智能機器人輔助網球教學實踐應用研究

惠向暉 董一村

1.河南農業大學信息與管理科學學院 河南 鄭州 450002；2.河南農業大學體育學院 河南 鄭州 450002

1 高校網球教學現狀分析

隨著我國改革開放不斷深化，社會主義市場經濟快速發展，人們的生活水平得到了顯著的提升。目前，人們的日常需求已經不僅局限于解決溫飽問題，而是開始更多地關注精神生活，積極地參與到體育鍛煉中去。網球作為全世界第二大球類運動，起源地來自于英國，于20世紀50年代傳入我國。網球作為一種球類運動項目，其自身兼具競技性、娛樂性和健身性，剛一出現就吸引了我國廣大人民群眾的濃厚興趣。網球運動技術動作相對較多，舉止有著高雅時尚的特點，有著較強的觀賞性。研究表明，經常參與網球運動有助于提高注意力，加快反應能力，對身體的力量、耐力、敏捷度和柔韌性有著明顯的提升。除了對人體的各項生理系統有著顯著的作用，還會培養人的審美能力，協調人們的身心健康。

對于當代大學生來說，在繁忙的學習之余，通過各種運動強健身體，提高身體素質已經成為一種常態。高校基于網球運動濃厚的群眾基礎以及滿足學生強身健體的需求，紛紛將其引入到高校體育教育活動中去。我國高校網球教育起步相對較晚，經過不斷地發展已經取得了一定的成績，但目前還是存在諸多問題。

1.1 師資力量相對不足

這主要有兩方面的問題，一個是網球教師基數少，教學隊伍薄弱。高校網球教學是一門相對較新的方向，師資隊伍的儲備本身不足，培養新的體育教師的速度明顯滿足不了高校的教學需求。這導致了一些體育老師需要身兼數職，同時上多門體育課程。對于體育教育資源投入本身有限的高校來說，開設一門新的課程無疑會增大教師結構的壓力[1]。

1.2 高校網球教學基礎設施匱乏

隨著我國體育教學多元化進程不斷發展，網球教育開始逐漸發展。但與籃球、乒乓球等運動教學不同，網球教育對基礎設施的投入相對較高。籃球、乒乓球的場地要求相對較少，設備購買成本較低，且后續維護成本極低。開展網球教學一方面需要設立專業的場地，其次還需要專門的場地設施，另外場地的維護成本相對較高。這導致在高校資金投入有限的情況下，學校的網球教學基礎設施往往不能滿足教學需求。或者為了降低場地維護成本，絕大多數網球場館只在上課時間開放，課下時間需要學生自費才可以進行相關訓練。

1.3 教學模式落后

目前，大多數高校的網球教學不太合理，其一課程總課時較多，絕大多數不超過24課時。其次，授課受眾面小，每學期名額有限，只有少數同學可以參與到自己喜愛的網球運動中，且在課余時間繼續鍛煉的機會較少。此外，教師的授課內容相對落后。因為場地等原因的限制，作為單人運動項目的網球，教學只能以大班授課形式開展。教師大多采用先講解，后演示，最后再允許同學實際鍛煉的方式授課。這種教育模式下，學生實際參與到教學活動環節中的受眾比例過小，很難調動起學生的積極性。

1.4 網球教學宣傳不到位

網球運動作為一項觀賞性和競技性都不差的運動，本身非常適合開展賽事活動。但目前大多數高校對網球比賽的重視程度不足，不能建立起以比賽吸引學生學習興趣，促進網球教學發展的良性循環。不同于籃球、足球、乒乓球等各種級別的賽事，目前高校內的網球賽事普及相對不足，僅依靠全國大學生網球比賽這種大型賽事不足以彌補學校宣傳工作的不足。通過舉辦院級、校級等不同級別的賽事，可以很好地宣傳網球運動，將網球運動帶入到學生的學習生活中。設立不同的獎勵機制，不僅可以促進校園網球運動的發展，還可以引起學生的積極性，營造濃烈的學習氛圍[2]。

2 智能機器人發展現狀

世界上第一臺工業機器人誕生于20世紀60年代的美國，從此以后，機器人的理念開始向世界傳播。隨后，在世界范圍內形成了以美國為核心，歐盟、日本等國家為主要成員的機器人自動化產業。機器人的最初設想是為了替代部分工人，從事不可進行人力操作的工作。隨著制造業的不斷發展，機器人技術也不斷成熟，開始向著精細化、自動化方向發展，逐步替代人力從事高精度工作。二十一世紀以來，互聯網、計算機技術不斷發展，機器人行業融合了各種先進網絡計算技術，開始朝著智能化方向發展。目前智能化機器人主要有以下特點。

2.1 技術復雜

智能化機器人相對于傳統機器人功能更多，更“智能”，所涉及的技術也更加廣泛。智能機器人在傳統機器人的基礎上進行升級，增加各類傳感器等外設，通過編程是這些設備統一工作，滿足更多的功能需求。涉及的知識不僅包含機械原理、力學原理、控制工程等，還包含計算機原理、電氣自動化、電子信息工程、機器視覺、人工智能等領域的技術。它融合了計算機的處理功能，傳感器的感知功能，算法的邏輯處理功能以及機械的控制功能。與傳統的機器人相比，智能機器人更加注重學科的交叉融合，技術的不斷創新。同時，它的應用場景更加廣泛，根據不同的需求，設定不同的功能，在和人的交互過程中效率更高[3]。

2.2 更加智能化

得益于機器學習、人工智能算法的不斷發展，目前智能機器人的程序也可以越來越智能，越來越精準。傳統的機器人程序一旦設定，功能將不再改變，隨著時間推進，其作用可能會不能滿足工作場景的需求。智能機器人則可以基于算法改進，在實際工作場景中不斷學習，對收集到的數據不斷訓練，以此來達到功能不斷更新，不斷追求精準化的目的。同時，智能化機器人可以對自身功能進行定期檢查，具備一定的自我分析和診斷功能。當出現機器功能故障時，可以進行系統自檢，提示問題大大致位置，有利于維修人員快速定位問題所在，降低維修的成本。

2.3 傳感器的大量使用

智能化機器人的發展方向是類人、仿生，為此就需要給機器人提供各種環境數據。集成電路、材料研究的快速發展使得各種各樣的傳感器得以研制出來，補充了機器人感知周圍環境的空白。傳感器將環境中各種各樣的信號轉化為電信號，然后傳輸給智能機器人。智能機器人對電子信號進行分析、處理、計算，判斷出各種場景，做出不同的響應。如光學傳感器可以將光信號轉化為電信號，賦予機器人視覺[4]。

智能機器人隨著計算機網絡技術的興起而逐漸發展，目前尚處在初期階段，在具體的使用上還存在著一些問題。

2.3.1 價格昂貴。目前不同功能的智能機器人尚處于研發階段，算法開發人員多是計算機相關專業人才，開發周期長，開發成本高。硬件研發所用的器材、芯片、傳感器等設備同樣價格不菲，且硬件開發工程師成本也相對較高。綜合軟硬件開發成本來看，對于不同功能的智能機器人價格少則幾萬元，多則幾十萬，上百萬。購買多套智能機器人對于普通高校來說，經費壓力較大。

2.3.2 性能不穩定。如前邊所說，智能機器人自身融合了多個學科的技術，設計的硬件配置較多，統一開發的配套服務軟件需要兼顧各個方面。這種情況下的系統非常復雜，系統開發需要各專業人才統一合作，分別負責不同模塊，底層處理邏輯較多，一個小的問題可能會導致整個系統的暫時崩潰。智能機器人的軟硬件開發尚未成熟，還需進一步進行體系研究發展。

3 智能機器人輔助網球教學應用

輔助教學機器人是一種以機器人作為教學工具，輔助教師和學生開展教學活動的新型機器人。它可以幫助教師以更加形象、更加便利的方式進行授課，也能更有效地、更直接的與學生進行互動，進而提升教學質量，提高學生的學習積極性。與多媒體的演示性教學不同，教學機器人更多的是直接參與到教師和學生之間的互動，作為教師的補充。它依賴于自身的各種傳感器，通過接收到的數據判斷學生的操作是否正確，如果出現問題可以及時糾正，可以使學生養成更好的實際操作規范[5]。

將智能機器人與網球教學相結合，可以解決目前高校網球教學的一些困境。首先，智能機器人直接參與到網球教學中可以明顯降低教師的工作量。在教學活動中，智能機器人可以直接充當陪練的角色，針對單一學生進行訓練，提供發球、撿球、指正學生技術動作等功能。此外，機器人可以在課余時間繼續工作。學生只需要提前預約即可在課余時間與機器人進行網球練習，一方面提升了網球場地的利用率，另一方面也可以提高學生的專業技巧。這樣下來，教師可以有更多的時間和精力來提升自己的專業知識以及改進授課方式和內容，更好地將其反饋給學生。未來網球教學輔助智能機器人的發展方向主要會朝著視覺動態捕捉更加準確、機動性更強、性能更加強大方向發展。目前，通用計算平臺的圖像處理技術飛速發展，對圖片中目標物的識別算法不斷完善。智能機器人的采用的處理芯片性能相對較弱，計算能力不如通用計算平臺。面對高速旋轉的網球，機器人通過攝像頭捕捉到的視頻信號很難做到快速、實時處理，視覺動態捕捉性能較差，這在智能化網球教學中是需要改善的。其次，目前運動教學機器人機動性較差，往往只能靠伺服電動機驅動輪子進行移動。而在網球運動中，運動員需要高速移動調整位置，從而以較為有利的姿勢進行擊球。未來的網球教學機器人應該做到陪練員的功能，可以實際模擬運動員的運動軌跡，對網球的運動軌跡進行預先估計，然后快速的移動到相應的位置。這就要求機器人的機動性進一步改善。同時，網球教學機器人作為一個平臺，還需要兼顧各個方面的功能，例如遠程授課、代替教師完成部分教學活動、對學生進行考試評估等。作為集成性平臺，功能越多，適用性越強[6]。

4 結束語

隨著市場經濟不斷發展，人們的生活需求日益增長，各項體育運動開始引起人們的關注。網球運動以其特有的觀賞性、競技性和娛樂性開始進入人們的生活，各高校也開始了相關的教學活動。計算機和機器人技術的不斷發展，使得智能化機器人開始出現。將其與網球教學活動相結合，可以改善高校目前的一些問題，提高教學質量。目前這些還處在初期階段，未來網球教學智能機器人還應朝著機器視覺更加完善、機動性更強、功能更加強大的方向發展。