大學生體質健康測試系統(tǒng)之后端數(shù)據服務子系統(tǒng)設計

賈震斌 徐芳 王宇 李雨辰 謝艷朋

摘? 要：在對大學生體質健康測試工作現(xiàn)狀調研和分析基礎上，研究了大學生體測工作中數(shù)據錄入、采集、分析的信息化流程，提出采用計算機后端數(shù)據服務系統(tǒng)處理前端APP錄入數(shù)據的設計路徑，報告了后端服務子系統(tǒng)中系統(tǒng)和用戶管理、數(shù)據管理模塊的數(shù)據結構以及數(shù)據服務接口實現(xiàn)方式，描述了數(shù)據分析可視化設計步驟，展望了后端數(shù)據服務系統(tǒng)改進方向。

關鍵詞：大學生體測;數(shù)據處理;后端服務;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）16-0001-05

Design of Back-end Data Service Subsystem for College Students Physical Health Testing System

JIA Zhenbin， XU Fang， WANG Yu， LI Yuchen， XIE Yanpeng

（Suzhou Vocational University， Suzhou? 215004， China）

Abstract： Based on the investigation and analysis of the current situation of college students’ physical health testing， this paper studies the informatization process of data entry， collection and analysis in college students’ physical testing， proposes the design path that uses the computer back-end data service system to process the data entered by the front-end APP， reports the data structure of system，user management，data management module in the back-end service subsystem， and the implementation mode of data service interface，describes the visualization design steps of data analysis，， and looks forward to the improvement direction of back-end data service system.

Keywords： college students physical testing; data processing; back-end service; system design

0? 引? 言

大學生體質健康測試是我國高校貫徹《中華人民共和國體育法》和《全民健身計劃綱要》的重要舉措，旨在通過對大學生進行體質測定，評價體質狀況和體育鍛煉效果，督促大學生參加體育鍛煉的有效機制，增強大學生體質。

我校體測工作的現(xiàn)狀是：（1）由體育部按班級組織體測，由負責體測老師在測試現(xiàn)場邊測試邊記錄學生體測成績;（2）體測現(xiàn)場成績記錄在紙質表格上，事后再由老師手工輸入電腦并人工核對數(shù)據后再上傳至國家體質測試中心。

上述現(xiàn)狀主要存在以下問題：（1）現(xiàn)場手工記錄體測成績方式具有工作量大、效率低、易出錯的弊端;（2）現(xiàn)場紙質記錄體測成績方式無法做到快速整理、登錄、公布測試成，學生無法及時了解自己的體測狀成績。（3）體測工作面廣量大，情況復雜，難以及時統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)學生缺測、漏測;（4）大量體測數(shù)據處于沉睡狀態(tài)，難以量化分析我校學生體質狀況歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

為此，我校計算工程學院與體育部師生進行了跨學科合作，對研發(fā)大學生體質健康測試管理系統(tǒng)的技術可行性進行了分析和研究，提出借助智能手機完成現(xiàn)場數(shù)據錄入、傳輸如圖1所示，后端采用Web網站和數(shù)據庫技術可以實現(xiàn)數(shù)據存儲和管理，結合體育專業(yè)理論和分析技術實現(xiàn)數(shù)據分析結果可視化效果，讓閑置數(shù)據“活”起來，更好地服務師生。

1? 系統(tǒng)分析

1.1? 需求分析

本項目主要需求目標是：利用現(xiàn)代科技手段，跨學科解決高校大學生體質健康測試錄入、傳輸、數(shù)據存儲和管理、數(shù)據分析和可視化，輔助體測大數(shù)據分析模型研究，提出大學生健康管理對策。

據此，我們確定項目研究內容包括：

（1）研究高職高專院校大學生體質測試工作現(xiàn)狀，體測項目數(shù)據記錄結構和特點，探索通過APP錄入、傳輸?shù)某Ｒ?guī)化流程;

（2）研究高職高專院校體質健康測試儀器設備特點，探索數(shù)據傳輸、存儲、管理和分析的實現(xiàn);

（3）利用體育專業(yè)理論，對高職高專院校學生體測數(shù)據進行分析，發(fā)現(xiàn)存在問題，探索問題原因，提出解決對策;

（4）針對上述研究內容，前端設計目標是實現(xiàn)基于Android系統(tǒng)智能手機的APP，由前端完成現(xiàn)場體測數(shù)據錄入和傳輸，后端設計目標是實現(xiàn)基于Web服務的數(shù)據庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據存儲和管理，結合體育專業(yè)理論和方法實現(xiàn)數(shù)據分析可視化。

后端數(shù)據服務子系統(tǒng)主要需求包括：

（1）系統(tǒng)與用戶管理。系統(tǒng)與用戶管理的需求包括登錄驗證、體測班級管理、體測老師管理、管理員管理等功能。

（2）數(shù)據管理。數(shù)據管理的需求包括獲取體測班級與學生信息、體測項目數(shù)據保存、獲取與修改。體測項目包括身高、體重、肺活量、左右眼裸眼視力、立定跳遠、坐位體前屈、一分種仰臥起坐、引體向上、50米跑、800米跑、1 000米跑。

（3）數(shù)據分析可視化。根據體育專業(yè)理論和方法，對當年和歷年體測數(shù)據進行統(tǒng)計，獲得學生體質情況的宏觀分析，并對統(tǒng)計分析結果進行可視化展示，包括曲線圖、直方圖、餅圖、散點圖、雷達圖等，為數(shù)據分析提供直觀形象的可視化效果圖。

1.2? 關鍵技術及其可行性

根據本項目需求，我們梳理了可支撐項目研究和開發(fā)的關鍵技術，后端數(shù)據服務子系統(tǒng)涉及的技術主要包括：HTTP網絡訪問技術、Web后臺服務技術、數(shù)據庫服務技術、計算機數(shù)據分析技術、數(shù)據可視化技術以及體育專業(yè)數(shù)據分析理論。

我們分析了關鍵技術的相互關系：

（1）HTTP網絡訪問技術是實現(xiàn)智能手機前端與后端服務之間數(shù)據連接的關鍵技術，目前技術方案成熟且豐富。Android應用訪問網絡常基于HTTP協(xié)議，Retrofit是一個RESTful風格的網絡請求框架，用注解描述網絡請求方式，配置網絡請求參數(shù)，可以高效方便地在客戶端定義RESTful風格的網絡請求，后端也將提供RESTful風格的網絡服務接口。

（2）后端Web服務是前端與數(shù)據庫服務之間的公共網關，是實現(xiàn)數(shù)據請求和響應的關鍵技術，從團隊成員技術背景出發(fā)，我們考慮以Tomcat作為Web服務器，以Servlet作為公共網關技術。

（3）數(shù)據庫服務技術是后臺數(shù)據存儲和管理的關鍵技術，同時為后續(xù)數(shù)據分析提供服務，開源數(shù)據庫系統(tǒng)MySQL功能強大且穩(wěn)定，可以滿足項目需求。

（4）計算機數(shù)據分析技術為體測數(shù)據的專業(yè)分析和可視化提供了數(shù)據分析基礎，數(shù)據可視化技術為體測數(shù)據直觀呈現(xiàn)和分析提供了可能性。從數(shù)據分析需求出發(fā)，同時兼顧項目后續(xù)研發(fā)中使用人工智能技術、大數(shù)據技術的需求，我們采用基于Python的數(shù)據分析和可視化技術。

（5）體育專業(yè)數(shù)據分析理論為本項目奠定了體測數(shù)據分析的理論基礎和模型;數(shù)據可視化的難點在于如何與體育專業(yè)理論相結果，從大量體測數(shù)據中分析和提取有價值信息。

2? 系統(tǒng)設計

針對系統(tǒng)分析和需求，我們設計了后端服務子系統(tǒng)的三大模塊：系統(tǒng)和用戶管理模塊、數(shù)據管理模塊以及可視化分析模塊，系統(tǒng)功能架構如圖2所示。

圖2? 系統(tǒng)功能架構圖

2.1? 數(shù)據庫設計

對于后端數(shù)據服務系統(tǒng)來說，數(shù)據庫是存儲和管理數(shù)據的核心，根據應用需求，主要設計了如下數(shù)據表：

2.1.1? 體測班級信息表

體測班級信息表主要用于管理體測負責教師與班級關系，體測班級信息表結構如表1所示。

2.1.2? 體測學生信息表

體測學生信息表是體測核心數(shù)據表，用于存儲和管理每一位學生的體測數(shù)據，體測項目名稱和表結構應與國家體測中心要求保持一致，方便后續(xù)報送數(shù)據。體測學生信息表結構如表2所示。

2.1.3? 體測教師與管理員信息表

體測教師與管理員信息表主要用于存儲和管理參加體測工作的教師信息以及管理員信息，以便系統(tǒng)為體測班級分配負責體測教師，管理員信息表用于存儲和管理后臺系統(tǒng)管理員信息，并在管理員登錄時進行相關安全認證，如連續(xù)登錄失敗次數(shù)、驗證碼等。根據我校情況，管理員通常是體測教師組成員。該表結構如表3所示。

表3? 體測教師與管理員信息表結構

字段名 類型 長度 小數(shù)位 非null 鍵 注釋

userName varchar 20 0 √ √ 用戶名（同教工號）

teacherName varchar 20 — — — 教師名稱

password varchar 255 — √ — 密碼

failNum int 2 — — — 登錄失敗次數(shù)

identifyingCode varchar 10 — — — 登錄驗證碼

permission int 2 — — — 用戶權限

2.2? 數(shù)據服務接口設計

后臺數(shù)據服務子系統(tǒng)通過網絡為前端APP應用提供數(shù)據服務，前端APP使用HTTP協(xié)議連接訪問后端數(shù)據服務功能，因此，后端系統(tǒng)服務的接口設計是重中之重。我們設計了三大服務模塊，每個模塊包含若干子功能，所有功能均通過RESTful風格的URL接口提供服務，接口HTTP請求方法均為POST，根據接口功能規(guī)定了不同的請求參數(shù)和返回結果，請求參數(shù)和返回結果均為JSON格式。用戶登錄接口協(xié)議的前端登錄界面如圖1所示。

以用戶登錄接口為例，接口協(xié)議為：

用戶登錄接口請求URL為：/project/user/login

用戶登錄接口請求方法為：POST

用戶登錄接口參數(shù)格式：JSON格式。參數(shù)名為：userName，password，identifyingCode

2.2.1? 登錄管理模塊

登錄管理模塊主要為前端APP提供用戶登錄、密碼修改等服務接口，密碼修改接口協(xié)議的前端界面如圖3所示。

2.2.2? 人員管理模塊

人員管理模塊主要接口有：管理員獲取所有班級、管理員為班級分配體測教師、根據教工號獲取體測班級信息、管理體測教師信息、管理參加體測學生。本模塊的班級管理模塊接口的前端界面如圖4所示。

2.2.3? 體測數(shù)據管理模塊

體測數(shù)據管理模塊是后端數(shù)據服務子系統(tǒng)的核心模塊，各個體測項目的數(shù)據存儲、修改、檢索等功能通過本模塊接口實現(xiàn)，本模塊除了定義體測項目數(shù)據接口，還包括獲取指定班級體測數(shù)據等接口。本模塊的體測項目管理前端界面如圖5所示。

3? 數(shù)據可視化接口設計

本項目后端服務不僅提供了體測數(shù)據存儲、檢索、修改和刪除等基本操作功能，還具有對當年或歷年體測數(shù)據進行統(tǒng)計分析功能，并對統(tǒng)計分析結果進行可視化展示，為數(shù)據分析提供形象直觀的可視化效果圖。

我們調研了目前主流的數(shù)據可視化技術路徑，結合團隊成員技術背景，選擇了Python+Flask+Pandas+Matplotlib的數(shù)據可視化路徑。

在數(shù)據可視化接口設計中，各Python函數(shù)庫分工合作，完成數(shù)據讀取、數(shù)據分析運算、可視化分析結果、可視化接口部署等工作：

（1）Python語言借助mysql-connector驅動模塊可以直接訪問MySQL數(shù)據庫，取得學生體測數(shù)據。

（2）Matplotlib繪圖函數(shù)庫提供了實現(xiàn)數(shù)據可視化的繪圖功能，可以繪制二維、三維的線型圖、直方圖、餅狀圖、散點圖、雷達圖等常見圖形。

（3）Pandas作為Python的數(shù)據分析函數(shù)庫，提供了高效易用的結構化數(shù)據分析能力，諸如歸并、重組、選擇、清洗和加工等數(shù)據操作。

（4）Flask是Python平臺的Web應用程序框架，可以快速構建符合RESTful風格的API，實現(xiàn)網絡應用程序（包括前端和后端）的開發(fā)，可以讓數(shù)據分析的可視化結果部署到網絡環(huán)境中。

數(shù)據可視化接口最終體現(xiàn)在前端APP界面中，如圖6所示。

4? 問題與展望

本文介紹項目已經初步實現(xiàn)并開始試用，目前已進入軟件著作權申請階段。試用過程中遇到的主要問題，包括：

（1）體測數(shù)據采集和記錄仍然需要手工錄入APP。

（2）數(shù)據分析模型如何更好地與體育專業(yè)理論和方法結合，提供更加實用的可視化圖表。

針對上述問題，我們考慮在下一步研發(fā)工作中，引入視覺識別和人工智能技術，利用智能手機攝像頭讀取并識別某些體測設備數(shù)據，如身高、體重數(shù)據，進一步減輕體測教師工作量。其次，研發(fā)團隊成員加強與體測教師合作，深入研究體育專業(yè)理論和方法，改進可視化圖表，提升實用價值。

5? 結? 論

本項目作為大學生體質健康測試系統(tǒng)的后端數(shù)據服務子系統(tǒng)，其設計與實現(xiàn)為前端APP提供了開發(fā)與應用平臺，同時作為省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目培養(yǎng)和鍛煉了學生的綜合開發(fā)能力，為項目后續(xù)研發(fā)打下了扎實基礎。

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作者簡介：賈震斌（1967—），男，漢族，江蘇蘇州人，講師，博士研究生，研究方向：移動應用開發(fā)、人工智能應用。