可穿戴設備在校園足球訓練和教學信息化改革中的運用

劉慶廣 林晶

(1.同濟大學國際足球學院 上海 200082;2.上海松江二中(集團)初級中學 上海 201600)

2019 年，教育部已經認定了27000 多所校園足球特色校，參與校園足球活動的中小學生將近2000多萬。同時，教育部提出2022 年校園足球特色學校學生體質健康合格率將達到95%以上以及中小學生經常參加足球運動的人數超過3000萬的工作目標。全國校園足球運動的快速發展及校園足球賽事的迅速增多，迫切需要了解學生球員的訓練負荷、體能狀況、技戰術能力、傷病預警等綜合情況，為校園足球的發展提供科學的評估數據，提高其發展質量。

近年來，傳感和通信技術的發展使低成本和輕量化設備成為日常應用的可能，這些設備可以測量和遠程監測個人的重要生理體征和運動數據，如運動、心電圖、溫度和血氧飽和度水平等。這些可穿戴設備正在競技領域、大眾領域和體育科學領域得到廣泛應用，為競技運動員和學生的訓練及比賽數據的采集和大數據分析創造了條件。可穿戴傳感器可以貼在皮膚上或嵌入跑步者的衣服或鞋子中，可包含單個傳感器或者多個傳感器，如心率監測器（HRM）、慣性傳感器（IMU）和全球定位系統（GPS）等。IMU由加速度計（感知分段加速度）、陀螺儀（感知角位移）和磁力計（感知方向）組成。可穿戴設備通常通過數據卡將訓練數據進行存儲，或通過藍牙、WiFi技術將數據實時傳輸到計算機或移動設備?？纱┐髟O備現已被普遍使用在國內外足球運動的訓練和競賽實踐中，用以評估球員的身體素質、運動機能、運動負荷等，從而可以合理、科學地評價與改善選手及其運動隊的訓練質量和競賽成績。

同時，可穿戴技術的快速發展，推動著學校體育教學信息化的改革創新。可穿戴技術可作為一個很好的突破點與足球體育教學融合，通過移動互聯網和云端數據收集、整理、分析等功能，把學生足球體育活動的實時數據進行有效收集，可以科學、準確地反映學生的上課情況，給學生帶來更加科學的教學訓練與比賽體驗。數據化應用、信息化技術教學正成為信息時代發展的主要特點，積極推進現代信息化技術在教育界中的創新運用，形成科學化、數字化、可視化的教育教學系統，完成教育信息化轉變升級任務，是應對信息時代發展的必然抉擇。

1 可穿戴設備在足球運動中的應用研究

足球是一項深受世界人民歡迎的運動，吸引了大量的金融投資，尤其是在歐洲。足球教練團隊希望通過在球場上監測運動員的運動數據和生理數據，設置訓練負荷的處方，最大限度地提高運動員的表現并降低受傷風險。媒體也渴望為大眾提供球員參數（心率、速度和加速度、碰撞水平等），提高觀眾的參與度。

長期以來，體能教練和科研人員一直在嘗試使用各種生物醫學技術提升運動員的競技水平。然而，大部分的身體測試和檢查是在實驗室條件下進行的，獲得的結果可能與在比賽中觀察到的結果不一致。目前，科技的迅速發展帶動了設備的輕量化、便攜化、低成本化等，促使一些監測和檢查設備正在實現從訓練中監控運動員到比賽中監控運動員的跨越，可在比賽期間對運動員的運動數據和生理數據進行非侵入式采集和實時無線傳輸。GPS為更好地了解團隊運動的特定位置和生理水平提供了幫助，可用于設計訓練計劃，為運動員的比賽做好充分準備，以優化現場表現，專門用于足球運動的可穿戴設備在國內外的競技足球中已開始廣泛應用并發揮作用。

1.1 可穿戴設備在國外足球訓練和比賽中的應用

訓練負荷的量化和監控一直是許多運動科學研究的主題。可穿戴傳感器和跟蹤器（從背心到嵌入鞋中的GPS跟蹤器）能夠在訓練課程中，甚至在比賽中獲取詳細數據。通過對健身、訓練以及比賽的數據進行采集和分析，可視化顯示越來越得到人們的認可。運動手環、運動手表、心率帶是運動健身領域的主流應用。在足球領域，GPS 技術已成為比賽和訓練期間監控運動模式的標準工具，大量研究認為10HzGPS 最適合監測足球特定運動。Catapult、GPSports、STATsports、動量科技等便攜可穿戴設備依靠GPS，測量受試者每秒鐘的位置，通過HRM監測運動員心率并將其與不同動作和事件相關聯，通過IMU 在三個維度上記錄身體運動的加速度、反應、靈敏等獲得訓練負荷指標，包括總距離、步行距離、慢跑距離、跑步距離、沖刺距離、高強度沖刺距離、運動員的負荷和沖刺次數等外部負荷和平均心率及最高心率等內部負荷。

心率是足球運動中最常用的生理參數，在不同類型的足球運動和訓練中作為內部負荷的評估指標，已得到驗證［1-3］。訓練負荷監控可確保最佳工作負荷，以最大限度地提高身體素質并防止受傷或疾病。通過對美國大學體育協會女子三級足球2019 賽季的22 場比賽監測，發現比賽引起了最大心率74%的心率響應，峰值心率值相當于101%最大心率［4］。Makaje 對比了職業五人制球員和大學五人制球員在兩場比賽中心率變化，職業球員顯示出更高的心率需求，從而為比賽做好準備［5］。Nacho使用GPS和HR分析職業足球運動員的比賽運行情況、連續15min 比賽的距離、心率和表現效率指數證實，球員在比賽結束時，在所有比賽位置上的表現都會下降，邊后衛表現出最高和最健康的身體和生理水平，而中后衛的身體和生理水平分別最低和最不健康。

GPS 系統能夠追蹤足球運動員的移動距離、移動速度、加速度等［6］，也因此日益得到了足球教練團隊、足球體能團隊與足球科研團隊的重視和青睞。還有眾多研究人員對GPSports 與Catapult 提供了信效率和準確度的實驗驗證［7-10］，并廣泛應用到U8～U20足球運動員的運動表現和競技分析中［11-14］，監測不同位置、不同訓練、不同競技水平運動員高強度活動的外部負荷概況，幫助管理球員負荷、優化恢復、降低受傷風險。研究發現，中場球員跑動的絕對和相對總距離最大，并表現為最高的低強度活動和每分鐘比賽的球員負荷。與中場球員相比，后衛每分鐘比賽的相對跑動距離和低強度活動明顯減少。前鋒在高強度下的跑動距離最長，而防守者在高強度心率下的時間百分比最高。訓練和比賽中的跑動距離會影響青年足球運動員過度運動損傷的發生率。教練應該設法監控球員的訓練負荷，并將這一指標納入決策中，以保護球員免受過度運動的傷害。

1.2 可穿戴設備在國內足球訓練和比賽中的應用

國內學者研究發現，GPS Catapult Optimeye S5裝備在測試足球運動員的跑動距離時具備足夠的精確度和信效度，可用于科學研究與教練指導［15］。對于新型可穿戴電子設備運用于校園足球訓練與比賽負荷的評估，汪雄等提出了可穿戴GPS和HRM可用于監測學生的外部負荷和內部負荷，能科學、準確地反映學生的訓練與比賽狀況［16］。

國內智能穿戴設備動量MT-Sports 足球運動監控系統，利用GPS和HRM心率監測背心或臂帶監測運動員外部負荷和內部負荷，已開始廣泛應用于中小學足球訓練和比賽的研究中。吳放認為，MT-Sports具有較高的信效度水平，能滿足對足球訓練和比賽負荷進行研究的需要，提出了跑動速度區間標準、外部負荷隨年齡增長規律、外部負荷明顯的位置特征等內容［17］。劉林則通過動量MT-Sports對國青U18國際教學比賽的數據進行統計分析，發現國青比賽的場均跑動距離約為9300m，平均心率為167 次/min，因位置不同，表現為不同的外部負荷特征［18］。周穎利用MT-sportsT2 剖析了2018年全國中學生足球錦標賽高中男子組比賽負荷的特征，并把他們與高水平隊伍之間的差距進行了對比，為校園足球教練員針對性訓練提供了科學依據［19］。在校園足球的運動訓練中，目前可穿戴設備的研究還相對較少，科學、合理地利用可穿戴電子設備，將成為未來校園足球訓練更加科學化的重要保障和發展趨勢。

2 足球體育教學信息化研究

世界衛生組織建議5～17 歲的兒童和青少年每天應參加60min的中度到劇烈的體力活動，大多數研究使用HRM 和IMU 來測量中度到劇烈的體力活動［20］。在國際上，只有20%的青少年符合這一建議［21］。學校在推廣青少年體育活動方面發揮著重要作用，在學校體育教學活動中，GPS、IMU、HRM、計步器等可以提取到每個人在練習中不同的運動數據，如心率、速度、距離、軌跡等，這些數據可以用來分析學生的體育活動類型，并對指導學生自主學習、教師有效改進教學方法、教學效果評價等都有很大的實用價值［21］。體育教師需運用多種資源，創新教學形式，促進學生對體育知識的理解，鼓勵他們加強體育鍛煉，養成良好的健身習慣。信息技術飛速發展的時代為體育可視化教學與研究提供了更加便捷、廣闊的發展平臺。

在學校傳統體育教學中引進信息化、數字化可以促進傳統教學發展，促進教學理念的更新［22］。以現代信息技術為基本的技術手段，將體育科學與信息技術的資源研究成果應用到教育實踐與教學活動中，對提高教師的教學質量、學生的身體鍛煉、組織教學的管理和決策等具有積極意義［23］?？茖W研究表明，將可穿戴設備運用到體育教學活動中，使學習體育能夠可視化、數據分析更為豐富、精準，對于烘托良好的運動課堂氣氛、監測體育鍛煉強度、提升動作技能、引起學生興趣、評價課堂教學、革新教學方法、培養教師研究與創新能力、防范運動傷害等具有重要價值和意義［24，25］。可穿戴感應裝置主要用于學校的足球教學過程中，能更好地監測團隊運動不同位置的運動負荷特征，對學生學習技戰術、認識足球體能有更形象的幫助，有助于教師進一步科學合理地制訂教學方案。

體育教學信息化教學研究，以文獻調查法、邏輯分析法為主要研究方法，實驗性研究偶有開展，特別是校園足球的實驗性研究更是極度缺乏。以運動大數據基因賦能校園足球發展新生態，加快信息技術在校園足球領域的創新應用，共同推動信息技術與體育教育的深度融合，已成為教育信息化2.0時代的首要任務。

3 可穿戴設備在校園足球運動中的應用展望

3.1 普及校園足球人才，健全校園足球數據檔案

通過長期對學生日常教學、訓練、聯賽等運動信息進行監測跟蹤，形成學生個人和團隊運動數據檔案。以此豐富完善校園足球數據分析應用，以大數據為基礎，輔助建立青少年足球人才篩選模式，以促進動態考察和科學預測在人才選拔機制中發揮的作用，提供高效、準確、快捷的人才選拔方案，建立具有特色的校園足球人才數據模型。

3.2 健全運動防護措施，提升教練隊伍的科學執教水平

利用高度精準的GPS 定位系統、HRM 等可穿戴設備，以實時可視化圖形展示足球教學測試、比賽和球員分析等數據信息，讓足球教練對球員跑動距離、最高速度、體能消耗、活動熱點圖、心率等進行全方位的解讀，從而更加智能化、數據化地掌握球隊及球員在訓練中的生理狀況和技戰術水平，確定與損傷相關的運動模式或訓練負荷，識別有可能在未來受傷或再次受傷的球員，評估和監控訓練負荷及其結果，從而為青少年提供更為科學的足球訓練方法，提升教練隊伍的科學執教水平。

3.3 依托大數據可視化平臺，提高校園足球建設水平

通過大數據平臺，圖形化、數字化，展示各區域、各學校校園足球工作的開展情況、水平差異以及學生運動成長變化，推進校園足球政策的落地，促進學校足球在普及中持續提升，為學校體育及校園足球教學、科研、管理施政和人才評估等工作提供全方位的基礎數據支撐。

3.4 推動學校體育教學信息化，實現學校課程改革

足球課教學、足球隊訓練、精英球員選拔、科研教研等產生的大數據，可通過可視化操作，讓更多青少年感受到足球的魅力，體驗到足球運動的樂趣，從而助力校園足球運動的發展規模和教學質量的提升。課程是促進學生發展的最重要載體，把高新技術應用到體育教學過程中，能促進體育教學的可視化、數字化、智能化，從而提高整個體育教學的創新能力。

4 結語

隨著科技進步和可穿戴技術的發展，可穿戴設備在校園足球中的應用也越來越頻繁和深入，為探究校園足球運動和校園足球人才選拔提供了更加便捷、科學的途徑。同時，充分利用可穿戴設備對足球訓練和教學實時監控和數據分析，對體育教學者改進訓練計劃，合理制訂教學方案以及對校園足球的教學信息化改革均有著重要意義。