面向中小學的智能視覺體育評測與教學系統的開發

黃祥風 浙江省溫州市教育技術中心

張玉梅 溫州大學教育技術系

● 背景

2024年1月召開的“2024全國教育工作會議”提出：要不斷開辟教育數字化新賽道；堅持應用為王走集成化道路，以智能化賦能教育治理。因此，隨著“體教融合”的不斷深入，實現數字化與中小學體育教育深度融合，智能化賦能中小學體育教育理應成為教育數字化的突破點。

傳統的體育教育通常采用大班教學模式，主要依賴教師的講解和演示，教師難以全面了解每位學生在不同運動項目中的問題，因此很難為他們提供個性化的訓練和指導。此外，學生的運動和練習情況往往難以被量化或記錄，教師難以追蹤學生學習情況，并為他們提供有針對性的建議和支持。而與傳統的體育教學相比，智慧體育系統具有實時運動跟蹤功能，能夠根據學生的運動姿態和肌肉情況進行分析，提供運動點評和建議。

此外，智慧體育系統還具備體育運動成績自動識別、違規動作智能檢測及動作精準分析指導等功能，覆蓋了精準教學、智能體測、課后練習、體育考試以及綜合評價等多種場景。智慧體育系統的推廣應用，不僅有望彌補傳統教學的不足，還能夠為學生提供更全面的、有趣味性的學習體驗。

本研究根據智能時代中小學體育教育的需求，構建了智能視覺體育評測與教學系統，以期增強教學及運動中的智能交互性，提升學生的運動興趣與水平，為體育課程注入更多趣味與品質，全面服務于體育強國戰略，并推動數字化教育平臺在體育教育中的應用。

● 智能視覺體育評測與教學系統設計與開發

1.系統需求分析

傳統體育教學在長期實踐中積累了經驗，但在滿足個體差異、促使學生參與度等方面還存在許多不足。智能視覺體育評測與教學系統運用運動視覺技術、機器學習等多種技術手段為學生提供個性化的教學指導，利用豐富的運動場景激發學生的學習興趣，提高其學習動機，同時，實現教學過程的可視化。智能視覺體育評測與教學系統與傳統體育教學的融合，為傳統體育教學帶來了全新的可能性。通過整合人工智能技術，系統實現了對體育行為的全方位監測與指導，為學生提供了更科學、精準和愉悅的學習體驗。同時，這一融合還為教師提供了更多的教學工具和決策支持。

通過對智慧體育研究論文的分析，結合對中小學體育教育現狀的調研，筆者總結出智能視覺體育評測與教學系統應具有以下功能（如圖1）。

圖1 智能視覺體育評測與教學系統的功能需求

（1）多項目

涵蓋全部中小學體育測試項目，具體包括跳繩、立定跳遠、跑步、仰臥起坐等十幾個項目。在教學過程中，教師只需要通過終端對系統發出指令，便可在系統配合下快速完成多項目的練測評教學任務。

（2）多場景

覆蓋“教學練測評”多個場景。系統應考慮學生在課程、練習、考試等方面的使用需求，實現教學指導、智能體測、模擬測試、自由練習、體育考試、體育大數據等多場景實際應用。

（3）實時監測和反饋

實時監測學生體育運動行為，并自動精準分析學生運動姿態問題，相關成績和數據實時顯示在大屏上，為學生提供詳細的實時反饋，以幫助學生改進技能和姿勢，提供學生學習進度的實時追蹤，讓教師能夠及時了解學生的表現，為個性化指導提供基礎。教師可以通過大屏對整個班級做精細化的動作分析與講解。

（4）過程性評價

通過對學生進行常態化過程性評價，為其提供個性化的反饋和指導，激發學生的學習興趣，培養其在體育領域的自主學習能力，實現全方位的個體發展。

2.系統架構設計

智能視覺體育評測與教學系統的整體架構分為用戶層、應用層、數據層和基礎層。平臺整體架構設計如圖2所示。

圖2 系統架構

用戶層：智能視覺體育評測與教學系統的用戶包括學生、教師、校級管理者和區級管理者。

應用層：根據使用功能區分，智能視覺體育評測與教學系統分為校級應用和區級應用。從校級應用維度看，部署智能化、可視化的體育教學產品，為教學過程提供精確測量、多維度分析、無人為干預的大數據基礎，建立學生體質特征模型，科學化提升學生體質優良率；從區級應用維度，統計體育課開課率、課節時長、課節數、師資、學生體質健康總體情況等，大數據支撐科學研判，實現區域級的智能化決策評價。

數據層：滿足數據的存儲、管理、調用功能。智能視覺體育評測與教學系統開發及使用過程中產生的數據主要有學生信息、運動數據、體測成績、體質檔案等業務信息和支撐智慧體育的所有應用的場景數據。

基礎層：提供體育信息的采集和傳輸功能，是整個智能視覺體育評測與教學系統的底層基礎。主要負責從各種傳感器、設備中采集實時的體育數據，通過AI服務器對視頻流數據進行清洗、分析。

3.系統開發

根據上述分析，智能視覺體育評測與教學系統由技術人員進行技術實現。本系統包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分包括攝像頭、交換器和服務器等；軟件部分采用的技術是基于WebAPI標準接口的后臺數據管理系統、信息檢索系統和服務接口，具有跨平臺能力的.Net Core開發框架，前端采取HTTP、CSS、JavaScript、RequireJS技術。通過布置在操場和體育館的攝像頭采集學生的運動信息，經過簡單的處理后，經由AP網絡傳送到服務器進行智能處理，并將最終的結果保存到服務器。學生和教師都可以通過教學終端查看相關的數據。

智能視覺體育評測與教學系統采集學生的體育運動數據，系統自動分析學生的運動數據，指出存在的問題和改進的建議（如圖3）。

智能視覺體育評測與教學系統首頁包括全區體育運動信息、熱門項目排行榜，以及各項目成績分布、各項目使用量、實時測試成績和開課次數排行榜。具體如圖4所示。

運動成績排名包括總運動量、各項運動項目的成績排名信息，可以根據性別和年級的不同進行排名。

個人運動檔案界面包含每一位學生的個人成績報告及分學年體育運動綜合素質評價。

個人成績報告中保存了學生運動視頻及關鍵幀，教師通過分析學生運動過程的姿態指標及肌群情況，給出運動點評及建議，同時，這些數據有助于教師精細化指導教學及課堂回溯。運動綜合素質評價檔案是對學生每學年的綜合運動情況進行統計，包括累計運動情況、各項目成績記錄與分析，并自動分析學生綜合能力。

● 智能視覺體育評測與教學系統的應用反饋

智能視覺體育評測與教學系統將機器視覺與體育教育深度融合，采用物聯網攝像頭和自主研發的人工智能運動視覺算法，融合傳統體育教學模式，通過多場景覆蓋，為學生提供更豐富、個性化的學習體驗，為教師和管理者提供學生的運動數據。

本研究將智能視覺體育評測和教學系統部署到溫州某小學，試用了一年半時間。為評估智能視覺體育評測與教學系統在體育教學中應用的效果，筆者對參與智能視覺體育評測與教學系統試用的2位體育教師和36名小學生進行了訪談。

受訪的學生認可智能視覺體育評測與教學系統在體育教學中所起到的作用，并對其表現出了積極的態度。超過30名學生表示愿意推薦這個系統給同學和教師使用。分析其原因，一是，學生普遍認為智能視覺體育評測與教學系統能夠提高體育課的趣味性，尤其是跳繩和跑步，帶來挑戰和競爭感，使其能更積極地參與體育活動；二是，智能視覺體育評測與教學系統的即時反饋有助于讓學生更好地了解自己在體育方面的成就和不足，通過運動視頻的回溯，能夠不斷調整自己的動作和姿態，增強了對自身表現的認知，也有助于他們提高身體素質，改善健康狀況；三是，智能視覺體育評測與教學系統提供的競爭類的體育活動能夠促進人際交往，提高同學們之間的合作關系和親密程度。

受訪的體育教師表示，智能視覺體育評測與教學系統給他們的教學帶來了驚喜，也帶來了壓力。智能視覺體育的智能技術和游戲化結合，激發了學生參加體育活動的熱情，參與度明顯提高。成績評測功能可以自動完成學生的體育測試，減輕了教師的教學壓力。此外，教師可以透過數據分析，掌握學生在體育鍛煉中存在的問題，進而開展有針對性的鍛煉。但是，新的教學環境和教學設備也讓教師感到壓力，需要做出巨大的調整。

總的來說，學生對智能視覺體育評測與教學系統在體育教學中的應用持積極態度，并表達了希望在體育教學中更多地采用這樣的系統的想法。他們普遍認為系統能夠讓體育課變得更有趣、更豐富，同時也提供了更具體的數據和反饋，讓他們更了解自己的表現，從而改進和提高自己的運動水平。然而，一些學生也提到了系統存在的問題，如在精確度等方面需要改進。隨著后續技術的迭代，智能視覺體育評測與教學系統將會更加精準、更加完善。教師對智能視覺體育評測和教學系統基本上是認可的，但是驚喜和挑戰同在。