人工智能在學校體育的應用與發展趨勢

文 / 莊弼，張懿

作者單位：1.廣州商學院，廣州；2.廣州市白云區金沙小學，廣州

青少年是祖國的未來，良好的體質是建設社會主義現代化、實現中華民族偉大復興的必要條件。如何科學、客觀、有效對學生在課外、校外參與體育鍛煉進行監督及測評，是新時代學校體育工作的重要任務。人工智能技術的應用給我們提供了強有力的支撐，由于不受時間、空間、地域等因素限制，人工智能技術的介入和應用能及時獲取學生體育鍛煉和活動的數據，并進行可視化分析，為提高學生體質健康水平及制定科學有效的促進提供數據支撐。

1 人工智能在學校體育中的應用

人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI。它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支，它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等[1]。人工智能在過去十年中從實驗室走向產業化生產，引領未來的價值已經凸顯，并為全球經濟和社會發展做出了不容忽視的貢獻。當前，人工智能已經迎來其發展史上的第三次浪潮，人工智能在語音識別、文本識別、視頻識別等感知領域取得了突破，成為引領新一輪科技革命和產業變革的戰略性技術。

智能設備最先應用于醫療領域中，對人們的睡眠狀態、心率、體脂等一些簡單指標進行監測，使人們可以觀測到身體指標的變化情況。隨之，被引入到學校體育之中，用于監測青少年體質健康、體育活動參與和運動狀態以及比賽情況等等。在體育教學和完成家庭作業方面，通過應用智能設備，能夠獲取學生運動軌跡及身體素質狀態等數據，并進行可視化分析，為教育行政部門、學校、教師在教學改革和體教融合各方面進行科學決策提供科學的數據支撐。人工智能技術在學校體育中的應用特征主要有以下幾方面。

1.1 精準監測

數據是人工智能的基礎，算法是人工智能的核心。利用智能設備移動端小程序、多媒體屏幕、智能穿戴設備、紅外線掃描等對大數據進行深度算法分析，精準記錄青少年課內外體育鍛煉及出勤情況，實時掌握學生體育鍛煉效果，追蹤學生全天的運動水平和特征，通過數據整合形成可操作性統計結果，減少受外部環境影響帶來的數據誤差，提高體育教學管理效率，整體統籌體育課程教學，為教師科學設計體育課堂運動負荷、體能素質測評以及培養學生樹立正確的健身方式提供依據，為學生體質健康的發展提供專業指導和具體解決方案。

1.2 多維評價

評價是教育教學重要組成部分。人工智能技術的應用引發了評價方法、內容以及形式的深刻變革，借助智能設備記錄學生課內外運動參與、考勤記錄等日常表現，以及全面獲取學生身體指標，如：身體協調性、靈敏性、心肺耐力、身高體重等，掌握學生各階段運動水平及成長路徑，對全體學生體育運動和成長健康進行全面數字化管理，形成綜合評價報告，從全方位多角度去分析學生發展需求，能夠隨時隨地通過學生在學習或運動時進行綜合評價，為學生身心健康發展提出更有效解決方案和專業指導，同時，能及時為家長和學生提供體能素質報告，為學生提前干預，提升體質，做好準備。

1.3 智慧決策

決策貫穿整個管理活動，科學決策是現代管理的核心，同時，精準的反饋是科學決策的重要依據。數據可以作為決策支持和分析的工具，利用人工智能技術獲取數據對教師教學及學生行為等進行可視化分析，并作出歸納推理，將人工智能與學校體育融合發展，以數據驅動引領學校體育教育智慧決策，從中幫助管理者調整學校體育管理策略，引導教師優化課堂教學，激發學生自主參與，為體育教師工作者及學生個體發展作出正確決策，為學生提供優質化的個性服務。

1.4 模式創建

技術動作形成規律從泛化-分化-固化到自動化四個階段，模式創建能夠為體育基礎知識與技能的學習創造一定條件。通過人工智能技術對數據進行整合歸納，可分為不同水平、不同性別、不同身體發育狀況等，并結合學生身心發展規律及學習能力的表現，為創建體育知識體系提供依據。采用人工智能技術將所得數據創建學習模式，有利于學生在學會、勤練、常賽中不斷鞏固知識、運用知識，同時可為學生創造新的學習體驗，滿足學生個性化發展需求，利用多種模式激發學生興趣，同時，也可不斷更新數據庫，將教學―學習模式及時調整至最優水平，達到體育教育的目標。

1.5 賽事監管

競賽活動作為體育活動的動力和杠桿，是學校體育發展的重要組成部分。賽事的公平公開公正性保證了學校競賽活動能夠有序開展。競技比賽中，常易出現裁判員誤判誤罰情況，最終導致賽事停止或是出現現場混亂的局面。如利用人工智能技術對賽事進行監控，能夠即時捕捉到比賽中容易產生誤判的動作，通過即時回放觀察，確定判罰與否，不僅提高了競賽執裁的準確性，同時，對競賽科學化管理提供了良好的條件。

2 人工智能技術在體育教學和學生體質健康監測中的應用

隨著科技的不斷發展，人工智能在體育教學和學生健康體質監測和促進中得到了一定程度的發展。2012年在鄭州舉行的全國第五屆體育教學觀摩展示活動上，組委會首次采用了可穿戴背心心率遙控技術，對參加展示的體育課進行了練習密度和運動負荷的測試，開創了人工智能技術在我國學校體育中的應用，從此以后，全國的各種教學觀摩活動大多都把穿戴背心心率遙控技術用于檢測體育課的運動負荷，大大提高了活動的科學性，中國教育科學研究院從2017年開始，在全國25個市(區)，21萬多名學生的運動監測數據，并利用穿戴設備及分析技術，在全國20個省的876節優秀體育課，57個體育大課間學生運動數據，提出了有效課堂教學建議和有效大課間體育鍛煉建議標準[2]。廣州市教育局于2018年開始建立“青少年體質健康和智慧體育管理平臺”，在全市28所中小學中開展“智慧學校體育課堂”試點工作，為學校及學生提供科學鍛煉的數據，提高學生參加鍛煉的積極性，有效的提高課堂教學質量，促進了學生體質健康水平。近10年來，人工智能技術在體育教學和學生體質鍛煉的應用不斷創新，不僅從功能上、形式上創新，而且對數據的收集更加精準有效，學校體育人工智能也從1.0升級至4.0，數據結果的可視化分析也更高效和科學，為促進學生體質健康的提升，提高體育課堂教學效率，實現學生家庭作業和校內外體育活動的實時測評與促進提供了科學、高效的服務平臺。

2.1 學校體育人工智能1.0系統

學校體育人工智能1.0系統(下稱“1.0系統”)是體育課或課外體育活動中采用穿戴設備測試系統，它是把穿戴背心、手環(或臂環)套在學生胸部、手腕或手臂，根據學生活動時的脈搏跳動情況反饋到平臺系統，平臺系統計算出學生活動的密度和強度。通過監控學生的運動負荷，能夠及時掌握學生體育課或體育活動的情況，為體育老師提供有效的運動負荷狀況，為學校及教育行政部門提供評價及決策依據。可穿戴設備具有平民化、小型化、集成化和便攜時尚化的特點，但也存在著服務科學化、功能豐富化、平臺虛擬化、設備私密性不足的問題。

2.2 學校體育人工智能2.0系統

學校體育人工智能2.0系統(下稱“2.0系統”)是采用穿戴設備遠端(家庭或戶外作業)進行測試的平臺系統，通過互聯網系統的輸送使遠端體育教學及鍛煉成為可能，無需人工參與，個體使用方便，不必規定鍛煉時間，效率高和統計結果準確，是對“1.0系統”的一種優化和升級。除此之外，該測試平臺具有實時性，能夠利用無線傳感技術將測試結果進行高效整理、統計并且進行分級公布和反饋，保證進行鍛煉的學生能夠第一時間獲知自己的鍛煉效果和反饋要求，也使家長和學校能夠掌握學生鍛煉或體育作業完成情況，但也存在學生及鍛煉人群必須在家里或鍛煉時間佩戴智能設備，需要大量的經費和設備，對大面積監控學生體質健康水平及完成家庭作業有一定的難度。

2.3 學校體育人工智能3.0系統

學校體育人工智能3.0系統(下稱“3.0系統”)是采用錄像和視頻測試系統，利用AI深度學習的運動跟蹤技術，通過智能手機或手提電腦拍攝并上傳運動狀況，即可識別人體運動動作，平臺通過動作在單位時間內完成的速度、運動軌跡等信息，對動作質量進行檢測，指導、糾錯和統計，及時提供運動負荷等數據。平臺能夠全面記錄學生的體能素質變化，能夠為家長、學校及教育行政部門提供學生課外、校外體育鍛煉統計總覽，AI體質監測分析，學生BMI數值等數據。平臺能夠完整配合體育課程的實施和體育活動的開展，全程智能監控學生鍛煉情況，為學生提供鍛煉計劃，對促使學生養成良好的運動習慣，落實校內、校外兩小時體育活動有事半功倍的作用。3.0系統還能夠為學生鍛煉和參加競賽提供服務平臺，平臺可以根據學生在一個月課內外鍛煉和競賽的成績進行統計和排隊，計算出每個學生每天鍛煉時間和參賽項目成績及各班團體成績，精準計算，大大減少教師統計的工作量。

2.4 學校體育人工智能4.0系統

學校體育人工智能4.0系統(下稱“4.0系統”)是采用智慧校園或家庭即時拍攝系統。通過攝像頭及智能傳感器的拍攝來識別人體的動作，利用人體的肢體語言來與計算機場景內容進行互動，只需要身體四肢做出相應動作即可與數據平臺進行交互及大數據分析，無需佩戴任何感應設備或手機、電腦等設備，是最新一代的人機交互方式。“4.0系統”利用AI深度學習的運動跟蹤技術，僅使用智能監控系統即可精準識別人體運動動作，并提供動作檢測、指導、糾錯和統計功能，支持各類型動作識別，支持橫豎屏切換，訓練，器材識別，如跳繩、球類等，實時反饋到鍛煉個體手機，及時評價及糾錯提醒，并進行智能語音播報(微動作、顫動提醒)，動作糾錯(精確到部位)；系統還具有防作弊功能，通過AI檢測、錄制以及照片抓取等有效方式防作弊手段，以達到提升運動效果的目的。智能4.0系統可以全面監控學生體育鍛煉情況，精準判斷學生活動軌跡及鍛煉強度，對全面落實校內、校外一小時體育鍛煉，全面推行全體學生參加體育活動及競賽，科學監控、評價學校全面貫徹落實體育課程、學生體質健康標準，深化學校體育改革有重要意義。

2.5 學校體育人工智能5.0系統

學校體育人工智能5.0是在4.0的基礎上建構個性化系統，它根據大數據平臺把每個學生的體質健康狀況儲存在系統中，能夠根據學生每次鍛煉情況及時進行綜合分析，并根據身體狀況提供最佳的鍛煉建議，及時提醒及糾偏，保證學生獲得最佳的鍛煉效果。

“1.0系統”和“2.0系統”具有反饋快速，數據統計準確的優點，但需要每個學生都配備智能佩戴設備，在現階段對全員開展檢測體育教學、課外體育活動和校外體育活動有一定的難度，但如果經費到位也是可以做到的，部分經濟發達地區可以先行先試。“3.0系統”和“4.0系統”不需要穿戴設備，充分利用手機、智慧校園等現有設備，能夠較大面積的推進校內外體育活動兩小時的落實，目前“3.0系統”已經開始應用在部分學校、家庭及運動場所，但智能化程度相對比較低，平臺只能識別人體運動動作，對動作質量進行檢測，指導、糾錯和統計，并提供練習時間，但還未能為學生提供準確的運動強度，未能達到精準監控學生鍛煉效果的需要。而“4.0系統”是比較完整的體質健康、鍛煉及競賽的監控系統，“5.0系統”更加人性化，但均需要5G+智慧校園、智慧家庭甚至智慧社區的支撐和普及才能完成，相信不久可以實現。

3 人工智能技術在學校體育中的應用

人工智能的誕生和發展推動著人類快速進步，也是新世紀引領未來教育發展的新領域。人工智能技術除應用于課外體育鍛煉監測以外，在體育課堂監測、數據化管理、訓練場館監測、訓練模式的創建以及賽事監測等方面的應用有以下幾種模式。

3.1 構建學生體質智慧監測系統

學生體質智慧監測系統是對全體學生的各項課堂運動指標進行實時監測和運動負荷異常報警，方便教師進行及時調整和干預；并支持教師以平板電腦、大屏幕無線投影等方式遠距離實時觀看，可隨時顯示所選擇的班級、個人的詳細運動指標；同時教師可自定義課程類型、名稱、長度、課程目標和時間分配。

北京第二實驗小學就通過對3～4年級每個班級45人，共1200名學生進行實驗研究，通過學生在體育課上的全部常態運動負荷數據予以數據的采集。在過程中，系統根據教師預設的參數可對學生發出實時提示，告知學生是否達到教師預設的鍛煉強度目標。在整個過程中，如果某位學生心率超過預設的警示心率，系統將會發出語音報警，同時該學生手環也會產生震動，這樣能確保體育鍛煉的安全順暢。所采集的數據包括班級和個人的平均心率、心率曲線圖、心率指數、最大心率、練習密度、平均強度、步數、熱值消耗等，這樣能夠更科學地調控課堂運動量，實時關注個體差異，通過數據的呈現進而采用相應的分層教學手段；課后，系統會對班級和個體數據進行自動分析并出具運動處方，有針對性的為學生制定課外鍛煉內容和專業指導[3]。

3.2 構建實時監測體育課運動負荷系統

針對解決體育課堂教學管理、實時追蹤監測學生運動負荷(常規體育課、游泳課、體育達標)等問題，為幫助學校健全體育運動傷害風險防范機制，建立課堂運動數據檔案等，四川大學體育學院采用了實時監測體育課運動負荷的POLAR(博能)系統。POLAR系統，采用內置傳感器的運動智能裝備，運動負荷、運動密度、運動時長、實時心率、最大心率等數據實時記錄和匯總，課程報告一鍵生成，教學目標完成情況一目了然，能夠實時監測；利用系統科學的算法與可視化技術，海量運動數據的采集、存儲、分析、評價、展示平臺，幫助教師完善課堂多元化、個性化的體育教學，進行科學的指導；可利用平臺為每一位學生建立運動健康成長檔案，長期跟蹤其進行體育運動的強度、頻率、時長等指標，為學生建立健康成長檔案；設置了超出設定目標的預警提醒功能，能有效降低運動損傷風險，為學校預防保健工作提供工具，鼓勵學生適度活動，建立健全防范機制提供數據支撐。系統采用了全球最精準的運動智能裝備及大數據分析技術，幫助教師徹底解決了傳統體育課“難量化、難記錄、難監督、難分析”的問題[3]。

3.3 創設智慧信息化管理系統平臺―游泳館

傳統游泳館管理辦法主要以人工管理為主，出現監管工作量大，管理人員多，管理粗放等問題。為解決高校體育場館的相關需求，復旦大學開發了“高校智慧場館‘無人化‘自助化’服務管理系統”―智慧游泳館信息化管理系統平臺。智能化系統友好地對接了校園網站、學校一卡通系統，并支持手機移動端訪問，生物識別技術通過“指靜脈錄入設備”實現，并能在用戶(學生)離校或提出申請后自動刪除全部信息。同時，可通過移動端智慧校園體育文化互動平臺與web后臺管理平臺進行數據聯動，實時查看場地在線預訂、場地信息、教練信息查看、課程報名、賽事報名、服務評價等情況。通過該系統實現了游泳館業務的信息化流程全覆蓋，配套游泳館會員管理系統、卡片管理系統、場地管理系統、可視化圖表分析系統、個性化定制開發自助辦卡售票系統、多功能閘機實時監控管理系統、運動客流實時監控系統、智能集控聯網衣柜管理系統、移動端智慧校園體育文化互動平臺、校園一卡通對接管理系統。為場館利用率及場館高效管理提供了解決方案[3]。

3.4 構建學校體育及校園足球一體化數據系統

學校體育及校園足球一體化數據能夠解決學校體育工作開展情況的管理、各年級學生體育課堂適宜負荷量的監控、學校足球隊訓練選拔比賽活動的數據化管理、全校師生的個人運動檔案的建設追蹤等問題。鄭州市第八十五中學引入了MTSports數字體教，該系統是以監測學校體育及校園足球運動中的數據為手段，通過構建學生的運動數據檔案，完成對學校體育及校園足球運動效果的客觀評價和成長追蹤。同時，以“學校體育+大數據”的應用形態，為每一名學生、每一名教師、每一位教育管理者和每一位家長建立起一套完整的學生成長記錄和評價系統，為各級教育管理者提供新的信息維度，形成體育活動“有追蹤、有結果、有考核”的創新管理模式。系統還借助于專業的運動監測設備，記錄學生日常體育教學以及校外體育活動的運動表現，準確獲取學生在運動狀態下數十項身體指標，針對校內體育活動，預計合理運動負荷(運動強度、練習密度、運動負荷、心率)，一鍵生成運動報告，教學目標完成情況一目了；針對校園足球訓練及校內競賽，以學生各運動指標為基礎，系統支持每個學生鍛煉效果及排名運動報告一鍵輸出，實現校園足球運動數據化管理；對區域教研員或有教研需求的老師，可通過對不同年級、不同班級、不同身體素質的學生課堂運動數據，對教學內容進行調整或課題輸出，學生原始數據支持導出[3]。

3.5 創建智能裝備一體化訓練模式

為科學合理定制課程教案、訓練模式，一站式提供設計規劃、設備配置、團隊組建、精細化管理等方案，人大附中三亞學校采用模塊化設計，集成化建設，最大化利用現有空間，個性化定制足球、網球、籃球等球類智能裝備和配套等智能設施。配套的智能運動裝備可以自動發球、自動回球、自動撿球，智能精準計算發球數、進球數、命中率、訓練量等。教師可以根據教學需要設置不同的教學訓練模式，設計多種教學方案，提高教學效率；同時學校智慧體育建設案例部門可以利用物聯網、云技術開展體育大數據統計分析和管理；還可以全自動陪學生練球，解放教師雙手，顛覆傳統教學方法，從傳統的點對點升級為一對多教模式；采用物聯網、云存儲、大數據管理系統，通過智能掃碼，實現無人化管理，可自動計時計費，實現流量分析統計[3]。

3.6 球類比賽中的界外球數字監測系統

球類比賽中界外球數字監測系統的主要特征是由光學三維運動實時跟蹤捕捉設備、數據信息處理系統、數字顯示和聲音警示、發光警示設備等組成。在羽毛球比賽中采用了壓電傳感技術系統，通過球與地板上的壓電材料相接觸，對壓電材料產生一定的機械壓力，檢測地板表面壓力產生的電信號，便可確切知道羽毛球與地板的接觸點的位置[4]。應用于網球比賽中的“即時回放系統”，它由8個或者10個高速攝像頭、四臺電腦和大屏幕組成。首先，借助電腦的強大計算能力，把比賽場地內的立體空間，分隔成以毫米計算的若干測量單位；其次，利用高速攝像頭從不同角度同時捕捉網球飛行軌跡的基本數據，再通過電腦計算，將這些數據生成三維圖像；最后，圖像利用即時成像技術，由大屏幕清晰地呈現出網球的運動路線及落點。應用于足球比賽中的電子發生器，即足球比賽中進球以及球員越位等電子即時判斷系統，它由硬件和軟件兩大系統構件組成。其中硬件系統由足球定位發射器、場地邊角定向發射器、攝像機、雷達測速器、球員定位發射器及場上裁判振動接收器等組成；軟件系統則由針對以上所述硬件進行開發的[5]。

4 結論

貫徹落實學生校內外鍛煉兩小時，切實提高學生體質健康水平是新時代深化學校體育改革的重要環節，也是學校教育評價體系中的重要組成部分。科學、高效地對學生進行體育教學效果、參與體育活動狀況、體質健康水平的綜合評價，對學校體育改革有著重要的意義。我國現階段對體育教學效果、家庭體育作業和學生體質健康的監測上，對人工智能的應用中還停留在學校體育人工智能1.0系統階段，甚至部分學校仍然采用傳統的人工測試，部分學校開始嘗試采用2.0系統布置家庭體育作業，也有學校引進了3.0技術，但就全國學校體育工作而言，人工智能技術的普及程度還比較低，應用人工智能迫在眉睫。

隨著人工智能在校園及家庭的快速發展和應用，隨之而來就是信息安全和道德倫理帶來的問題。“建立在大數據和深度學習基礎上的人工智能技術，需要海量數據來學習訓練算法，帶來了數據盜用、信息泄露和個人侵害的風險。許多個人信息如果被非法利用，將會構成對隱私權的侵犯。人工智能具有強大的數據收集、分析以及信息生成能力，可以生成和仿造很多東西，甚至包括人類自身。隨之而生的虛假信息、欺詐信息不僅會侵蝕社會的誠信體系，還會對國家的政治安全、經濟安全和社會穩定帶來負面影響”[6]。因此，學校在應用人工智能技術的同時，要有強烈的風險意識，包括在引進第三方合作機構，要從法律的角度保護學生、家庭、學校等方面的信息。建議從政府層面上加以規范和出臺相關政策。