基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺設計

摘 要：隨著教育行業數字化轉型發展，設計基于云計算的體育鍛煉管理平臺可以幫助高校管理者有效跟蹤并記錄學生的體育鍛煉情況，激勵學生積極地進行體育鍛煉，提升身體健康水平。基于上述需求，本文設計并實現了一個基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，該平臺采用分層架構，核心功能包括健康數據追蹤、資源與設施預訂以及成績管理等。經測試，平臺在數據存儲可靠性方面表現良好，各項功能正常運行，可以有效通過智能化手段提高高校體育教學和管理的效率和質量。

關鍵詞：云計算；體育鍛煉平臺；系統設計

中圖分類號：G 807.4；TP 393.09" " " 文獻標志碼：A

體育鍛煉作為促進學生身心健康的重要途徑，如何在現代技術手段的幫助下更好地開展教學和管理活動，成為當下亟待解決的問題[1]。基于此，本文設計了基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，平臺由基礎層、數據層、邏輯層以及應用層構成，健康數據追蹤功能通過收集和分析學生的體育鍛煉數據，為學生提供個性化的健康建議和改善計劃，促進學生身心健康；資源與設施預訂功能則實現了體育場館和器材的高效管理，方便學生和教師根據自身需求預約所需資源，提高資源利用率；成績管理功能全面記錄和分析學生的體育課程成績，為教師和學生提供便捷的評估和跟蹤手段。此外，平臺采用了數據加密技術，確保學生敏感數據的安全性。通過系統測試，平臺在數據存儲可靠性方面表現良好，各項功能正常運行。通過設計基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，以期為高校體育鍛煉教學管理提供有益的參考，推動高校體育教育的現代化、科學化和個性化發展。

1 平臺架構設計

基于云計算技術構建的高校體育管理平臺由基礎層、數據層、邏輯層以及應用層構成，每個層次承擔不同的功能，共同協作，以提供高效、安全、可擴展的服務。基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺架構如圖1所示。

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，基礎層是平臺的底層支撐，負責提供計算、存儲、網絡等基礎設施資源。該層級依托公有云服務提供商阿里云，利用虛擬化技術Docker容器實現資源的彈性伸縮和高效管理。數據層負責數據的存儲、管理和分析，包括學生信息、體育課程數據、健康記錄、活動日志等。該層級采用關系型數據庫MySQL結構化數據存儲，并采用Hadoop大數據處理框架對數據進行分析和挖掘。邏輯層是平臺的核心處理單元，其封裝了業務邏輯和服務，將數據層的原始數據轉換為對應用層有用的、可操作的信息。該層級由微服務組成，每個微服務負責特定的業務功能，例如用戶認證、課程管理、活動調度等，服務間通過API進行通信。應用層直接面向用戶，提供直觀的交互界面和功能，包括學生和教職員工使用的Web界面、移動應用等。該層級通過調用邏輯層的API，展示數據、執行操作，確保用戶體驗流暢。此外，根據用戶角色（學生、教師、管理員等），提供定制化界面和權限控制。

2 核心功能設計與實現

2.1 健康數據追蹤

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，設計健康數據追蹤功能，可通過收集、分析學生的體育鍛煉數據，為學生提供個性化的健康建議和改善計劃。

2.1.1 數據收集

健康數據的追蹤支持智能穿戴設備（智能手環、運動手表）的數據接入，通過連接藍牙以及Wi-Fi，可以同步運動數據至平臺[2]。同時，平臺提供Web及移動應用界面，允許學生手動輸入運動類型，例如跑步、游泳、時長、距離、心率等數據。數據采集流程如圖2所示。

錄入數據時，首先進行必要的配置檢查與初始化，平臺在驗證設備身份后，分配唯一標識符（Device ID），并確認授權信息。其次，設備從云端下載采集任務配置，確定采樣頻率、數據類型、目標用戶偏好等。在采集相應數據后，在設備端對原始數據進行初步處理，減少不必要的數據傳輸負擔。通過時間序列分析，可識別健康數據的趨勢變化，了解運動習慣的持續性、身體狀況的改善情況。

2.1.2 數據分析

在收集一系列按時間順序排列的健康數據點后，采用簡單移動平均（SMA）法對數據進行平滑處理。SMA通過計算過去一段時間內數據點的平均值，能夠有效地消除數據中的隨機波動和噪聲，呈現數據的基本趨勢或長期模式[3]。對受到短期隨機因素影響較大的每日運動時間序列數據尤其有效。簡單移動平均（SMA）如公式（1）所示。

（1）

式中：SMAt為時間點t的平滑值；xt-i為從當前時間點向前數第i個時間點的原始數據值；k為窗口大小。

通過觀察SMA線的走向，可以直觀地識別數據的時間趨勢是上升、下降還是保持穩定。在獲取數據后，將分析結果推送給前端應用或用戶，即可向用戶發布健康報告、提醒或建議。

2.2 資源與設施預訂

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，設計資源與設施預訂功能，可高效管理校內體育場館、器材等資源的分配與使用，確保學生和教職員工能夠方便快捷地預約所需資源，避免發生沖突，提升體育資源的利用率。

實現資源與設施的預定，首先需要明確可預訂資源的種類，包括體育場館（例如籃球場、游泳館、健身房）、器材（例如球類、健身器械）等。其次，考慮學校的課程安排、維護時間等因素，設定資源的可用時間段，合理劃分可預約時間槽。預訂沖突檢測是確保資源預訂系統中不會出現時間重疊的關鍵環節，可通過算法邏輯判斷新提出的預訂請求是否與現有的任何預訂沖突。

假設有2個時間段，新的預訂請求時間段為[Tnewstart，Tnewend]（Tnewstart為已預訂活動的開始時間，Tnewend為已預訂活動的結束時間）。已存在的某個預訂時間段為[Texiststart，Texistend]（Texiststart為已預訂活動的開始時間，Texistend為已預訂活動的結束時間）。如果新預訂的時間段與已有預訂的時間段存在任何交集，即2個時間段之間有重疊部分，那么就認為存在沖突如公式（2）所示。

Tnewstartlt;Tnewend∩Tnewendgt;Texistsart （2）

式中：Tnewstart為已預訂活動的開始時間；Tnewend為已預訂活動的結束時間。

如果新的預訂開始時間早于某個已預訂活動的結束時間Tnewstartlt;Tnewend，同時新的預訂結束時間晚于這個已預訂活動的開始時間Tnewendgt;Texistsart，那么這2個時間段必然有部分是重疊的，因此產生沖突。在編程中，通過遍歷所有已存在的預訂記錄，并對每條記錄應用上述條件判斷，只要發現任一記錄滿足沖突條件，即判定新預訂不可行。如果所有記錄均未發現沖突，就說明新預訂請求可以接受。

2.3 成績管理

成績管理可用于全面記錄和分析學生的體育課程成績、體能測試結果及各類體育活動的競賽成績，為學生提供成績查詢、進步跟蹤及教師評估的便捷途徑。通過采用成績錄入、成績查詢、成績分析、成績通知及成績檔案管理等多個子模塊，可實現對學生體育鍛煉的成績進行管理的目標。通過設計成績錄入接口，定義課程編號、學生ID、成績類型（平時成績、期末考試、體能測試）、分數、評價指標等成績數據的標準格式，允許體育教師通過Web端或移動端應用錄入學生的課程成績，支持批量上傳Excel成績文件，以提高效率，學生和教師可以通過應用層的API調用邏輯層服務，查詢個人或班級的成績信息。查詢界面根據用戶角色定制，展示相關成績匯總或詳情。通過應用時間序列分析，可監測學生在不同學期或年度的成績變化，識別成績提升或下滑趨勢，為個性化輔導提供依據。

首先，收集學生在各個學期或年度的成績數據，形成一個時間序列數據集，設為Xt（t為時間點（學期或年度序號），Xt為對應時間點的成績）。其次，確定窗口大小n計算平均值的連續數據點的數量。n較小時，反應更靈敏但噪聲較多；n較大時，平滑效果好但反應遲緩。對時間序列中的每一個點t來說，如果tgt;n，即有足夠多的前期數據進行平均，那么計算t時刻的簡單移動平均值，如公式（3）所示。

（3）

式中：St為從t-n+1到t這n個數據點的算術平均值。

通過比較連續的SMAt值，可以觀察到學生體育成績的提升或下滑趨勢。如果SMAt呈上升趨勢，就說明成績整體提高；反之，如果SMAt下降，就說明成績下滑。根據識別出的成績變化趨勢，教師可以為表現下滑的學生設計個性化的輔導計劃。

2.4 數據加密

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，數據加密是確保學生個人信息、健康記錄、成績數據以及預訂信息等敏感數據安全傳輸和存儲的關鍵環節[4]。數據加密通過數學算法將原始數據轉化為密文，只有擁有正確密鑰的接收方才能解密恢復數據，從而保護數據免受非法訪問和泄露的風險。數據加密流程如圖3所示。

通過在Web服務器配置SSL證書，并啟用HTTPS，可以確保所有Web請求都通過加密通道傳輸。將Apache服務器安裝在系統后，檢查Apache是否已安裝SSL模塊，如果沒有，就需要安裝該模塊。隨后，從證書頒發機構（CA）獲取SSL證書。編輯Apache的主配置文件httpd.conf和其他SSL相關的配置文件httpd-ssl.conf，加載SSL模塊，設置證書路徑和私鑰路徑。同時，在配置中確保Apache監聽443端口，如果服務器上運行多個網站，就需要為每個網站配置單獨的SSL虛擬主機，完成以上步驟后，Web服務器就啟用了HTTPS，所有Web請求都會通過加密的SSL/TLS通道傳輸，以此增強數據使用的安全性。

3 系統測試

3.1 測試準備

為驗證基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺數據存儲的可靠性，進行數據寫入測試，確保系統能夠正確地接收并存儲高校學生的體育健康數據。測試云服務器采用阿里云，數據庫類型為MySQL5.7，數據接入方式采用智能穿戴設備數據自動同步以及Web手動錄入。測試模擬智能手環數據自動上傳的一次完整的跑步鍛煉記錄，并通過Web界面手動輸入了一次游泳鍛煉數據，以確保系統能夠準確無誤地接收并持久化存儲學生提交的體育健康數據。

3.2 測試結果

經測試，獲取樣本數據見表1。

待所有測試用例按照預設步驟順利執行完畢后，智能穿戴設備數據同步以及Web手動錄入的數據均能正確寫入數據庫，證明數據接收與存儲功能正常，數據存儲展現了良好的可靠性，能夠確保學生體育健康數據的準確接收和存儲。

4 結語

基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺能夠有效解決高校體育教學和管理工作中的數據整合、資源調度、個性化服務、安全保護等問題，提升教學和管理的效率和質量。平臺通過健康數據追蹤、資源與設施預訂、成績管理等功能，實現了對學生體育鍛煉情況進行全面記錄和分析的功能，為教師和學生提供了便捷的操作界面和個性化服務。同時，平臺采用了數據加密技術，可以有效保障學生敏感數據的安全，保障用戶隱私權益。通過系統測試，平臺展現了良好的數據存儲可靠性，各項功能正常運行，驗證了設計思路和實現方案的正確性和可行性。未來，隨著云計算技術不斷發展以及高校體育需求不斷變化，平臺還可以進一步優化和完善，為高校體育鍛煉教學和管理提供更優質的服務。

參考文獻

[1]吳青林，王焱.基于“云計算+物聯網”的高校智慧實驗室探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2024，43（2）：226-230.

[2]羅波，董東野，田曉玲，等.基于Prometheus的高校數據中心云計算平臺監控系統研究[J].北京工業職業技術學院學報，2024，23（1）：11-16.

[3]陳福生.基于大數據分析的高校后勤信息智能管理系統設計[J].景德鎮學院學報，2023，38（3）：62-65.

[4]黃曉時，吳永誼，溫振丹，等.基于后勤管理視角的高校預算信息化云平臺及管控體系研究[J].電子元器件與信息技術，2022，6（11）：68-71，97.