人工智能技術視角下體育教學與體質健康監測發展探析

文 / 陳祁罕，章珠明

◆ 隨著數字時代的到來，大數據、人工智能、云計算 以及互聯網+等新一代信息化技術已廣泛應用于社會生活的方方面面，但在學校體育領域還處于起步階段。本文主要分析人工智能技術在中學體育教學與體質健康監測中的應用形式，明確基于人工智能的中學體育教學體系構建的具體功能，為課題研究及學校體育教學改革提供助力，為推進學校體育教學的智能化發展以及優化教學與評價方式提供有效幫助。

◆ 人工智能技術；體育教學；體質健康監測

隨著新一代信息技術的迅猛發展，尤其是人工智能技術的普遍應用，在各行各業中引入人工智能技術推動傳統生產模式的創新，已經具有廣泛的共識。隨著教育改革的不斷深化和教育創新水平的不斷提升，采用人工智能技術助力于教育改革已成為一種發展趨勢。同時，教育部《教育信息化2.0行動計劃》中也鼓勵將人工智能、大數據等技術應用于學校教育中[1]王廣亮,于順來.人工智能技術在大學生體育課堂教學改革中的應用探討[J].卷宗,2020,15(5):273.。

體育與健康學科相較于其他學科，更強調對學生參與學習的身體力行的評價，帶給了人工智能技術更廣闊的應用空間。因此，人工智能技術的發展也將推動學校體育教育的改革[2]獨姣琴.中小學智慧體育課堂發展的困境與路徑選擇[J].體育科技文獻通報,2021.29(3):27-28.。在此背景下，人工智能技術也開始被應用到體育教學和體質健康監測，為學校體育開展提供了新的思路。

1 人工智能技術在中學體育教學與體質健康監測中的應用形式

1.1 智能運動場館

體育教學不同于其他學科教學，其主要在室外場地進行，而且大多數學校受到運動場地少、上課班級多以及天氣影響等因素，教學效果與課堂管理受到較大影響。人工智能技術可以根據學校場地和教學實際對運動場館進行改善，對場地進行現場改造，實現體育場館、服務和管理等多維度的智慧化升級，充分提升場館的利用率。而且可以通過大數據自動采集、分析等手段輔助體育教師課堂教學、測試，使體育教學過程更安全、運動數據更科學、運動指導更合理。比如，人工智能技術視覺算法可以分析人體運動軌跡、智能顯示終端可以實現在線直播和錄像回放、智能傳感器全程自動采集運動數據以及體育云平臺數據統計分析等促進了學校體育教學的智能化，在提升體育教學效率的同時也能激發學生的學習興趣[3]王志華,楊世清.加大人工智能技術在中小學教育中應用探析[J].計算機產品與流通,2019(10):1.。

1.2 智能導師系統

智能導師系統是基于人工智能技術以及大數據技術的深化應用。其采用人工智能虛擬教師以及體育教師知識庫，并搭建在線學習平臺，實現學生遠程接入學習，并通過建立的教師教學評價與學生學習分析模型，評價和分析體育教師知識庫的完善情況以及學生在線學習的效果，從而讓體育教師為學生提供個性化輔導，系統也可以為學生提供全方位飲食、訓練計劃，并對其訓練結果進行量化分析和跟蹤評價，方便體育教師做出更有效的決策。

1.3 體育教育機器人

人工智能與其他學科交叉融合促進了教育人工智能的出現，教育應用機器人應運而生并可以輔助體育教師的教學工作。比如，開設學生個人學習賬戶，能夠實現學生日常的學習任務導覽、學習資源分享、學習情況排名等功能；具有學生個人自助學習體驗模塊，實現學生個性化學習的輔導，并具有體育知識大講堂，擴展學生的體育知識邊界；具備學生體育運動數據的采集功能，提供學生個人運動實時助手、學生體育運動數字畫像等功能，使其可以更好地幫助體育教師[4]蘇振陽.人工智能技術在體育比賽中的應用[J].遼寧體育科技,2015,37(3):2.。

1.4 智能可穿戴設備

通過利用現代通信和傳感器記錄并監測學生運動或靜止狀態下的生命數據，包括肌電、呼吸、體溫、心率、血壓、血氧飽和度和血糖等生理參數，有助于及時發現運動中的學生生命體征存在的問題，并對其加以改善。比較典型的智能可穿戴設備有手環、手表、服飾等，這些產品具備便攜性、針對性、實時性和安全性等特點，現如今已經被應用到了體育教學中，幫助教師及時掌握學生的運動負荷量以及各項生理指標，以便預防運動損傷，保障教學行為的科學性。同時，智能可穿戴設備中保存的運動數據和生命體征數據，構成中學生的健康大數據基礎，通過對其進行全方位、多角度、多層次的采集，可以為體育教育提供有力的幫助。

1.5 運動視覺技術

運動視覺技術是利用攝像機和計算機對目標進行捕捉、跟蹤、測量等，通過人工智能算法實現體育動作自動識別來促進體育運動訓練的一項新興應用，相較于傳統的體育動作識別技術更具優越性[5]高佳,李芳,程濤,等.科技賦能體育教學初探索——北京市第五十五中學“全天監測“與健康體能干預研究[J].體育教學,2022,42(4):3.。將運動視覺技術應用到中學體育教學中，可以精準地智能識別學生的運動動作，從學生完成動作的質量、幅度、角度、軌跡等方面入手，分析其與標準動作的差距，結合動作回放與規范動作比對，幫助學生糾正技術動作，充分提升學生的學練有效性，激發其對體育學習的興趣。

1.6 自動化評測系統

“人工智能+體育”自動化評測系統可以實現體育教學的智能測評。通過大數據技術和體育專家知識圖譜為基礎，構建智能評價分析模型，自動分析和評價學生的作業完成情況與標準知識庫之間的差距，能夠非常便捷智能地幫助體育教師針對學生的體育學科學習情況進行跟蹤、指導和評價，即時得出評分結果并及時作出改善。該項技術目前已廣泛應用于中學生的體質健康測試中，且得到較好的應用反饋。

2 基于人工智能的中學體育教學體系構建

2.1 精準診斷

采用人工智能技術與大數據的體育教學管理系統，能夠便捷有效地獲取學生體育運動的數據信息，并通過運動視覺技術以及智能導師系統相結合的方式，精準地識別學生的基本運動畫像。通過學生的運動畫像，體育教師能夠實現對學生的針對性輔導，從而提高體育教學的有效性[6]郭遠冬.體育應用人工智能的價值與發展思路研究[J].運動,2018(13):2.。人工智能技術在體育教學中，可以對學生的人體運動姿態和運動軌跡進行跟蹤分析，計算每個練習者的學習心理與外在行為表現特征，刻畫出立體化、可視化的練習者畫像，方便體育教師對其進行精準化、個性化的輔導，使其更快掌握體育鍛煉的技巧[7]饒旭東.一種基于人工智能的運動健康數據采集管理處方,終端服務系統:CN110010223A[P].2019.。

2.2 過程監控

在人工智能技術的應用下，學?？梢越⒏咝У男@體育教學管理系統。這一系統可以根據學生的體育課堂出勤情況、體育動作姿態等分析學生體育課堂的學習效果，促進學生與體育教師的良性互動。比如，在體育課堂教學中，體育教師在傳授完某項體育動作技術后，即可通過校園體育教學管理系統進行實時測評，掌握學生運動技能的數據評價結果，及時改進課堂教學方法和修正體育課堂教學目標，以便更好地促進學生學習效果的達成。

2.3 個性化服務

人工智能技術還可以為中學體育教學個性化云服務平臺的構建提供基礎，將每個學生的心智、體育技能、體育知識等數據納入平臺中，通過平臺的算法來計算學生的運動學習個性偏向，尤其是學習者不同學習階段下體育學習活動方式或者行為習慣等，從而方便教師制定個性化的體育課程培養方案，進行因材施教和因學定教[8]饒旭東.一種基于人工智能的個性化體質健康終端服務系統:CN110010247A[P].2019.。

2.4 智慧化決策

采用人工智能技術與大數據的體育教學管理系統，可以構建體育教學與體育鍛煉的評價系統。比如，根據系統存儲的海量運動影像數據、學生體育成績數據等的分析，結合體育學科的專業知識，能夠指導體育教師根據學生的體育運動畫像，精準的布置體育家庭作業，完善自身的教學內容，制定更有效的體育教學決策[9]蔡筱燁.人工智能技術在大學體育課程中的應用探究[J].當代體育,2021(38):60-61.。

3 AI智能技術在體育教學與體質健康監測中的應用

3.1 應用系統概述

人工智能智慧體育基于人工智能視覺技術為核心，融合物聯網技術，搭建起校級體育大數據管理平臺，將體育教學、體育鍛煉、體質健康監測等多種應用場景通過智能化設備進行覆蓋，通過對體育運動過程進行數據捕捉，全面了解監測學生運動行為、運動能力，有效評估體育教學質量，提出改進、指導建議。

(1)人工智能體育智能設備

人工智能體育智能設備是用于體育運動過程的測評設備。該智能設備內嵌智能攝像頭及機器視覺算法，并具備無線通信傳輸能力。設備有多種形態，適合各種中學生體育運動和測評的場景，但各類形態的智能設備總體體積小、搬移方便，均能夠與體育教學平板等設備自動連接，無需繁雜的調試配置等操作。人工智能體育智能設備利用人體運動姿態識別和運動目標檢測算法，能夠實現對體育運動特征的智能識別和成績判定，如仰臥起坐、引體向上、斜身引體、跳繩、50/100m短跑、擲實心球、立定跳遠、800/1000m中長跑等中學生體育項目的智能測評及匯總，并通過無線數據傳輸模塊及時將現場的體育成績上傳至系統平臺。

(2)校園體育大數據系統

在日常的中學生體育教學、體育鍛煉等場景中，基于人工智能體育智能設備，采集到海量的中學生體育運動數據源，并有足夠的算例保證分析結果具備科學性；大數據系統再對數據進行加工、整理、挖掘，通過不同的維度，展示各種分析數據；分析后的數據，可以描述每位中學生運動的頻率、強度、時間、能力、習慣等指標，并為中學生精準描繪運動畫像，如身體發育狀況、運動項目的喜好度、運動成績波動趨勢、運動項目提升瓶頸等信息，為每一位中學生建立體質監測成長檔案。

(3)體育運動處方知識庫

體育老師授課學生數量較多，很難在記憶中形成對學生體育成績、運動技能、體質能力的準確認識，此時就需要大數據的信息支撐。大數據可將學生分為各個層級，針對各個層級學生的運動能力，采取不同的訓練方式。例如雙手頭上前擲實心球學習，學生技術動作規范、投擲要領也沒有問題，可能是腰部核心力量不夠，在瞬間的爆發力上沒有基礎力量做支撐。針對該學生的處方可以是仰臥起坐、平板支撐、俯臥挺身等，然后根據學生性別年齡特點，設定練習次數組數，以增強腰腹部力量。最終可以實現給學生精準布置課外體育作業，而且能夠實現精細化和個性化。

(4)體育家庭作業移動端軟件

體育教師根據學生課堂體育測評情況，布置體育課外作業。學生可通過家長智能手機的移動端軟件或校內人工智能體育鍛煉屏了解體育教師布置的體育作業，并及時完成。另外，移動端軟件能夠智能識別學生作業的完成情況，并上傳至校園體育大數據系統。大數據系統能夠根據各種維度匯總統計學生作業完成情況，并展示存在的主要問題，體育教師再結合系統反饋信息及時跟進學生的學習情況且針對學生實施精準的教學指導。同時，學生家長也可以通過移動互聯網接入本系統實時了解學生的運動數據和薄弱項，共同配合體育教師督促學生進行體育鍛煉，實現良好的家校共育。

3.2 應用成效及反饋

經過在福州多所學校展開多場景的中學體育教學應用嘗試，并形成常態化的學生體質健康數據。在體育教學應用方面，開展了86場體育教學活動，包括體育教研活動、體育公開課、日常體育教學等；在體育測試及體質監測方面，組織56場體育成績測評，共有20000多人次的中學生進行了體質監測及體育測試，包括體育項目模擬考、校園運動會、體質健康測試等場景；在中學生課間體育鍛煉及體育家庭作業實施方面，接入平臺參與體育鍛煉的中學生用戶數達到10000多人次，家長入住平臺達8000多人。

圖1 智能體育大數據分析系統界面

在體育教學與體質健康監測場景采用人工智能技術，獲得參與學校、體育教師以及學生家長的高度認可。一方面，改變了原有依靠體育教師的觀察和個人經驗進行教學的模式，實現體育課堂過程數據的有效及精準記錄，能夠實現對每位學生的精準教學評價與指導，形成的各維度數據能夠有效助力教學效果的改進和提升；另一方面，信息化手段的引入及規模應用，形成了中學體育教學、體育鍛煉的創新模式，能夠幫助體育教師實現更高效的教學活動，還可以依托信息化手段與學生家長建立家校共育的橋梁。

圖2 人工智能體育教學現場

4 結論

當前，我國的人工智能技術尚在研發完善階段，教育人工智能技術還需要進行大量的實踐，在中學體育教學和體質監測中的應用尚處于起步階段，相關的功能還需要進一步完善。因此，需要以動態發展的眼光來看待人工智能技術與體育學科的融合應用，以學生的身心健康為發展宗旨，審視當前階段體育教學信息化開展過程中存在的進步與不足，努力推動新一代信息技術在中學體育教育領域的應用探索與實踐，發展學生的體質健康，助力體育強國的建設。