可穿戴设备在校园足球训练和教学信息化改革中的运用

刘庆广 林晶

(1.同济大学国际足球学院 上海 200082;2.上海松江二中(集团)初级中学 上海 201600)

2019 年，教育部已经认定了27000 多所校园足球特色校，参与校园足球活动的中小学生将近2000多万。同时，教育部提出2022 年校园足球特色学校学生体质健康合格率将达到95%以上以及中小学生经常参加足球运动的人数超过3000万的工作目标。全国校园足球运动的快速发展及校园足球赛事的迅速增多，迫切需要了解学生球员的训练负荷、体能状况、技战术能力、伤病预警等综合情况，为校园足球的发展提供科学的评估数据，提高其发展质量。

近年来，传感和通信技术的发展使低成本和轻量化设备成为日常应用的可能，这些设备可以测量和远程监测个人的重要生理体征和运动数据，如运动、心电图、温度和血氧饱和度水平等。这些可穿戴设备正在竞技领域、大众领域和体育科学领域得到广泛应用，为竞技运动员和学生的训练及比赛数据的采集和大数据分析创造了条件。可穿戴传感器可以贴在皮肤上或嵌入跑步者的衣服或鞋子中，可包含单个传感器或者多个传感器，如心率监测器（HRM）、惯性传感器（IMU）和全球定位系统（GPS）等。IMU由加速度计（感知分段加速度）、陀螺仪（感知角位移）和磁力计（感知方向）组成。可穿戴设备通常通过数据卡将训练数据进行存储，或通过蓝牙、WiFi技术将数据实时传输到计算机或移动设备。可穿戴设备现已被普遍使用在国内外足球运动的训练和竞赛实践中，用以评估球员的身体素质、运动机能、运动负荷等，从而可以合理、科学地评价与改善选手及其运动队的训练质量和竞赛成绩。

同时，可穿戴技术的快速发展，推动着学校体育教学信息化的改革创新。可穿戴技术可作为一个很好的突破点与足球体育教学融合，通过移动互联网和云端数据收集、整理、分析等功能，把学生足球体育活动的实时数据进行有效收集，可以科学、准确地反映学生的上课情况，给学生带来更加科学的教学训练与比赛体验。数据化应用、信息化技术教学正成为信息时代发展的主要特点，积极推进现代信息化技术在教育界中的创新运用，形成科学化、数字化、可视化的教育教学系统，完成教育信息化转变升级任务，是应对信息时代发展的必然抉择。

1 可穿戴设备在足球运动中的应用研究

足球是一项深受世界人民欢迎的运动，吸引了大量的金融投资，尤其是在欧洲。足球教练团队希望通过在球场上监测运动员的运动数据和生理数据，设置训练负荷的处方，最大限度地提高运动员的表现并降低受伤风险。媒体也渴望为大众提供球员参数（心率、速度和加速度、碰撞水平等），提高观众的参与度。

长期以来，体能教练和科研人员一直在尝试使用各种生物医学技术提升运动员的竞技水平。然而，大部分的身体测试和检查是在实验室条件下进行的，获得的结果可能与在比赛中观察到的结果不一致。目前，科技的迅速发展带动了设备的轻量化、便携化、低成本化等，促使一些监测和检查设备正在实现从训练中监控运动员到比赛中监控运动员的跨越，可在比赛期间对运动员的运动数据和生理数据进行非侵入式采集和实时无线传输。GPS为更好地了解团队运动的特定位置和生理水平提供了帮助，可用于设计训练计划，为运动员的比赛做好充分准备，以优化现场表现，专门用于足球运动的可穿戴设备在国内外的竞技足球中已开始广泛应用并发挥作用。

1.1 可穿戴设备在国外足球训练和比赛中的应用

训练负荷的量化和监控一直是许多运动科学研究的主题。可穿戴传感器和跟踪器（从背心到嵌入鞋中的GPS跟踪器）能够在训练课程中，甚至在比赛中获取详细数据。通过对健身、训练以及比赛的数据进行采集和分析，可视化显示越来越得到人们的认可。运动手环、运动手表、心率带是运动健身领域的主流应用。在足球领域，GPS 技术已成为比赛和训练期间监控运动模式的标准工具，大量研究认为10HzGPS 最适合监测足球特定运动。Catapult、GPSports、STATsports、动量科技等便携可穿戴设备依靠GPS，测量受试者每秒钟的位置，通过HRM监测运动员心率并将其与不同动作和事件相关联，通过IMU 在三个维度上记录身体运动的加速度、反应、灵敏等获得训练负荷指标，包括总距离、步行距离、慢跑距离、跑步距离、冲刺距离、高强度冲刺距离、运动员的负荷和冲刺次数等外部负荷和平均心率及最高心率等内部负荷。

心率是足球运动中最常用的生理参数，在不同类型的足球运动和训练中作为内部负荷的评估指标，已得到验证［1-3］。训练负荷监控可确保最佳工作负荷，以最大限度地提高身体素质并防止受伤或疾病。通过对美国大学体育协会女子三级足球2019 赛季的22 场比赛监测，发现比赛引起了最大心率74%的心率响应，峰值心率值相当于101%最大心率［4］。Makaje 对比了职业五人制球员和大学五人制球员在两场比赛中心率变化，职业球员显示出更高的心率需求，从而为比赛做好准备［5］。Nacho使用GPS和HR分析职业足球运动员的比赛运行情况、连续15min 比赛的距离、心率和表现效率指数证实，球员在比赛结束时，在所有比赛位置上的表现都会下降，边后卫表现出最高和最健康的身体和生理水平，而中后卫的身体和生理水平分别最低和最不健康。

GPS 系统能够追踪足球运动员的移动距离、移动速度、加速度等［6］，也因此日益得到了足球教练团队、足球体能团队与足球科研团队的重视和青睐。还有众多研究人员对GPSports 与Catapult 提供了信效率和准确度的实验验证［7-10］，并广泛应用到U8～U20足球运动员的运动表现和竞技分析中［11-14］，监测不同位置、不同训练、不同竞技水平运动员高强度活动的外部负荷概况，帮助管理球员负荷、优化恢复、降低受伤风险。研究发现，中场球员跑动的绝对和相对总距离最大，并表现为最高的低强度活动和每分钟比赛的球员负荷。与中场球员相比，后卫每分钟比赛的相对跑动距离和低强度活动明显减少。前锋在高强度下的跑动距离最长，而防守者在高强度心率下的时间百分比最高。训练和比赛中的跑动距离会影响青年足球运动员过度运动损伤的发生率。教练应该设法监控球员的训练负荷，并将这一指标纳入决策中，以保护球员免受过度运动的伤害。

1.2 可穿戴设备在国内足球训练和比赛中的应用

国内学者研究发现，GPS Catapult Optimeye S5装备在测试足球运动员的跑动距离时具备足够的精确度和信效度，可用于科学研究与教练指导［15］。对于新型可穿戴电子设备运用于校园足球训练与比赛负荷的评估，汪雄等提出了可穿戴GPS和HRM可用于监测学生的外部负荷和内部负荷，能科学、准确地反映学生的训练与比赛状况［16］。

国内智能穿戴设备动量MT-Sports 足球运动监控系统，利用GPS和HRM心率监测背心或臂带监测运动员外部负荷和内部负荷，已开始广泛应用于中小学足球训练和比赛的研究中。吴放认为，MT-Sports具有较高的信效度水平，能满足对足球训练和比赛负荷进行研究的需要，提出了跑动速度区间标准、外部负荷随年龄增长规律、外部负荷明显的位置特征等内容［17］。刘林则通过动量MT-Sports对国青U18国际教学比赛的数据进行统计分析，发现国青比赛的场均跑动距离约为9300m，平均心率为167 次/min，因位置不同，表现为不同的外部负荷特征［18］。周颖利用MT-sportsT2 剖析了2018年全国中学生足球锦标赛高中男子组比赛负荷的特征，并把他们与高水平队伍之间的差距进行了对比，为校园足球教练员针对性训练提供了科学依据［19］。在校园足球的运动训练中，目前可穿戴设备的研究还相对较少，科学、合理地利用可穿戴电子设备，将成为未来校园足球训练更加科学化的重要保障和发展趋势。

2 足球体育教学信息化研究

世界卫生组织建议5～17 岁的儿童和青少年每天应参加60min的中度到剧烈的体力活动，大多数研究使用HRM 和IMU 来测量中度到剧烈的体力活动［20］。在国际上，只有20%的青少年符合这一建议［21］。学校在推广青少年体育活动方面发挥着重要作用，在学校体育教学活动中，GPS、IMU、HRM、计步器等可以提取到每个人在练习中不同的运动数据，如心率、速度、距离、轨迹等，这些数据可以用来分析学生的体育活动类型，并对指导学生自主学习、教师有效改进教学方法、教学效果评价等都有很大的实用价值［21］。体育教师需运用多种资源，创新教学形式，促进学生对体育知识的理解，鼓励他们加强体育锻炼，养成良好的健身习惯。信息技术飞速发展的时代为体育可视化教学与研究提供了更加便捷、广阔的发展平台。

在学校传统体育教学中引进信息化、数字化可以促进传统教学发展，促进教学理念的更新［22］。以现代信息技术为基本的技术手段，将体育科学与信息技术的资源研究成果应用到教育实践与教学活动中，对提高教师的教学质量、学生的身体锻炼、组织教学的管理和决策等具有积极意义［23］。科学研究表明，将可穿戴设备运用到体育教学活动中，使学习体育能够可视化、数据分析更为丰富、精准，对于烘托良好的运动课堂气氛、监测体育锻炼强度、提升动作技能、引起学生兴趣、评价课堂教学、革新教学方法、培养教师研究与创新能力、防范运动伤害等具有重要价值和意义［24，25］。可穿戴感应装置主要用于学校的足球教学过程中，能更好地监测团队运动不同位置的运动负荷特征，对学生学习技战术、认识足球体能有更形象的帮助，有助于教师进一步科学合理地制订教学方案。

体育教学信息化教学研究，以文献调查法、逻辑分析法为主要研究方法，实验性研究偶有开展，特别是校园足球的实验性研究更是极度缺乏。以运动大数据基因赋能校园足球发展新生态，加快信息技术在校园足球领域的创新应用，共同推动信息技术与体育教育的深度融合，已成为教育信息化2.0时代的首要任务。

3 可穿戴设备在校园足球运动中的应用展望

3.1 普及校园足球人才，健全校园足球数据档案

通过长期对学生日常教学、训练、联赛等运动信息进行监测跟踪，形成学生个人和团队运动数据档案。以此丰富完善校园足球数据分析应用，以大数据为基础，辅助建立青少年足球人才筛选模式，以促进动态考察和科学预测在人才选拔机制中发挥的作用，提供高效、准确、快捷的人才选拔方案，建立具有特色的校园足球人才数据模型。

3.2 健全运动防护措施，提升教练队伍的科学执教水平

利用高度精准的GPS 定位系统、HRM 等可穿戴设备，以实时可视化图形展示足球教学测试、比赛和球员分析等数据信息，让足球教练对球员跑动距离、最高速度、体能消耗、活动热点图、心率等进行全方位的解读，从而更加智能化、数据化地掌握球队及球员在训练中的生理状况和技战术水平，确定与损伤相关的运动模式或训练负荷，识别有可能在未来受伤或再次受伤的球员，评估和监控训练负荷及其结果，从而为青少年提供更为科学的足球训练方法，提升教练队伍的科学执教水平。

3.3 依托大数据可视化平台，提高校园足球建设水平

通过大数据平台，图形化、数字化，展示各区域、各学校校园足球工作的开展情况、水平差异以及学生运动成长变化，推进校园足球政策的落地，促进学校足球在普及中持续提升，为学校体育及校园足球教学、科研、管理施政和人才评估等工作提供全方位的基础数据支撑。

3.4 推动学校体育教学信息化，实现学校课程改革

足球课教学、足球队训练、精英球员选拔、科研教研等产生的大数据，可通过可视化操作，让更多青少年感受到足球的魅力，体验到足球运动的乐趣，从而助力校园足球运动的发展规模和教学质量的提升。课程是促进学生发展的最重要载体，把高新技术应用到体育教学过程中，能促进体育教学的可视化、数字化、智能化，从而提高整个体育教学的创新能力。

4 结语

随着科技进步和可穿戴技术的发展，可穿戴设备在校园足球中的应用也越来越频繁和深入，为探究校园足球运动和校园足球人才选拔提供了更加便捷、科学的途径。同时，充分利用可穿戴设备对足球训练和教学实时监控和数据分析，对体育教学者改进训练计划，合理制订教学方案以及对校园足球的教学信息化改革均有着重要意义。