數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的應(yīng)用思考

文/王秋睿 張枝梅

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展以及5G技術(shù)的逐步應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)越來越多地賦能于各行各業(yè)。數(shù)字孿生技術(shù)由美國密歇根大學(xué)的Michael Grieve教授于2003年提出，該技術(shù)是通過各類技術(shù)手段，完整準(zhǔn)確地描述目標(biāo)對象在現(xiàn)實場景中的運行狀態(tài)，并以虛擬化的效果在數(shù)字管理系統(tǒng)中加以呈現(xiàn)的一種展示技術(shù)。2014年，數(shù)字孿生技術(shù)理論被美國國防部、NASA（美國國家航空航天局）、法國達索、德國西門子等公司接受并加以推廣。數(shù)字孿生技術(shù)同樣影響著中小學(xué)體育教育與教學(xué)的活動。本文通過對數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的意義與方法的闡述，旨在推進該技術(shù)在中小學(xué)體育教學(xué)中的進一步應(yīng)用，助力中小學(xué)教育教學(xué)水平的進一步提升。

一、數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育中的應(yīng)用意義

（一）體育教育教學(xué)對象將更加廣泛化

對于中小學(xué)而言，數(shù)字孿生技術(shù)擴展了教學(xué)的場景，教師可以從更廣的層面獲取學(xué)生的動態(tài)。以往體育教學(xué)只能通過教師與學(xué)生面對面進行，而現(xiàn)在教師可以通過學(xué)生佩戴運動手環(huán)等可穿戴監(jiān)控設(shè)備，獲取實時的心率等運動體征，也可以在不佩戴可穿戴設(shè)備的情況下，通過視頻監(jiān)控分析學(xué)生的運動時長、運動強度。通過數(shù)字孿生技術(shù)，教師可以遠程獲取學(xué)生的運動情況，突破教學(xué)場地的限制。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將使得育人場景移動化、數(shù)據(jù)化、生活化，讓人們無時無刻不在體驗數(shù)字孿生技術(shù)的服務(wù)，并享受其中的便利。同樣，在線教育根據(jù)其自身場景與特征，利用數(shù)字孿生技術(shù)擴大了目標(biāo)對象的輻射范圍。

（二）體育教育教學(xué)對象將更加個性化

以往的數(shù)字化教學(xué)更加注重手段本身，往往忽略了目標(biāo)對象的接受能力和接受習(xí)慣，使得數(shù)據(jù)收集過程與教學(xué)應(yīng)用過程相脫節(jié)。解決這兩個過程的脫節(jié)問題，關(guān)鍵在于如何在學(xué)習(xí)環(huán)境中施加較小或不施加干擾的情況下伴隨式地采集學(xué)生數(shù)據(jù)，并進一步重塑學(xué)習(xí)環(huán)境的新形態(tài)。相關(guān)研究表明,目前數(shù)字化體育教學(xué)在中小學(xué)中應(yīng)用不理想的現(xiàn)狀，主要核心問題是收集數(shù)據(jù)的過程不完整、不規(guī)范，導(dǎo)致缺失全面連續(xù)的數(shù)據(jù)，沒有充分考慮多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合。其建議利用人工智能手段，通過數(shù)字孿生方式進行量化評價，并進一步升級以往的數(shù)字畫像技術(shù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)對教學(xué)對象進行刻畫，結(jié)合可穿戴技術(shù)、情感計算方法、機器學(xué)習(xí)方法等，收集整合多維數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)描摹目標(biāo)對象。通過協(xié)同探究混合教學(xué)模式，同時發(fā)揮教師、技術(shù)的各自長處，使得兩者的結(jié)合產(chǎn)生“1+1>2”的效果。

體育教學(xué)也有同樣的問題。以往的中小學(xué)體育課，體育教師往往不得不針對一個班級的所有孩子安排同樣的運動訓(xùn)練任務(wù)。在數(shù)字孿生技術(shù)的助力下，每一名學(xué)生的實時運動情況都將上報系統(tǒng)。結(jié)合每名學(xué)生的歷史運動成績，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)會結(jié)合體育運動的專家系統(tǒng)，有針對性地分析每名學(xué)生的運動能力，給出不同的運動方式和強度建議。

（三）體育教育教學(xué)對象將更加系統(tǒng)化

數(shù)字孿生技術(shù)從宏觀、中觀、微觀三個層面對中小學(xué)體育教學(xué)對象施加影響。

在宏觀上，數(shù)字孿生技術(shù)將學(xué)校、學(xué)生、家長這些子節(jié)點與社會總節(jié)點連接了起來，構(gòu)建了家校社協(xié)同教育系統(tǒng)。學(xué)生每天運動強度、運動時長，都可以通過數(shù)字孿生得到監(jiān)控，從而使教育決策者知曉學(xué)生是否缺少運動量，并制定政策保障學(xué)生的體育鍛煉時間，也讓家長能夠根據(jù)孩子的實際情況安排不同的課余內(nèi)容。

在中觀上，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者之間進行廣泛交互，構(gòu)成了一個個新的群體。學(xué)生可以根據(jù)各自的興趣愛好組成不同的體育運動訓(xùn)練小組，甚至可以打破學(xué)校的限制，在不同學(xué)校間組成共同的體育課程班級。尤其是針對一些小眾運動項目而言，一所學(xué)校的學(xué)生很可能難以達到組成班級的最低人數(shù)，但是有了數(shù)字孿生系統(tǒng)，這些問題都將得到解決。

在微觀上，數(shù)字孿生系統(tǒng)本身可以根據(jù)用戶數(shù)據(jù)，以事理圖譜的展現(xiàn)形式，為學(xué)習(xí)者提供豐富多彩的個性化選擇。系統(tǒng)可以通過學(xué)生瀏覽不同在線體育教學(xué)課程，分析學(xué)生的運動喜好，并提供可供選擇的教學(xué)課程和名師推薦。

（四）體育教育教學(xué)對象將更具趣味性

趣味性在體育教學(xué)中是很有必要的。有研究表明，游戲化的學(xué)習(xí)路徑可以增強學(xué)習(xí)效果，并強調(diào)教育產(chǎn)品設(shè)計要遵循趣味性、游戲性，增強系統(tǒng)的吸引力與參與度。數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅教學(xué)生體育課程，而且可以展示體育運動的背景知識、高水平比賽集錦、高水平運動員的成長軌跡等，讓學(xué)生在“追星”的過程中完成對自身的運動訓(xùn)練，增強體質(zhì)。

（五）實時反饋，提升體育教育教學(xué)質(zhì)量

數(shù)字孿生系統(tǒng)的提出就是為了更好地獲取用戶的反饋。智慧化體育場館可以利用數(shù)字孿生技術(shù)全面分析和預(yù)測場館中人的運動特點，并實時監(jiān)測與統(tǒng)計，從而保證課程質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，從使用者的角度出發(fā)，分析教師、學(xué)生怎樣利用數(shù)據(jù)的實時反饋，加強相互之間的聯(lián)系，破除提升教育教學(xué)方法的不利因素也是提升體育教學(xué)質(zhì)量的有益路徑。通過上述方法，可以更加確信數(shù)字孿生系統(tǒng)將改變現(xiàn)有的體育教育教學(xué)方式，從而促進中小學(xué)體育教學(xué)質(zhì)量的提升。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育中的應(yīng)用方法與手段

筆者認為，中小學(xué)體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立應(yīng)包括4個流程：重構(gòu)、建模、反饋、干預(yù)（圖1）。

圖1 中小學(xué)體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)流程

（一）重構(gòu)教育教學(xué)方式

通過數(shù)字孿生技術(shù)，教學(xué)過程的重構(gòu)可以以教學(xué)組織方式、教育技術(shù)形態(tài)、教育覆蓋范圍、教學(xué)評價方式等進行。在此過程中，教師需要利用數(shù)字孿生技術(shù)關(guān)注學(xué)生復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題，營造高效、輕松、愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境。數(shù)字孿生系統(tǒng)若想在中小學(xué)起到實際的應(yīng)用作用，就需要對整個中小學(xué)體育教育的諸多要素進行重構(gòu)，做到深化技術(shù)、工具、內(nèi)容的協(xié)同，達成虛擬與現(xiàn)實的融合，彌合虛實交互的界限，提升交互感知能力與水平，使得學(xué)生能夠深度沉浸其中，實現(xiàn)教育教學(xué)的連續(xù)性。

具體而言，需要將學(xué)生個體的各體育預(yù)運動成績、身體機能指標(biāo)、運動喜好、實時運動狀態(tài)、傷病與生病情況等指標(biāo)都作為系統(tǒng)的參數(shù)，同時考慮所有群體的狀態(tài)，長時間、完整地收集、整理、分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容，形成豐富完整的數(shù)據(jù)支持。在此過程中，各類體感傳感設(shè)備、視頻捕捉設(shè)備、空間定位設(shè)備等都可以作為數(shù)據(jù)收集的輔助設(shè)備被納入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中。

（二）對教學(xué)對象進行建模

如果說數(shù)據(jù)的收集是利用數(shù)字孿生技術(shù)提升中小學(xué)體育教學(xué)水平的前提，那么對教學(xué)對象進行建模就是必要的基礎(chǔ)工作。以往的數(shù)據(jù)僅包括了少數(shù)影響變量，而新的數(shù)據(jù)的獲取將需要新的模型對之進行分析。新的數(shù)據(jù)可以有多種表示。從人機交互的角度而言，改變系統(tǒng)的界面某種程度上可以滿足不同學(xué)生的教學(xué)需求。進一步，通過用戶界面的特征，興趣相近的學(xué)生可以通過用戶畫像等手段建立對學(xué)生的分組，從而實現(xiàn)用戶聚類，為教學(xué)對象的建模打下良好基礎(chǔ)。從算法內(nèi)容的角度而言，有研究表明，利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析等手段，可以分析影響教學(xué)效果的各類因素，構(gòu)建多特征、多領(lǐng)、多尺度的融合模型。融合模型可以很好地表示在線“教”與“學(xué)”的不同特點，促進“教”與“學(xué)”、“虛”與“實”深度融合的方式。

具體而言，需要將系統(tǒng)所需的個體的變量，作為參數(shù)輸入模型（圖2）。利用機器學(xué)習(xí)甚至深度學(xué)習(xí)的強大模型擬合能力，采用中小學(xué)生個體體育運動的多運動尺度、多時間尺度因素分析，并不斷通過系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)，最終生成能夠準(zhǔn)確描述個體運動特點的特征，該特征向量可以為后續(xù)階段的決策提供可靠依據(jù)。

圖2 數(shù)字孿生建模方法

（三）注重系統(tǒng)反饋

系統(tǒng)反饋是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)承上啟下的一環(huán)，其為教育者提供了開展工作的數(shù)據(jù)內(nèi)容，反饋的形式可以是多種多樣的。在具體實際操作中，數(shù)字孿生技術(shù)是手段也是過程。要觸發(fā)學(xué)生真正的學(xué)習(xí)意愿，就要檢測教師、學(xué)生、數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的新型教學(xué)共同體是否對學(xué)生有正面的促進作用。促進作用的評價標(biāo)準(zhǔn)需要考慮其中的理論基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)環(huán)境、活動內(nèi)容、教學(xué)模式的構(gòu)成要素等內(nèi)容，學(xué)習(xí)過程同樣要遵循驗證性，要多維化、具體化。圖3展示了一個具體的基于運動場地的數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例。我們可以看到，系統(tǒng)能夠?qū)崟r反饋人員在場上的分布、人員的運動系統(tǒng)及位置、運動場景等內(nèi)容。該系統(tǒng)未來還可以進一步升級，對每名學(xué)生的運動種類、運動強度進行監(jiān)控。有了這些信息，體育運動專家、教師與家長可以直觀地掌握中小學(xué)生在場地運動的情況，為有針對性的運動教學(xué)與訓(xùn)練提供依據(jù)。

圖3 數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例

（四）注重實踐干預(yù)

有了之前的步驟和相關(guān)信息，教師以及政策的制定者可以更好地改進教學(xué)內(nèi)容。在具體操作層面，數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)具有虛實共生、數(shù)據(jù)驅(qū)動、友好交互、動態(tài)更新的特點，尤其是要循證教學(xué)實踐原則。而教學(xué)實踐則離不開人工干預(yù)這種切實有效的手段的運用，尤其是離不開基于人工智能自主決策、自主執(zhí)行的人工干預(yù)干預(yù)方法。

在人工干預(yù)方面，應(yīng)當(dāng)重視運動處方的作用。運動“處方”針對健康與非健康人群提供了定量的運動建議。當(dāng)前，針對成年人的運動處方的研究已經(jīng)比較深入，內(nèi)容也比較健全。但是中小學(xué)生由于生長發(fā)育的進程不一致性較大，針對同一年齡的學(xué)生不應(yīng)該同一標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)術(shù)領(lǐng)域也應(yīng)該加強針對中小學(xué)生的運動處方的研究。在基于人工智能的自主干預(yù)方面，系統(tǒng)可以建立在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，利用圖2中的個體運動特征，結(jié)合大量個體樣本，進行群體聚類，然后結(jié)合運動表現(xiàn)數(shù)據(jù)提升等因素，對自主干預(yù)模型進行訓(xùn)練并不斷迭代，最終生成一套智能化的運動處方推薦系統(tǒng)。

三、結(jié)語

本文分析了數(shù)字孿生系統(tǒng)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的意義和作用，討論了建設(shè)中小學(xué)體育教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)的流程和方法。在利用智能化手段解決中小學(xué)體育教學(xué)過程中的問題已成為共識的大背景下，相信數(shù)字孿生技術(shù)對于提升中小學(xué)生身體素質(zhì)、全面健康培養(yǎng)下一代會起到很好的示范與引領(lǐng)作用。