人工智能在中小學生身體活動監測中的應用

摘 要：國家一直都很重視中小學生的體質健康問題，北京市也積極響應國家號召，制定一系列體育與健康考核方案。在中小學體育考核中加入過程性評價，旨在優化考核機制。當前，在過程性評價中，主要問題是中小學生的身體活動量達到推薦量比例較低。本文正是為了解決這一問題，采用人工智能方法，通過連續動態監測，為學校體育改革和體質健康促進提供客觀量化的數據支撐。

關鍵詞：體育與健康；過程性評價；身體活動；人工智能

中圖分類號：G623.8 文獻標識碼：B 文章編號：1005-2410（2024）10-0081-02

我國出臺《國家學生體質健康標準（2014年修訂）》，旨在促進學生體質健康發展，激勵學生積極進行身體鍛煉[1]，是學生發展核心素養體系和學業質量標準。2021年12月，北京舉行教育“雙減”工作第四場新聞發布會，發布《北京市義務教育體育與健康考核評價方案》，將國家學生體質健康測試結果計入中考，測試成績獲得良好以上，過程性考核即為滿分[2]。本次改革探索科學制定運動量、運動強度等評價指標，讓科學合理的鍛煉得以實現和推廣。

一、人工智能在中小學生身體活動監測中的作用

（一）評估學生身體活動量

中小學生身體活動量監測主要是對中小學生身體活動進行觀察、分析、反饋、引導和激勵，是體育與健康考核改革的重要評價依據。傳統的監測和評價方式主要依賴考核成績。在引入過程性評價后，中小學生每日的活動量計入過程性評價。而采用人工智能技術對中小學生日活動量進行持續性監測，解決傳統考核無法進行過程性、連續性評價的問題，使得評價方式更為客觀。

（二）中小學生身體活動量跟蹤和報告生成

對于中小學生身體活動量進行數據采集之后，采用人工智能算法對數據進行整理，例如數據預處理、數據分析、數據可視化等操作，對重點人群如小胖墩、小眼鏡等學生的身體活動量進行跟蹤，觀察其活動量是否達標，如圖1所示。根據各種監測裝備和設備采集的身體活動數據，智能生成學校、年級和班級群體和學生個人的身體活動報告。

（三）數據驅動學校體育活動評估

采用人工智能技術可以對學校體育活動（包括體育課活動與課間活動）進行評估。在體育課的活動中，采用人工智能技術對體育課的內容、練習密度、能量消耗等方面展開評估。對課間活動，采用人工智能技術對活動量進行評估，發揮課間活動的重要作用。

二、人工智能監測中小學生身體活動的方法

（一）基于傳感器的監測方法

很多研究中，測量身體活動的方法主要有直接測量法、間接測量法、心率監測法和問卷調查法等[3]，但這幾種測量方法中，有的設備昂貴、操作復雜，不適用于大規模連續性身體活動監測。運動健康領域的加速度運動傳感器被用來進行身體活動監測，可獲取有效數據進行分析處理，為運動健身提供科學依據[4]。但因其價格昂貴，需專業人員處理數據，且需佩戴于腰部，降低青少年的佩戴依從性，不適用于青少年身體活動監測。運動智能手環[5]通過與相應的手機應用軟件連接，可直觀地獲取能量消耗、日常步數等身體活動指標數據，從而可有效監控長期或短期的身體活動。

（二）基于計算機視覺的監測方法

在傳統的身體活動測量方法中，主要的方法有問卷調查法，但這種方法主觀性強、效度低。基于傳感器的方法中，如采用手環、心率帶等方法需要隨身佩戴傳感器，其經濟性、便捷性也較弱。

美國學者Carlson等將計算機視覺監測方法應用于學校、公園等場景下的身體活動水平測量[6]。采用計算機視覺對身體活動量的監測方法中，對監測對象的活動視頻作為數據分析的依據，采用人工智能算法中的神經網絡模型提取視頻中的特征值，測試集用于估算身體活動的總人數和進行中-高強度活動的人數。該研究與國際上應用較為廣泛的游憩行為觀察系統[8]相比，誤差更小、效度更高。

三、面臨的挑戰和未來展望

（一）人工智能應用的挑戰

1.學生身體活動量數據隱私和安全

由于在采集學生身體活動量數據時，會涉及到年齡、身高以及體測情況等個人數據，因此需要與家長和學校、教育監管部門協商，簽訂數據隱私保護協議。在使用數據進行人工智能算法分析時，需要刪掉個人信息，根據實際分析打包成模塊，對數據進行脫敏，進而保護學生的隱私和安全。

2.人工智能驅動監測和評估中的倫理考慮

人工智能驅動監測和評估引發了關于自動化系統的可靠性和問責制的倫理考慮。雖然人工智能算法可以分析大量數據并提供準確的評估，但需要確保這些系統是透明的、可解釋的和負責任的[8]。必須制定指導方針和法規，以解決偏見、公平和對人類決策的潛在影響等問題。應制定倫理框架，指導人工智能在監測和評估中的使用，并確保根據人工智能建議做出的決策是知情和負責任的。

3.人工智能的實施

在學校教育環境中實施人工智能會帶來一系列挑戰。其中包括需要技術專長來開發和維護人工智能系統，確保不同系統和平臺之間的操作性，以及足夠的計算能力和基礎設施的可用性。此外，教育工作者和醫療保健專業人員可能會對變革產生抵制，并擔心工作崗位流失。克服這些挑戰需要仔細規劃、培訓和資源投資以及有效的溝通，以解決人們的擔憂，并確保向基于人工智能的健康監測和評估順利過渡。

（二）未來展望

1.基于學校的身體活動監測方法的創新

傳統問卷調查的身體活動監測方法、基于傳感器的監測方法、基于計算機視覺的監測方法等，各有優缺點，但在身體活動監測需求不斷增加時，單一的監測方法已不能滿足實際需要，多維度的監測方法則可以解決這一問題。問卷調查方法雖然主觀性強，但其采集方式較為便捷。傳感器監測方法準確性雖然要比問卷調查好，但是學生佩戴時，會出現設備損壞或者不愿意攜帶等問題。而計算機視覺方法對于群體性的身體活動存在遮擋等問題。因此，需要幾種方法相互配合，兼顧優缺點，并且結合學校教師的課堂記錄等手段，對學生的身體活動進行多維度監測。

2.學校體育工作評價機制的創新

學校體育工作的考核和評價方式一直以來都是社會和教育管理部門關注的重點，同時也在不斷地優化。從僅在中考升學時的考核，到不僅有升學考核并且加入四年級、六年級、八年級分階段性考核，從分階段性考核再到加入過程性評價，不斷的改革是切合實際需求的，也是符合多維度多時段的評價，規避了單一評價的缺點。在今后的評價機制中，可以加入個性化的評價機制，以便更好地發掘學生的特長，也使得評價的機制更加靈活和多元化。

參考文獻：

[1]張一民.切實提高學生體質健康水平——《國家學生體質健康標準（2014年修訂）》解讀[J].體育教學， 2014（09）.

[2]樊偉，李忠誠，馬凌.北京市義務教育體育與健康考核評價改革思路及實施策略思考[J].體育教學， 2022，42（02）.

[3]唐高見，呂曉華.人體能量消耗的測量誤差[J].中國組織工程研究與臨床康復， 2008，12（02）.

[4]李爽，羅志增，孟明.基于加速度傳感器的下肢運動信息獲取方法[J].機電工程， 2009，26（01）.

[5]蒿瑩瑩，張琳，馬曉凱，等.運動智能手環監測身體活動量的效度研究進展[J]. 上海體育學院學報，2019，43（04）.

[6]楊雨馨，溫煦.基于計算機視覺的身體活動水平測量新方法[J].上海體育學院學報，2021，45（05）.

[7] Mckenzie T L， Cohen D A，Sehgal A，et al. System for Observing Play and Recreation in Communities （SOPARC）： Reliability and Feasibility Measures[J].Journal of Physical Activity & Health， 2006， 3 Suppl 1（supplement 1）：S208.

[8]段偉文.人工智能時代的價值審度與倫理調適[J].中國人民大學學報，2017， 31（06）.

[基金項目：北京市社會科學基金項目“北京市中小學日運動負荷監測與評價方法研究（22YTC038）]