高爾夫智能導學系統的研究與設計

2020年，由于疫情的影響，網絡教育已經成為學校的主流教育形式，這對體育教學造成了很大的沖擊，所以加強學生的獨立性是非常必要的。基于這一特點，設計了高爾夫智能導學平臺，將在線教學與網絡技術有機地結合在一起，既能提高學生的知識儲備，又能獨立練習。學生在具有自主學習能力時，也為老師合理安排教學內容提供了強有力的輔助。

1 引言

1.1 選題背景

“人工智能”是研究和開發人類智能理論、方法、技術和應用體系的一種新興學科。2020年新冠肺炎病毒性疫情期間，“人工智能+教育”顯得尤為重要。智能導學系統（intelligent tutoring systems，ITS）是一種以人工智能和學習分析為基礎的智能導學系統，它包含了學習內容、教學策略和教學方式，能夠模仿人的教學行為。

高爾夫是一種通過使用不同的球桿（club）來使高爾夫球進入一個球洞（hole）的運動。高爾夫是一種獨特的運動，它使人在優美的自然環境中鍛煉身體，陶冶情操，修身養性；溝通技巧，被稱為“高雅的時尚運動”。是在目前已有通過虛擬現實實現室內運動中，運用最成熟的一項運動。

目前我們國家需要全面的發展人才，所以體育課堂需要進行改革與創新——素質教育。我國在新一代的人才的培育和全面推行素質教育，是一個很有遠見卓識的戰略決定。不再只把重點放在“升學率”上，也不再把精力放在培養“書呆子”上。教育不僅指教授課本知識，而是從多方面培育學生綜合素質：德、智、體、美、勞、科學、技術等全面發展。

1.2 選題目的與意義

在疫情期間，人們運動場地、范圍等很多都受到限制，因此中小學生以及大學生都需要一種適合室內的社交運動。高爾夫課程開設符合學生全面發展的需要，增加高爾夫課程使體育課的內容更具多樣性、娛樂性、文化性。高爾夫的特點與魅力均符合中小學的教育，高爾夫的引入能促進中小學教育。高爾夫的自身魅力吸引著學生，能有效激發學生學習體育的動機；高爾夫擁有著優美的動作、豐厚的文化底蘊，高爾夫不僅是可以鍛煉身體，還能提升學生的學識和智慧，提高自身的思想道德修養，優化學生的行為舉止。

同時，高爾夫運動是擊敗腰腹脂肪的有力武器，由于高爾夫的打法是一個整體的動作，它是由腰間的力量推動上臂來完成的，它是一個集協調、力量和爆發力于一體的整套動作。在打高爾夫球時，需要使用上肢的力氣，同時也可以通過訓練胸肌和上臂的其他部分來鍛煉。長期坐在辦公桌前容易佝僂的人，可以通過打高爾夫球來調理腰椎，預防腰椎間盤突出。

1.3 智能導學系統

智能導學系統（ITS）是以人工智能、計算機科學、教育學、心理學、數學建模、腦神經科學等為基礎形成的智能化學習環境。它通過對學習大數據進行聚類分析和智能評估，預測學習水平，發現學習問題，推薦個性化學習資源和策略，進而實現個性化精準學習和輔導。

2 需求分析

人工智能技術逐漸成熟的時代背景下，根據目前研究可以知人類教師不會被取代，但是AI也將會強勢介入教育行業，教育將會會變成人類教育者與AI工作協作完成的社會活動。因此，會利用AI技術工具的老師，將替代不會使用AI工具的老師。其中繁瑣的，機械，重復沒有技術性的教學工作會被AI替代，因此教師需要的是的培育學生能力，主要重心放在設計學習資源、設計學習工具、設計學習活動、設計學習評價。而今后的學習形態，不是以課堂講授為主的單一形態，一定是學生線上學習，實踐領域問題解決導向的項目學習，教師線下的督促、管理、陪伴三位一體的形態。

本文將以高爾夫教學為例，對高爾夫智能導學系統進行研究與設計，通過進過調查高爾夫教學需求，發現各方智能導學系統需要滿足以下幾方面的需求：

（1）導學系統的主要功能，包括：用戶登錄、身份識別、課程導學、訓練練習、導學系統界面設計等。

（2）高爾夫揮桿、推桿、轉體等動作，老師或教練很難通過肉眼捕捉，所以需要傳感器模塊采集學生相關數據，如通過陀螺儀傳感器和傾角傳感器采集揮桿中x、y、z軸方向的移動距離與角度，判斷學生揮桿動作是否規范。

（3）疫情期間人們對自身健康十分關注，在后疫情的體育課的期望不再僅僅滿足于成績達標，更需要的是培養體育愛好，養成健康生活習慣，所以在學習者模塊需要通過ECG貼片、GSR手環等可穿戴式設備監測學習者身體各項指標數據，對學習者狀態進行評估，并根據結果推薦適量適合的運動訓練計劃，實現個性化指導，增強學習者體質，體現體育教學的健康價值。

（4）高爾夫是一種商務社交運動，除了需要對動作掌握外，還需要了解相關的運動文化、社交禮儀等。所以，在教學模塊中，我們采取了“課程+習題”的方式，在完成了課程之后，學生可以通過課堂上的練習來鞏固自己的知識，也可以通過常規的練習方式來完成課后的練習。系統會根據學生的知識狀況，給出相應的問題，使其盡可能多地完成問題，從而達到最大程度的提高。

（5）在高爾夫運動學習中，除了有專業運動技能外，也有很多奇臺的技能需要，比如運動急救、運動營養、運動康復等技能。因此在專家模塊中也會根據學習者的興趣愛好，推薦相應的學習內容，打造“體育+”復合型人才。

3 系統設計

3.1 系統架構設計

“高爾夫”智能導學系統的開發以Java語言對系統代碼進行撰寫，選擇SSM框架進行系統開發，基礎架構為B/S（客戶端/瀏覽器）。其中前端頁面由靜態網頁CSS和JavaScript與動態網頁JSP開發技術結合，對于數據的存儲采用MySQL數據庫。

整個應用程序在服務器端有三層從上到下分為：數據庫、業務層、應用層。系統總體架構如圖1所示。

數據庫服務器，主要負責與數據庫進行數據操作，解決數據的交互性工作。

業務邏輯層提供了信息集成的機制，包括快速定位、數據收集等。功能模塊易于添加和刪除，系統對靈活性和可擴展性要求很高。在軟件工程的要求中，系統架構的設計是為了滿足高內聚和低耦合的要求，層間接觸緊密。

應用層提供對高爾夫課程資源訪問和信息交換，提供瀏覽、檢索等功能。不同級別的用戶授予不同的權限，權限不同功能不同。

層之間的通信需要接口完成。數據服務層存儲館藏信息。包括文本信息和數字媒體信息。三層結構模型：數據庫服務器、業務邏輯和應用，應用層是客戶的顯示界面。

3.2 系統功能設計

該平臺使用的用戶主要是學生和教師，而系統的維護需要管理員來完成。本系統主要側重在四個方面的設計：一是，教學模塊，主要為實踐教學方面，通過接受學習者信息，調用高爾夫教學資源信息，指定學習策略并進行管理；二是，專家模塊，其可以對測試題進行按著不同階段能力，進行分類處理，為同學們提供高效的學習平臺；三是，傳感器模塊，對高爾夫動作進行信息交互、數據預處理與分析；四是，學習者模塊，主要為學習者信息管理、評估學習者狀態、評估學習者體質健康、反饋教學質量。高爾夫智能導學平臺的功能結構圖如圖2所示。

4 系統運用

4.1 課前

學習過程是一種人人都能參加的具有創造性的實踐活動，學生可以從導學平臺上的高爾夫教材或視頻中了解到課程的內容、重點、難點，并根據教學大綱進行預習；平時也可以在課堂前進行一些運動練習，也可以進行一些簡單的高爾夫實操，還有一些比較困難的動作，也會有針對性的進行引導和提示，讓學員們能夠根據自己的水平，提前進行訓練。教師可以通過對學生的學習數據和完成情況的分析，來靈活地把握課堂教學的速度。

4.2 課中

老師強調了動作要領，容易忽視了細節，需要留給學員自主學習和實踐的時間。首先，根據平臺上的數據，老師根據學生在課堂上的實際操作數據，對基本的運動問題進行提問，運用已有的經驗進行練習，對新的運動問題進行分析與反思，并提出相應的解決方案，并在實踐中進行實踐。其次，按照不同的學生特征，將不同的同學分成不同的學習群體，使他們能夠更好地利用自己的特長，在教學過程中，教師可以對學生進行適當的引導和客觀評估，從而促進學生的自我意識，并最終掌握基本的高爾夫球運動。最后，老師將表現突出的學生的動作記錄下來，并將其上傳供其他學生參考。

4.3 課后

學生可以在任何時候登陸系統，按照每個人的身體素質，進行各種級別的訓練項目；老師根據問題對課程進行了相應的調整，課堂上對教學內容進行了修訂和改進，并對教學計劃進行了定期的調整。在課程實施中，運用問題為主導的教學方式，注重情境和問題的設置，關注學生的學習進程，從而使學員對高爾夫球的學習更容易上傳，并激發其創造性的思考與實踐。通過對問題的解析與實踐，使學生了解并掌握課程所需的基礎運動及相關的基礎理論，體會到自由發揮的快樂。教師在面對問題時，力求提升自己的職業素養，從而提升自己的職業能力。

5 結論

目前國內外在“AI+教育”（Artificial intelligence in education，AIED）上存在巨大差異，國外在這一領域的研究遠超國內。在科學科研方面，從論文數量變化可以看出，國內在2016年才開始重視對“AI+教育”引起了重視，而國外于2015年已經有相關研究。當國外的研究熱點已經是“智能導學系統”，而國內的科研卻還停留在“探討AI與教育融合的理論研究”階段，缺少大規模應用的成熟產品，缺乏對技術應用效果的研究評估。

同樣在企業產品方面，中國和美國基本上集中了世界“AI+教育”公司。其中美國公司以自適應技術為主和中國相比偏拍照應試類的公司敏感度較低。中國因本土特色漢語、文化等原因，“AI+教育”主要重點應用與語言學習和自適應，在兩個方向最多，比較成熟技術服務商應用目前主要是語音評測。但中國僅限于理論研究，自適應教學的實際效果市面上的與宣傳相比，還缺少有說服力的驗證數據。

體育教育與文理教學很多相似點也有差異點，比如體育教育更應該注重對學生的實際操作技能的培養與訓練熟練度，但很多體育也有相應的體育文化、體育理論學習。因此在未來的體育教學應以適應“互聯網+體育教育”的大背景，采用智慧引導教學展示、自由討論、疑惑問題共研等環節，實現“線上線下緊密結合、課內課外互為補充”的教學模式。在各環節考核之后，教師和學生就常見的一般問題進行了探討，給了他們一個思考的時間，讓他們進行更多的思考和聯系，實現“考、講、練結合，以能為本、以學為本”的教育目的。

本文主要以高爾夫專業為樣本進行研究，希望智能導學系統能在以后的發展中增加其他的體育項目，使之能夠持續地建立起一個更加合理的體育教學體系，從強大學生的實際操作和運動技能等方面入手，把體能與健康相結合，促進大學生體能的全面發展。同時也希望給中國在智能導學系統領域，提供理論研究依據。

通訊作者：張潔

（作者單位：武漢體育學院體育工程與信息技術學院）