新時代學校體育評價智慧大腦設計與構建研究

楊耿 梁俊威 蔡鐵 李欽 鄭家帆

(深圳信息職業技術學院 廣東深圳 518000)

體育強國是新時期我國體育工作改革和發展的目標與任務。2019年9月，國務院印發的《體育強國建設綱要》提出，要推進全民健身智慧化：運用物聯網、云計算等新信息技術，推進智慧體育建設。2020 年10 月，國務院印發的《關于全面加強和改進新時代學校體育工作的意見》指出，要積極完善體育評價機制：推進學校體育評價改革，完善體育教師崗位評價，健全教育督導評價體系。2021年10月，國家體育總局印發的《“十四五”體育發展規劃》指出，要緊緊圍繞體育強國建設目標，要求體育科研體系更加完備，科研創新機制更加靈活、保障能力進一步增強，信息技術在體育領域廣泛應用。2022年6月，廣東省委辦公廳響應國務院《關于全面加強和改進新時代學校體育工作的意見》，印發了《廣東省全面加強和改進新時代學校體育工作行動方案》，指出要全面改善辦學條件，加強場地設施建設，建立全省學校體育工作信息化平臺，推動學校體育智慧課堂和智能場館建設；全面深化教學改革，利用現代技術手段促進客觀公正評價，建立信息化測評系統，創新測評方法，到2035年，形成多樣化、現代化、高質量的學校體育體系。國家對體育建設的推進力度不斷加大，并在不斷的成果凸顯中完善學校體育建設的建議與實施。

國家大力推進體育強國的當下，充分利用新一代信息技術，尤其是人工智能、物聯網、大數據技術打造“+體育”，能夠引導高效地體育鍛煉，促進體育強國中體育教學的智慧化發展。新時代學校體育評價智慧大腦的構建，可為新時代學校體育評價精準、實時、量化的智能化數據采集提供有效方法，為新時代學校體育評價可視、動態、多維度的要素分析提供有效工具；基于大數據分析的評價結果，可進一步支持新時代學校體育工作的決策，并實現多樣化的體育擴展應用，并具備落地技術標準與實施方案。新時代學校體育評價智慧大腦的構建、應用與實施對體育教學應用價值以及激發拓展新研究方向的學術價值都發揮著重要作用。

1 新一代信息“技術+體育”研究現狀

隨著我國對體育強國政策的大力支持，很多研究者將新一代信息技術應用到體育行業項目中，推進“體育+”與“+體育”的打造。相比國外，我國在“新技術+體育”方面具有領先地位。實踐證明，“新技術+體育”對體育強國發揮了重要作用。目前，先進的信息技術在體育領域的應用面十分廣泛，而其中最為顯著的是人工智能、大數據、物聯網、區塊鏈等方面的技術應用。

在人工智能方面，應用最多的是針對運動中的人體姿態估計，如陶樹等［1］提出了結合姿態估計和時序分段網絡分析的羽毛球視頻動作識別方法，兼顧羽毛球動作時域定位與動作分類，滿足了羽毛球教練針對球員單打視頻中的動作進行輔助分析，以及用戶欣賞每種擊球動作的視頻集錦等多元化需求；張偉等人［2］針對體育網球錯誤技術動作識別，提出了基于機器視覺技術的體育網球錯誤技術動作識別方法，提高了體育網球錯誤技術動作的識別能力。在乒乓球運動的應用中，張傲等人［3］針對乒乓球運動視頻中人體動作的連續性，提出了改進深度神經網絡，搭建時空雙流卷積神經網絡進行乒乓球動作識別。

另外，成凌霄等人［4］通過雙目視覺圖像定位系統對乒乓球揮拍動作進行了研究，從眾多的乒乓球揮拍動作類型準確識別這些運動模式，對不同揮拍動作的分析發揮了重要作用。除了球類運動，在太極、舞蹈等方面，也有研究者展開了研究分析。如蔡興泉等人［5］針對當前線上太極拳學習自然交互性差、缺乏學習反饋等問題，提出了一種面向太極拳學習的人體姿態估計及相似度計算方法，同時開發了一款應用系統，使得太極拳學員可根據反饋結果練習和改善不標準動作；馬力輝等人［6］基于神經網絡對傳統太極拳動作進行識別分析，監測傳統太極拳長期練習者和短期練習者的典型動作“摟膝拗步”的肌電信號，分析行拳過程中上下肢以及軀干的主要肌肉的肌電信號變化，以此為練習者水平提升提供指導和依據。在體育舞蹈方面，王瑞等人［7］基于姿態估計技術提出“三位一體教學輔助技術”模式，應用于舞蹈教學場景，以提高整體教學質量，同時作為評價分析系統用于舞蹈在線考試的評分。

此外，在人工智能的人臉識別方面，阮鋒等人［8］基于深度卷積神經網絡對傳統乒乓球訓練系統的人臉識別準確率和識別率進行了提升。在虛擬現實方面，王天奕等人［9］構建了一種傳統賽艇訓練的全新輔助訓練模式，使用虛擬現實技術在虛擬場景中還原不同的風浪場景，結合智能外部設備為運動員提供虛擬的場景訓練。在目標檢測方面，徐克圣等人［10］改進YOLOv3的行人監測方法，將其應用到智慧足球場上，對足球場行人進行監測；包梓群等人［11］還針對深度學習技術在仰臥起坐測試領域的實時性較差的問題提出了一種改進目標檢測網絡的仰臥起坐測試計數算法，達到了較好的實時檢測效果。

在大數據方面，為全面了解我國體育大數據領域研究動態、熱點及發展趨勢，楊曉峰等［12］利用大數據技術，基于CiteSpace，以中國知網文獻為數據源構建了大數據知識圖譜，并對體育領域的現狀進行了分析；盧穎等人［13］從大數據視域，利用大數據分析技術解決體育場館火災風險評估動態指標不明確等問題，獲得了較好的體育場館動態火災風險評估指標體系。在區塊鏈方面，不少學者對其在體育行業多個方面的應用進行了評價和分析，如張惠彬等人［14］對區塊鏈技術中的非同質通證融入體育產業進行了全面分析，評價了數字藏品、非同質通證門票、非同質通證游戲、虛擬制造等新型體育業態；鴉新穎等人［15］采用文獻資料分析法等，將區塊鏈技術應用于我國體育賽事網絡版權保護，提出了區塊鏈技術適用于體育賽事網絡版權保護的思考和建議；王祥全等人［16］同樣采用文獻資料法等研究方法，對體育課程一體化建設中區塊鏈技術的應用場景選擇、架構設計和實現路徑等進行研究，結合區塊鏈和體育課程應用場景，構建多模塊的多鏈組合系統架構，實現“區塊鏈+體育”系統的共識、存儲、傳播和安全機制；蘇堅貞等人［17］以學生體質健康測試區塊鏈為研究對象，從平臺架構、應用前景、現實挑戰3 個向度進行分析。在物聯網方面，李尚濱等人［18］面向實時體育教學活動，運用物聯網技術、無線網絡技術，結合傳統校園網及IT 信息技術手段，提出了一種新型、動態、開放的體育網絡教學平臺設計，對促進學生對球類技術的理解、掌握和運用發揮重大作用。

然而，即使目前人工智能、大數據、區塊鏈、物聯網等技術在體育方面的應用逐漸廣泛，但推進我國體育強國道路的進程還需要更多的交叉研究。目前新一代信息技術在體育領域的研究成果明顯，但由于體育領域涉及面廣泛，將先進技術全面引入體育領域各方面，尤其是新時代體育評價，仍然需要大量工作。

2 新時代體育評價智慧大腦設計與構建

2.1 新時代體育評價智慧大腦的價值分析

在體育強國目標下，在全面建設新時代學校體育事業的過程中，需要對學校體育工作進行評價，可通過評價來找到優勢與短板，可通過評價來反向推動建設。因此，在學校體育評價工作上改革創新、面向未來，同樣需要可落地應用的多樣化、現代化、高質量的學校體育評價體系、評價方法與評價工具，這是新時代學校教育評價面臨的首要問題，如圖1所示。

圖1 新時代學校體育評價發展目標

現有學校體育評價研究工作大多為體系研究、方法研究、方向研究、策略與對策研究，缺少具體可實施落地的標準與方案。除此之外，過去的學校體育評價過程，依然存在著許多共性問題，如體育基礎設施狀況與使用情況數據缺失，教學與訓練過程沒有記錄，人工記錄數據真實性和完整性欠缺，評價大多依托專家且帶有一定的主觀性，評價各要素內在聯系缺少有效工具分析，缺少有效的決策支持，缺少可落地的技術標準與實施方案。國內外研究中，在教育與體育領域，智能感知與大數據分析技術嶄露頭角。通過物聯網可穿戴設備與人工智能機器視覺技術，可實現智能化、自動化的體育活動過程與結果的數據記錄；結合學生體檢、醫療數據，可利用大數據分析技術對體育活動與學生健康關系進行研究，或對教學方法與學生體能技能增長關系進行研究，進一步為學校體育教學與管理提供決策支持，提高體育教學與管理工作質量。

盡管在智慧城市、智慧交通、智慧金融等領域已經能實現智慧大腦：可量化的數據采集、可視化的數據分析與數據挖掘、可應用和實施的技術標準與方案，但在學校體育評價工作中相應的應用方法與實施方案依然缺失。因此，在新時代學校體育評價工作中，為解決過去學校體育評價過程的共性問題，需要基于智能感知技術與大數據分析技術，構建新時代體育評價智慧大腦，包括研究適應新時代體育評價工作的可量化精準數據采集技術應用方法與標準、可視化動態要素分析技術應用方法與標準、智慧大腦的應用實施方案。

新時代學校體育評價智慧大腦的構建，可為新時代學校體育評價精準、實時、量化的智能化數據采集提供有效方法；為新時代學校體育評價可視、動態、多維度的要素分析提供有效工具；為所述工具與方法的實現提供可普及的應用實施標準與方案。基于大數據分析的評價結果，可進一步支持新時代學校體育工作的決策，實現多樣化的體育擴展應用，并推進技術標準與實施方案落地。新時代體育評價智慧大腦可為新時代學校體育工作研究人員提供有效的數據基礎、分析手段、新的研究方向，其應用價值與學術價值情況，如圖2所示。

圖2 智慧大腦應用價值與學術價值

2.2 新時代體育工作智慧大腦總體框架與主要內容

智慧大腦構建需要具備相應的核心內容，包括適應新時代體育評價工作的可量化精準數據采集技術應用方法與標準；適應新時代體育評價工作的可視化動態要素分析技術應用方法與標準；適應新時代體育評價工作的智慧大腦應用實施方案。智慧大腦所具備的內容并不是新一代信息技術本身，而是如何在實際中落地應用這些成熟技術，實現新時代體育評價工作的現代化、多樣性、創新性與高質量。智慧大腦總體框架，如圖3所示。

圖3 智慧大腦總體框架

在構建新時代體育評價智慧大腦的過程中，存在數據問題，包括體育基礎設施狀況與使用情況數據缺失，教學與訓練過程沒有記錄，人工記錄數據真實性和完整性欠缺等。智慧大腦的構建需要對各級學校基礎設施數字化情況、體育活動數據采集智能化與信息化手段情況進行調研分析，匯總實施智能化數字化數據采集技術的條件和經驗。因此，智慧大腦關鍵組成部分之一是智能感知技術，包括數字傳感技術、5G 通信技術、人臉識別技術、動作識別技術與可穿戴設備技術，如圖4 所示。此類技術實時動態感知基礎設施數據、體育過程數據的能力決定了智慧大腦的感知能力與數據采集的精準度。在此基礎上，可以形成適應新時代體育評價工作的可量化精準數據采集技術應用方法與標準。

圖4 智慧大腦智能感知與可量化精準數據采集

在構建新時代體育評價智慧大腦的過程中，存在方式問題，包括評價大多依托專家且帶有一定的主觀性，評價各要素內在聯系缺少有效工具分析等。智慧大腦的構建需要對各級學校體育評價方法進行調研分析，匯總各類體育評價專家歷史評價內容，形成知識庫，并結合通過智能感知技術采集的可量化精準數據，利用人工智能與大數據分析技術成熟算法進行要素分析，如圖5 所示。具體包括對歷史知識庫與歷史評價方法進行學習，對可量化精準數據進行數據清洗、數據挖掘、數據關聯、語義分析、機器學習、智能分析，有效分析各要素內在聯系，形成多維度、多樣化、高質量的學校評價方法與指標。最終形成適應新時代體育評價工作的可視化動態要素分析技術應用方法與標準。

圖5 智慧大腦大數據分析與體育評價要素分析

在構建新時代體育評價智慧大腦的過程中，存在應用問題，包括缺少有效的決策支持，缺少可落地的實施方案。智慧大腦的構建需要在可量化精準數據采集技術與可視化動態要素分析技術應用方法與標準基礎上，探索能夠為體育教學、管理與活動提供有效的評價決策支持的方法，實現應急管理、選拔、教學管理、智能教練、決策分析等擴展應用。最終形成適應新時代各級學校體育評價工作的智慧大腦應用實施方案，包括目標要求、方式方法、技術規范、實施路徑、部署步驟、應用指導等內容，如圖6所示。

圖6 智慧大腦實施方案與擴展應用

3 新時代體育工作智慧大腦人工智能屬性

3.1 智慧大腦人工智能屬性主要內容

真正令智慧大腦具備智慧屬性的是人工智能技術，人工智能技術在體育教學、體能訓練、體育評價與體育工作中承擔著重要的任務。智慧大腦人工智能屬性的意義在于探索大數據時代與人工智能時代現代教育技術應用，優化體育教學與體能訓練教育技術手段，實現體育教學與體能訓練信息化、網絡化、互動互聯化，提升學校體育教學與體能訓練現代化水平。具體的人工智能技術屬性應該包括身份鑒別方法、隱私保護方法、運動防損傷方法。

鑒別學生身份方法，需要利用人工智能技術解決體育教學與體能訓練中學生身份的鑒別問題。在每年的體能測試、疫情應急情況下，需要有效鑒別學生的身份，研究應用人工智能技術中的機器視覺技術，實現學生身份鑒別，有效杜絕冒名頂替現象。保護學生隱私方法，需要利用人工智能技術，解決體育教學與體能訓練中的學生隱私問題。近年來，公民身份信息不斷被惡意泄露，給許多人帶來了財產損失，甚至影響了人身安全，需要研究應用人工智能技術中的匿名識別技術與安全防護技術，保護學生身份信息，有效杜絕信息泄露。為防止學生運動損傷，需要利用人工智能技術解決體育教學與體能訓練中的運動損傷問題。在學生體能訓練與運動過程中，為防止運動損傷，防止事故發生，需要研究應用人工智能技術中動作識別技術，在運動前判定學生肢體與身體狀況，有效防止運動損傷與事故發生。遠程自主可控方法，在應急管理情況下，需要依托人工智能技術，實現遠程自主體育教學與體能訓練方法，實現有效身份識別、隱私保護、運動數據采集與運動防損傷。上述智慧大腦人工智能屬性核心問題關系，如圖7所示。

圖7 智慧大腦人工智能屬性核心問題關系圖

3.2 智慧大腦人工智能技術方案

智慧大腦人工智能技術方案包括可分析構建體育教學與體能訓練中的AI身份識別與隱私保護方法、AI動作識別防損傷方法與遠程自主教學、訓練方法。

可分析構建體育教學與體能訓練中AI 身份識別與隱私保護方法。如圖8 所示，人工智能技術中人臉識別、掌紋識別、指紋識別的特性，結合體育教學管理方法，可有效識別學生身份并保護學生隱私，構建體育教學與體能訓練中身份識別與隱私保護方法。

圖8 體育教學與體能訓練中AI身份識別與隱私保護方法

可分析體育教學與體能訓練中AI 動作識別防損傷方法。如圖9 所示，通過人工智能技術中人體關節關鍵點識別技術、動作識別技術，結合運動處方、科學訓練方案、運動防損傷方法，提供有效的AI 動作識別防損傷方法與智能化方案。

圖9 體育教學與體能訓練中AI動作識別防損傷方法

可采用AI 與新一代信息技術實現遠程自主教學與訓練方案。應急管理下能夠依托人工智能技術實現遠程自主體育教學與體能訓練。如圖10所示，在疫情和其他應急情況下，解決遠程體育教學與體能訓練現存問題，基于移動互聯網在線課堂、AI 技術、科學評價與運動處方，通過人工智能技術實現應急管理下遠程自主體育教學與體能訓練。

圖10 遠程自主體育教學與體能訓練

4 結語

新時代學校體育評價智慧大腦的構建，為新時代學校體育評價精準、實時、量化的智能化數據采集提供了有效方法，為新時代學校體育評價可視、動態、多維度的要素分析提供了有效工具。基于大數據分析的評價結果支持新時代學校體育工作的決策，實現多樣化的體育擴展應用。新時代學校體育評價智慧大腦構建、應用與實施對體育教學應用價值以及激發拓展新研究方向的學術價值都發揮重要作用。目前新一代信息技術發展飛速，人工智能、大數據、區塊鏈、物聯網等領域均取得了大量先進成果，新一代信息技術在體育方面的應用越來越廣泛，結合到體育評價工作中，優化體育工作是必然趨勢。在大數據時代與人工智能時代的當下，利用新一代信息技術優化體育教學與體能訓練教育技術手段，實現體育教學與體能訓練信息化、網絡化、互動互聯化，提升體育教學與體能訓練現代化水平具有關鍵意義。如今體育教學科目眾多，體育活動種類眾多，同時各級學校對體育教育的重視程度與投入存在較大差距。這些問題直接影響了學校體育評價工作過程中各階段的運行，使學校體育工作評價的準確性和客觀性難以保證。在體育評價智慧大腦構建過程中所形成的技術方法、標準與實施方案難以窮盡所有情況，對南北差異、大眾學校的開辦、符合國家體育教學要求的科目和種類進行研究，可將校內外體育工作統一在一起，設計一套多維度、多層次、兼容性強的體育評價智慧大腦實施方案。