人工智能在高校公共游泳課教學中的應用

1、引言

習近平總書記在全國教育大會上強調，“要深入實施國家教育數字化戰略”“注重運用人工智能助力教育變革”，給高等教育的改革與發展提出了重要方向。信息技術、數字技術與人工智能技術在教育領域的深度緊密結合，為學校教育提供了強有力的動力，使教育形式發生了深刻的變革。傳統的公共游泳課教學面臨著師資匱乏、溺水危險頻發、教學效率低下等諸多難題。隨著科學技術的飛速發展，人工智能正以前所未有的速度滲透到教育的各個角落。人工智能技術的引入，給游泳課程教學帶來了前所未有的挑戰，也創造了相應發展機會。它既能幫助解決傳統教學中存在的問題，也能促進公共游泳課教學向智能化、高效化轉變。利用人工智能技術，能全面提升學生的游泳技能和安全水平，意義重大。

2、人工智能在體育教學中的應用現狀

人工智能在各行各業發展迅猛，體育教學行業也不例外，其正以各種方式影響著教育的方方面面。在體育教學領域，“人工智能 + 體育教學”的模式，已經開始慢慢改變傳統的教學模式，給體育教學帶來意想不到的變革和創新。它在體育教學準備、體育教學場景、體育教學內容、體育教學過程、體育教學評價等方面發揮著巨大作用。

2.1、體育教學準備的科學化

體育教學備課是體育教師成功上好一堂課的重要前提。以往教師在備課時，一般只能依賴個人經驗來預估教學重點，不能全方位地掌握學生的實際情況。現在自從人工智能技術的融入，這種局面得到了改變，根據人工智能技術，教師能快速準確地收集、分析學生的身體素質、運動水平、興趣愛好等各方面信息。他們的數據被整合成具體的報告和評價，讓教師對學生有一個全方位、立體的了解。運用這種數據和評價，教師能更好地了解每一個學生的具體情況，有助于更精準地理解教學重點和難點。人工智能系統還能通過學生的特點提供相應的教學建議，促進教師在課前實施更加科學有效的學情分析。提高了教師的教學效率和針對性，對一堂成功的體育課，有了一個良好的開端。

2.2、體育教學情景模擬化

體育教學情境模擬是利用虛擬技術和增強現實技術，將學生放到虛擬的體育教學環境中，讓學生提前體會現實中將要學習的內容，或現實中很難實現的場景，深入理解和掌握體育知識和技能，提高學習的興趣和動力。通過虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術的應用，能很好地改善教學內容受天氣、場地、教學設備等限制的問題。目前，這種先進設備價格相對較高，只在專業運動員訓練中得到了應用，在絕大多數體育教學領域要滿足大面積運用，還面臨著一定的困難。在未來，隨著技術的不斷進步和成本的不斷下降，相信這種教學情境模擬方式在未來會愈發普及，為體育教學帶來新的可能性和創新性。

2.3、體育教學內容個性化

體育教學內容個性化，是利用人工智能技術形成的一種創新教學模式。在這種模式下，學生可按照自己的興趣選擇性地學習教學內容，系統可以結合學習者的訓練效果和技能訓練情況，對教學內容實施智能調整和不斷優化。這種依靠人工智能技術的差異化的教學，能填補現有教學中學生學習進度不一、差異較大的問題，做到因材施教。以上海體育大學為例，其“ AI⁺ 武術”智能評分設備就是個性化教學內容的典型應用。該設備有高精度的評估能力和即時反饋功能，利用動作捕捉和骨骼跟蹤技術，實時監測受測者的運動軌跡，實時計算分析受測者的四肢、軀干的重要動作。更關鍵的是，它能按照教師提出的要求，為每個學生提供人性化的評估和指導，幫助學生更好地掌握武術技能，提升教學效果。

2.4、體育教學課堂數據化

體育教學內容數據化是指在體育教學過程中，用人工智能技術對學生的身體狀況和運動技能實施精準、高效的監測。體育課程以實踐課為主，在訓練中學生要承擔一定量的運動負荷，以往的體育教學中，對學生疲勞程度的掌握主要憑借人為統計心率和教師的主觀經驗，由于統計不精準和教師經驗的差異，很容易使結果不準確，負荷安排不合理，容易造成運動損傷。現在，體育教學過程中大部分使用智能手環、心率帶等智能設備來測量學生的心率等評估疲勞數據。這些數據會自動傳輸并呈現在體育教師的平板電腦上，給教師提供直觀、精準的學生身體狀態信息。當學生心率達到設定參數警戒值時，系統會第一時間發出警報，提醒老師及時關注，并依據現場情況靈活優化，保證體育教學的科學性和安全性。

2.5、體育教學評價科學化

體育教學評價科學化是指依托人工智能技術錄入相關數據，建立一套科學合理的評價指標，建立量化評價模型。目前，這一理念已廣泛地應用于中小學體質健康測試中。借助使用人工智能組合設備，系統會實時分析學生在引體向上、背擲實心球、跳繩等運動中的姿勢、運動表現等關鍵指標，判斷運動項目是否符合規范，實時顯示成績，使評判結果準確客觀。在運動技能評價方面，有北京大學開發的人工智能輔助體育教學（AIPE）項目。該項目于2020年5月順利啟用，在2020年春季學期用于北京大學網絡教學。學生需要上傳自己的運動視頻，人工智能會自動對視頻內容進行人體姿勢推測和關鍵幀評價，并給出相關的建議。教師通過審核后，學生會獲得專業、針對性的指導，從而有效提高學生的運動技能水平。

3、人工智能在高校公共游泳課教學中的優勢

3.1、個性化教學方案的制定

高校學生身體素質參差不齊，對動作的理解程度不同，學習進度也參差不齊，特別是蛙泳這門難度相對較大的游泳科目，對于成人學習者來說很有挑戰性。現行的高校公共游泳課程主要以蛙泳教學內容為主，對學生的身體素質、學習能力、水中適應能力等不同情況，都是按照同一個進度進行教學。從憋氣、浮水練習到蹬水等動作的教學流程，進行“一刀切”的教學，這種模式缺乏針對性，難以滿足不同層次學生的學習需求。通過人工智能與智能可穿戴設備的融合，我們可以根據每個學生的身體素質和學習進度，給他們制定個性化的教學方案。對身體素質好、學習能力強的學生，人工智能系統能推薦更具挑戰性的訓練內容，例如提高游泳速度、加快游泳學習進度等，激發其學習潛能。對基礎薄弱或學習進度緩慢的學生，可以從最基本的動作開始，慢慢增加訓練難度，提供更多基礎練習和指導，幫助他們牢固掌握游泳技能。能讓學生在學習游泳的過程中快速掌握游泳技能，提高游泳技術。這種個性化的教學方式能增強教學過程中的針對性和學習效果，對重難點問題進行精確講解，激發了學生的學習興趣和積極性，從真正意義上做到“因材施教”。

3.2、正確動作示范與糾正

在以往的游泳教學中，糾錯過程主要是靠教師的講解示范和語言提醒相結合，不僅花費時間長，而且糾錯效率相對不高。使用人工智能技術，結合視頻分析技術和高精度傳感設備，能夠全方位、無死角地同步捕獲學生的游泳動作。在泳池周圍安裝若干高清攝像頭，借助圖像準確識別學生動作的技術細節，客觀地記錄學生的游泳動作，包括蹬腿節奏、呼吸次數、身體姿態等數據。例如，當系統監測到學生在蛙泳蹬腿時腿部力量不夠用，引起速度下降時，自動為學生增加腿部力量訓練的內容。與學生及時互動，弄清楚學生的訓練感受和需求，不斷完善訓練方案。學生利用系統反饋解決自己在訓練過程中的困惑和問題，系統能依據反饋信息為學生提供有針對性的解答和指導，保證每一個學生都能在最契合自己的學習道路上不斷進步。運用3D攝像頭和深度學習算法，對學生的游泳動作進行3D重構和詳細分析，準確無誤地指出學生的技術缺陷，幫助學生強化游泳技能。VR技術的引入，為復雜動作的分解提供了新的途徑，讓學生更加直觀地掌握正確動作。以蛙泳的完整配合過程為例，學生需要手腳協調配合，不能先擊水后踢腿。利用計算機視覺系統，能清楚地將學生的動作姿態與標準動作進行對比，使學生對自己與標準動作的差距一目了然，找準原因，及時地糾正錯誤動作。

3.3、器材輔助教學比賽

在游泳訓練中，智能泳鏡和手環等智能可穿戴設備成為了有力的助手。該設備能同步、準確地監測游泳運動員的生理指標（包括心率）和運動數據（如蹬水頻率、游泳速度等），將數據上傳到云服務器進行深度分析和處理。教師只需要利用手機或電腦等終端設備隨時可以查看分析結果，并針對數據反饋及時調整訓練計劃和學習進度，實現科學化、個性化的訓練管理。VR技術的引入給游泳教學帶來了跨時代的變化，模擬逼真的游泳環境，為學生提供如臨其境、沉浸式的學習體驗，改善了場地資源有限的問題，豐富了學生的學習方式。通過VR教學，學生能在安全無風險的環境中不斷練習各種游泳技能和動作，利用視覺輸入形成動作概念，在水中練習中加以鞏固，明顯提高學習效率。VR教學還能模擬現場比賽，為學生提供實時技術指導。結合AR增強現實技術，能進一步加深比賽場景的真實性和互動性。兩種技術手段的相互運用，能充分發揮人工智能技術的優勢，促進學生在競賽中更好地適應環境，強化心理素質，取得優異成績。

3.4、智能安全監控體系的構建與優化

在高校公共體育教學中，經常出現一位教師負責一門課甚至兩門課的現象。游泳作為一項水上運動，對于初學者來說存在很大的安全隱患。為了有效應對這一難題，我們可以利用人工智能技術，AI安全防溺水系統通過攝像頭、傳感器等先進設備，將高清攝像頭與先進的人工智能算法相結合，利用深度學習和數據分析技術對傳感器傳來的數據進行處理和分析，對大量正常游泳和溺水案例數據的學習，構建了一個精準的模型。該模型包括正常游泳狀態下各種參數的變化范圍和特征，以及溺水狀態下參數的異常變化模式，能實時監測游泳者的心率、異常動作等狀態指標。如果視頻顯示游泳者身體姿勢異常、長時間浸沒水中或有明顯掙扎動作，系統可立即發出預警信號，保證溺水者能及時獲救，大大降低游泳教學中的安全風險，對學生的生命安全和健康意義重大。例如，工業大學的本科生團隊開發出了游泳池人工智能防溺水系統，在杭州黃龍體育中心亞運會上投入使用，該系統能準確、快速地識別溺水者，有效降低溺水事故發生的概率。

4、人工智能在高校公共游泳課教學中所面臨的困境

4.1、成本與投入不足

人工智能技術在游泳教學領域的應用尚處于初探階段，將其應用于公共游泳課教學中需要一定的技術支持和設備投入。例如水下高清攝像頭、視頻分析系統以及購買相關的軟件都需要大量的資金支持，后期設備的維護也需要持續的投入。對大部分院校來說全面普及難度較大，由于技術和設備成本高昂，普通院校因資金限制難以廣泛應用，僅少數專業體育院校在國家隊運動員的訓練中有所投入。以2024年為例，上海體育大學與百度攜手發布了國內首個針對體育行業的大模型一一上體體育大模型，這一創新成果在游泳項目的國家隊備戰參賽中發揮了重要作用。在國家游泳隊，上體體育大模型科研團隊研發了水上水下全程50米的3D智能采集與AI量化分析系統。該系統能夠全面、多視角地智能監測運動員的游泳全過程，精準捕捉運動員的動作細節，為運動員提供每一次訓練的精準、定量化反饋。

4.2、教師的教學水平轉型與發展

高校公共游泳教學長期沿用“理論講解-動作示范－重復訓練”的傳統模式，教師團隊普遍以教齡較長的資深教師為主，其教學理念與方法多固化于過往經驗，他們習慣了以自身示范和口頭講解為主的教學方式，對人工智能技術存在一定的陌生感和抵觸情緒。這種心理障礙使他們在初期難以積極主動地接受和應用新技術。然而，隨著人工智能技術的引入，對教師的專業技能和素養提出了全新的、更高的要求，包括運用智能動作分析系統、個性化學習方案制定平臺以及智能安全保障系統等技術。教師不僅需要具備扎實的體育相關知識，還需要掌握運動生物力學、計算機、統計學等跨學科領域的知識。培養“人工智能 + 體育”復合性人才就顯得尤為重要，教師需要不斷學習、掌握并運用新技術和新知識。但遺憾的是，許多教師對復雜的教學軟件操作不熟練，無法靈活運用數據分析功能來指導教學；對于智能輔助訓練設備的使用也僅僅停留在表面，不能深入挖掘其潛在功能，目前許多教師在這方面還存在明顯的差距和不足，需要進一步加強學習和提升。

4.3、數據的隱私保護缺乏與產品質量參差不齊

隨著人工智能技術的普及和應用的不斷深入，數據的隱私安全問題日益突出，成為不可忽視的問題，在游泳教學中，學生的個人信息和運動數據被不斷地收集和分析，包括但不限于學生的身體指標、學習成績、日常表現、家庭住址、緊急聯系方式等敏感信息，個人隱私數據泄露，一旦被不法分子利用，會嚴重威脅到師生的隱私安全，甚至其個人的安危，給學生乃至社會造成重大經濟損失。目前，國家在數據保護方面雖然出臺了具體的措施，效果卻不佳。除此之外，市面上人工智能游泳教學產品的質量參差不齊，不同產品在功能和性能上具有較大差異。部分劣質產品技術不穩定、準確率低，如果投入使用會影響教學的效果，對學生的學習體驗和安全造成不好的影響。

5、人工智能進入高校公共游泳課教學中的對策

5.1、技術改進與創新

一是推動高校科研機構與企業進行合作，實現“ 1+1gt; 2”的效果。解決人工智能技術面臨的設備和技術成本高、運行不穩定等問題，開發具有輕量化、低成本的人工智能產品，促使人工智能方便高效、穩定可靠。例如，華為在人工智能領域具有優勢，而大疆在高清運動防抖相機的生產方面可靠，雙方合作會推動人工智能在公共游泳教學中的應用。二是鼓勵科研機構和企業加大對人工智能在公共游泳教學方面的研發投入，促進人工智能技術的不斷升級優化，提高人工智能在公共游泳教學中的應用。三是政府加大對人工智能在游泳教學方面研發資金和政策支持，鼓勵高校積極引進人工智能技術。提供財政補貼，支持高校購買智能教學設備器材，降低學校運用人工智能技術的成本。在未來，人工智能技術與物聯網和邊緣計算相結合，高校公共游泳教學會更加便捷、經濟。利用人工智能技術，創建虛擬體育教室，提供輔助教學手段。

5.2、加強教師專業能力培訓

一是教師要緊跟時代步伐，積極擁抱新技術、新理念。教師自主學習高等數學、統計建模、計算機科學等跨學科知識，提高處理人工智能綜合數據分析的能力，主動掌握新興技術，將其融入日常教學中，提高教學效率和效果。二是學校要建立健全的教師培訓制度，積極舉辦人工智能技術培訓班。定期組織教師參加相關課程的學習。通過實際教學案例，詳細介紹智能動作分析系統、個性化教學方案制定平臺等工具的使用方法和功能特點。利用系統培訓，讓教師掌握并運用人工智能工具進行教學，不斷提高教師的知識水平和教學技能。三是加強跨學科合作交流，促進教師間的互動協作。學校定期組織教師開展交流合作活動，分享教學經驗和研究成果，共同探索人工智能在游泳教學中的應用和發展路徑。通過開展教學研討和經驗交流會，為教師提供相互學習、相互啟發的平臺，共同解決教學中遇到的問題和挑戰。四是舉辦人工智能技術在公共游泳教學領域的數據讀取、分析、應用等相關技能競賽。以賽代練激發教師的學習熱情和積極性，提高教師數據處理和分析能力。

5.3、加強數據的隱私保護

一是政府出臺相關政策法規，制定《人工智能游泳教學設備數據接口規范》，明確游泳教學領域人工智能數據的采集、處理、分析和本地化存儲等具體要求。制定體育數據使用規范，明確體育數據歸屬學校，僅限于游泳教學使用。二是高校應與知名企業建立緊密的合作關系，共同構建完善的數據管理體系和嚴格的安全保護機制。通過雙方優勢互補，加強數據管理的標準化、規范化，確保數據在存儲、傳輸、使用等各個環節的絕對安全，建立健全的監督機制，保證數據合法合規，有效防范數據泄露風險。三是加強師生數據安全意識教育培訓。學校要定期組織開展與數據安全和隱私保護相關的培訓和宣傳活動，增強師生的數據保護意識，使老師和學生深刻認識到數據安全的重要性。四是建立數據泄露應急處理機制，明確數據泄露時的應對措施和緊急預案，確保能快速有效地進行應對，將損失和影響降到最低，保障師生的合法權益。

6、結論

人工智能在高校公共游泳課教學中的應用潛力巨大，能給高校公共游泳課教學帶來持續的創新和發展。通過制定個性化的教學方案，提供精準的動作示范和糾正，以及輔助教學和訓練設備的智能化應用，提高游泳教學的效果，提升學生的技能水平，降低教學過程中的安全風險。同時，還能激發學生的學習興趣和熱情，使游泳課變得更加生動有趣。在現實情況下，人工智能的應用也面臨著一些挑戰，例如設備成本高昂、數據隱私易泄露、部分教師教學水平不足等。未來，隨著技術的不斷發展，人工智能設備的成本有望降低，數據隱私問題有望得到解決。通過持續地學習和培訓，教師的教學水平不斷提高。高校公共游泳教學上，人工智能將發揮更加重要的作用，為培養優秀的游泳人才做出更大的貢獻。

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