的體能測評及數據監測采集等軟、硬件產品，保障數據采集過程中軟、硬件系統應用的流暢性與個人數據及隱私的安全性。在功能實現方面也應以實用性為出發點，充分考慮交互過程的操作更為便捷，設計應用操作便捷、界面清晰的交互界面，操作系統應有較高的糾錯容錯能力，從而讓智慧體能教室的使用更具實用價值。