人工智能在学校体育的应用与发展趋势

文 / 庄弼，张懿

作者单位：1.广州商学院，广州；2.广州市白云区金沙小学，广州

青少年是祖国的未来，良好的体质是建设社会主义现代化、实现中华民族伟大复兴的必要条件。如何科学、客观、有效对学生在课外、校外参与体育锻炼进行监督及测评，是新时代学校体育工作的重要任务。人工智能技术的应用给我们提供了强有力的支撑，由于不受时间、空间、地域等因素限制，人工智能技术的介入和应用能及时获取学生体育锻炼和活动的数据，并进行可视化分析，为提高学生体质健康水平及制定科学有效的促进提供数据支撑。

1 人工智能在学校体育中的应用

人工智能(Artificial Intelligence)，英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等[1]。人工智能在过去十年中从实验室走向产业化生产，引领未来的价值已经凸显，并为全球经济和社会发展做出了不容忽视的贡献。当前，人工智能已经迎来其发展史上的第三次浪潮，人工智能在语音识别、文本识别、视频识别等感知领域取得了突破，成为引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术。

智能设备最先应用于医疗领域中，对人们的睡眠状态、心率、体脂等一些简单指标进行监测，使人们可以观测到身体指标的变化情况。随之，被引入到学校体育之中，用于监测青少年体质健康、体育活动参与和运动状态以及比赛情况等等。在体育教学和完成家庭作业方面，通过应用智能设备，能够获取学生运动轨迹及身体素质状态等数据，并进行可视化分析，为教育行政部门、学校、教师在教学改革和体教融合各方面进行科学决策提供科学的数据支撑。人工智能技术在学校体育中的应用特征主要有以下几方面。

1.1 精准监测

数据是人工智能的基础，算法是人工智能的核心。利用智能设备移动端小程序、多媒体屏幕、智能穿戴设备、红外线扫描等对大数据进行深度算法分析，精准记录青少年课内外体育锻炼及出勤情况，实时掌握学生体育锻炼效果，追踪学生全天的运动水平和特征，通过数据整合形成可操作性统计结果，减少受外部环境影响带来的数据误差，提高体育教学管理效率，整体统筹体育课程教学，为教师科学设计体育课堂运动负荷、体能素质测评以及培养学生树立正确的健身方式提供依据，为学生体质健康的发展提供专业指导和具体解决方案。

1.2 多维评价

评价是教育教学重要组成部分。人工智能技术的应用引发了评价方法、内容以及形式的深刻变革，借助智能设备记录学生课内外运动参与、考勤记录等日常表现，以及全面获取学生身体指标，如：身体协调性、灵敏性、心肺耐力、身高体重等，掌握学生各阶段运动水平及成长路径，对全体学生体育运动和成长健康进行全面数字化管理，形成综合评价报告，从全方位多角度去分析学生发展需求，能够随时随地通过学生在学习或运动时进行综合评价，为学生身心健康发展提出更有效解决方案和专业指导，同时，能及时为家长和学生提供体能素质报告，为学生提前干预，提升体质，做好准备。

1.3 智慧决策

决策贯穿整个管理活动，科学决策是现代管理的核心，同时，精准的反馈是科学决策的重要依据。数据可以作为决策支持和分析的工具，利用人工智能技术获取数据对教师教学及学生行为等进行可视化分析，并作出归纳推理，将人工智能与学校体育融合发展，以数据驱动引领学校体育教育智慧决策，从中帮助管理者调整学校体育管理策略，引导教师优化课堂教学，激发学生自主参与，为体育教师工作者及学生个体发展作出正确决策，为学生提供优质化的个性服务。

1.4 模式创建

技术动作形成规律从泛化-分化-固化到自动化四个阶段，模式创建能够为体育基础知识与技能的学习创造一定条件。通过人工智能技术对数据进行整合归纳，可分为不同水平、不同性别、不同身体发育状况等，并结合学生身心发展规律及学习能力的表现，为创建体育知识体系提供依据。采用人工智能技术将所得数据创建学习模式，有利于学生在学会、勤练、常赛中不断巩固知识、运用知识，同时可为学生创造新的学习体验，满足学生个性化发展需求，利用多种模式激发学生兴趣，同时，也可不断更新数据库，将教学―学习模式及时调整至最优水平，达到体育教育的目标。

1.5 赛事监管

竞赛活动作为体育活动的动力和杠杆，是学校体育发展的重要组成部分。赛事的公平公开公正性保证了学校竞赛活动能够有序开展。竞技比赛中，常易出现裁判员误判误罚情况，最终导致赛事停止或是出现现场混乱的局面。如利用人工智能技术对赛事进行监控，能够即时捕捉到比赛中容易产生误判的动作，通过即时回放观察，确定判罚与否，不仅提高了竞赛执裁的准确性，同时，对竞赛科学化管理提供了良好的条件。

2 人工智能技术在体育教学和学生体质健康监测中的应用

随着科技的不断发展，人工智能在体育教学和学生健康体质监测和促进中得到了一定程度的发展。2012年在郑州举行的全国第五届体育教学观摩展示活动上，组委会首次采用了可穿戴背心心率遥控技术，对参加展示的体育课进行了练习密度和运动负荷的测试，开创了人工智能技术在我国学校体育中的应用，从此以后，全国的各种教学观摩活动大多都把穿戴背心心率遥控技术用于检测体育课的运动负荷，大大提高了活动的科学性，中国教育科学研究院从2017年开始，在全国25个市(区)，21万多名学生的运动监测数据，并利用穿戴设备及分析技术，在全国20个省的876节优秀体育课，57个体育大课间学生运动数据，提出了有效课堂教学建议和有效大课间体育锻炼建议标准[2]。广州市教育局于2018年开始建立“青少年体质健康和智慧体育管理平台”，在全市28所中小学中开展“智慧学校体育课堂”试点工作，为学校及学生提供科学锻炼的数据，提高学生参加锻炼的积极性，有效的提高课堂教学质量，促进了学生体质健康水平。近10年来，人工智能技术在体育教学和学生体质锻炼的应用不断创新，不仅从功能上、形式上创新，而且对数据的收集更加精准有效，学校体育人工智能也从1.0升级至4.0，数据结果的可视化分析也更高效和科学，为促进学生体质健康的提升，提高体育课堂教学效率，实现学生家庭作业和校内外体育活动的实时测评与促进提供了科学、高效的服务平台。

2.1 学校体育人工智能1.0系统

学校体育人工智能1.0系统(下称“1.0系统”)是体育课或课外体育活动中采用穿戴设备测试系统，它是把穿戴背心、手环(或臂环)套在学生胸部、手腕或手臂，根据学生活动时的脉搏跳动情况反馈到平台系统，平台系统计算出学生活动的密度和强度。通过监控学生的运动负荷，能够及时掌握学生体育课或体育活动的情况，为体育老师提供有效的运动负荷状况，为学校及教育行政部门提供评价及决策依据。可穿戴设备具有平民化、小型化、集成化和便携时尚化的特点，但也存在着服务科学化、功能丰富化、平台虚拟化、设备私密性不足的问题。

2.2 学校体育人工智能2.0系统

学校体育人工智能2.0系统(下称“2.0系统”)是采用穿戴设备远端(家庭或户外作业)进行测试的平台系统，通过互联网系统的输送使远端体育教学及锻炼成为可能，无需人工参与，个体使用方便，不必规定锻炼时间，效率高和统计结果准确，是对“1.0系统”的一种优化和升级。除此之外，该测试平台具有实时性，能够利用无线传感技术将测试结果进行高效整理、统计并且进行分级公布和反馈，保证进行锻炼的学生能够第一时间获知自己的锻炼效果和反馈要求，也使家长和学校能够掌握学生锻炼或体育作业完成情况，但也存在学生及锻炼人群必须在家里或锻炼时间佩戴智能设备，需要大量的经费和设备，对大面积监控学生体质健康水平及完成家庭作业有一定的难度。

2.3 学校体育人工智能3.0系统

学校体育人工智能3.0系统(下称“3.0系统”)是采用录像和视频测试系统，利用AI深度学习的运动跟踪技术，通过智能手机或手提电脑拍摄并上传运动状况，即可识别人体运动动作，平台通过动作在单位时间内完成的速度、运动轨迹等信息，对动作质量进行检测，指导、纠错和统计，及时提供运动负荷等数据。平台能够全面记录学生的体能素质变化，能够为家长、学校及教育行政部门提供学生课外、校外体育锻炼统计总览，AI体质监测分析，学生BMI数值等数据。平台能够完整配合体育课程的实施和体育活动的开展，全程智能监控学生锻炼情况，为学生提供锻炼计划，对促使学生养成良好的运动习惯，落实校内、校外两小时体育活动有事半功倍的作用。3.0系统还能够为学生锻炼和参加竞赛提供服务平台，平台可以根据学生在一个月课内外锻炼和竞赛的成绩进行统计和排队，计算出每个学生每天锻炼时间和参赛项目成绩及各班团体成绩，精准计算，大大减少教师统计的工作量。

2.4 学校体育人工智能4.0系统

学校体育人工智能4.0系统(下称“4.0系统”)是采用智慧校园或家庭即时拍摄系统。通过摄像头及智能传感器的拍摄来识别人体的动作，利用人体的肢体语言来与计算机场景内容进行互动，只需要身体四肢做出相应动作即可与数据平台进行交互及大数据分析，无需佩戴任何感应设备或手机、电脑等设备，是最新一代的人机交互方式。“4.0系统”利用AI深度学习的运动跟踪技术，仅使用智能监控系统即可精准识别人体运动动作，并提供动作检测、指导、纠错和统计功能，支持各类型动作识别，支持横竖屏切换，训练，器材识别，如跳绳、球类等，实时反馈到锻炼个体手机，及时评价及纠错提醒，并进行智能语音播报(微动作、颤动提醒)，动作纠错(精确到部位)；系统还具有防作弊功能，通过AI检测、录制以及照片抓取等有效方式防作弊手段，以达到提升运动效果的目的。智能4.0系统可以全面监控学生体育锻炼情况，精准判断学生活动轨迹及锻炼强度，对全面落实校内、校外一小时体育锻炼，全面推行全体学生参加体育活动及竞赛，科学监控、评价学校全面贯彻落实体育课程、学生体质健康标准，深化学校体育改革有重要意义。

2.5 学校体育人工智能5.0系统

学校体育人工智能5.0是在4.0的基础上建构个性化系统，它根据大数据平台把每个学生的体质健康状况储存在系统中，能够根据学生每次锻炼情况及时进行综合分析，并根据身体状况提供最佳的锻炼建议，及时提醒及纠偏，保证学生获得最佳的锻炼效果。

“1.0系统”和“2.0系统”具有反馈快速，数据统计准确的优点，但需要每个学生都配备智能佩戴设备，在现阶段对全员开展检测体育教学、课外体育活动和校外体育活动有一定的难度，但如果经费到位也是可以做到的，部分经济发达地区可以先行先试。“3.0系统”和“4.0系统”不需要穿戴设备，充分利用手机、智慧校园等现有设备，能够较大面积的推进校内外体育活动两小时的落实，目前“3.0系统”已经开始应用在部分学校、家庭及运动场所，但智能化程度相对比较低，平台只能识别人体运动动作，对动作质量进行检测，指导、纠错和统计，并提供练习时间，但还未能为学生提供准确的运动强度，未能达到精准监控学生锻炼效果的需要。而“4.0系统”是比较完整的体质健康、锻炼及竞赛的监控系统，“5.0系统”更加人性化，但均需要5G+智慧校园、智慧家庭甚至智慧社区的支撑和普及才能完成，相信不久可以实现。

3 人工智能技术在学校体育中的应用

人工智能的诞生和发展推动着人类快速进步，也是新世纪引领未来教育发展的新领域。人工智能技术除应用于课外体育锻炼监测以外，在体育课堂监测、数据化管理、训练场馆监测、训练模式的创建以及赛事监测等方面的应用有以下几种模式。

3.1 构建学生体质智慧监测系统

学生体质智慧监测系统是对全体学生的各项课堂运动指标进行实时监测和运动负荷异常报警，方便教师进行及时调整和干预；并支持教师以平板电脑、大屏幕无线投影等方式远距离实时观看，可随时显示所选择的班级、个人的详细运动指标；同时教师可自定义课程类型、名称、长度、课程目标和时间分配。

北京第二实验小学就通过对3～4年级每个班级45人，共1200名学生进行实验研究，通过学生在体育课上的全部常态运动负荷数据予以数据的采集。在过程中，系统根据教师预设的参数可对学生发出实时提示，告知学生是否达到教师预设的锻炼强度目标。在整个过程中，如果某位学生心率超过预设的警示心率，系统将会发出语音报警，同时该学生手环也会产生震动，这样能确保体育锻炼的安全顺畅。所采集的数据包括班级和个人的平均心率、心率曲线图、心率指数、最大心率、练习密度、平均强度、步数、热值消耗等，这样能够更科学地调控课堂运动量，实时关注个体差异，通过数据的呈现进而采用相应的分层教学手段；课后，系统会对班级和个体数据进行自动分析并出具运动处方，有针对性的为学生制定课外锻炼内容和专业指导[3]。

3.2 构建实时监测体育课运动负荷系统

针对解决体育课堂教学管理、实时追踪监测学生运动负荷(常规体育课、游泳课、体育达标)等问题，为帮助学校健全体育运动伤害风险防范机制，建立课堂运动数据档案等，四川大学体育学院采用了实时监测体育课运动负荷的POLAR(博能)系统。POLAR系统，采用内置传感器的运动智能装备，运动负荷、运动密度、运动时长、实时心率、最大心率等数据实时记录和汇总，课程报告一键生成，教学目标完成情况一目了然，能够实时监测；利用系统科学的算法与可视化技术，海量运动数据的采集、存储、分析、评价、展示平台，帮助教师完善课堂多元化、个性化的体育教学，进行科学的指导；可利用平台为每一位学生建立运动健康成长档案，长期跟踪其进行体育运动的强度、频率、时长等指标，为学生建立健康成长档案；设置了超出设定目标的预警提醒功能，能有效降低运动损伤风险，为学校预防保健工作提供工具，鼓励学生适度活动，建立健全防范机制提供数据支撑。系统采用了全球最精准的运动智能装备及大数据分析技术，帮助教师彻底解决了传统体育课“难量化、难记录、难监督、难分析”的问题[3]。

3.3 创设智慧信息化管理系统平台―游泳馆

传统游泳馆管理办法主要以人工管理为主，出现监管工作量大，管理人员多，管理粗放等问题。为解决高校体育场馆的相关需求，复旦大学开发了“高校智慧场馆‘无人化‘自助化’服务管理系统”―智慧游泳馆信息化管理系统平台。智能化系统友好地对接了校园网站、学校一卡通系统，并支持手机移动端访问，生物识别技术通过“指静脉录入设备”实现，并能在用户(学生)离校或提出申请后自动删除全部信息。同时，可通过移动端智慧校园体育文化互动平台与web后台管理平台进行数据联动，实时查看场地在线预订、场地信息、教练信息查看、课程报名、赛事报名、服务评价等情况。通过该系统实现了游泳馆业务的信息化流程全覆盖，配套游泳馆会员管理系统、卡片管理系统、场地管理系统、可视化图表分析系统、个性化定制开发自助办卡售票系统、多功能闸机实时监控管理系统、运动客流实时监控系统、智能集控联网衣柜管理系统、移动端智慧校园体育文化互动平台、校园一卡通对接管理系统。为场馆利用率及场馆高效管理提供了解决方案[3]。

3.4 构建学校体育及校园足球一体化数据系统

学校体育及校园足球一体化数据能够解决学校体育工作开展情况的管理、各年级学生体育课堂适宜负荷量的监控、学校足球队训练选拔比赛活动的数据化管理、全校师生的个人运动档案的建设追踪等问题。郑州市第八十五中学引入了MTSports数字体教，该系统是以监测学校体育及校园足球运动中的数据为手段，通过构建学生的运动数据档案，完成对学校体育及校园足球运动效果的客观评价和成长追踪。同时，以“学校体育+大数据”的应用形态，为每一名学生、每一名教师、每一位教育管理者和每一位家长建立起一套完整的学生成长记录和评价系统，为各级教育管理者提供新的信息维度，形成体育活动“有追踪、有结果、有考核”的创新管理模式。系统还借助于专业的运动监测设备，记录学生日常体育教学以及校外体育活动的运动表现，准确获取学生在运动状态下数十项身体指标，针对校内体育活动，预计合理运动负荷(运动强度、练习密度、运动负荷、心率)，一键生成运动报告，教学目标完成情况一目了；针对校园足球训练及校内竞赛，以学生各运动指标为基础，系统支持每个学生锻炼效果及排名运动报告一键输出，实现校园足球运动数据化管理；对区域教研员或有教研需求的老师，可通过对不同年级、不同班级、不同身体素质的学生课堂运动数据，对教学内容进行调整或课题输出，学生原始数据支持导出[3]。

3.5 创建智能装备一体化训练模式

为科学合理定制课程教案、训练模式，一站式提供设计规划、设备配置、团队组建、精细化管理等方案，人大附中三亚学校采用模块化设计，集成化建设，最大化利用现有空间，个性化定制足球、网球、篮球等球类智能装备和配套等智能设施。配套的智能运动装备可以自动发球、自动回球、自动捡球，智能精准计算发球数、进球数、命中率、训练量等。教师可以根据教学需要设置不同的教学训练模式，设计多种教学方案，提高教学效率；同时学校智慧体育建设案例部门可以利用物联网、云技术开展体育大数据统计分析和管理；还可以全自动陪学生练球，解放教师双手，颠覆传统教学方法，从传统的点对点升级为一对多教模式；采用物联网、云存储、大数据管理系统，通过智能扫码，实现无人化管理，可自动计时计费，实现流量分析统计[3]。

3.6 球类比赛中的界外球数字监测系统

球类比赛中界外球数字监测系统的主要特征是由光学三维运动实时跟踪捕捉设备、数据信息处理系统、数字显示和声音警示、发光警示设备等组成。在羽毛球比赛中采用了压电传感技术系统，通过球与地板上的压电材料相接触，对压电材料产生一定的机械压力，检测地板表面压力产生的电信号，便可确切知道羽毛球与地板的接触点的位置[4]。应用于网球比赛中的“即时回放系统”，它由8个或者10个高速摄像头、四台电脑和大屏幕组成。首先，借助电脑的强大计算能力，把比赛场地内的立体空间，分隔成以毫米计算的若干测量单位；其次，利用高速摄像头从不同角度同时捕捉网球飞行轨迹的基本数据，再通过电脑计算，将这些数据生成三维图像；最后，图像利用即时成像技术，由大屏幕清晰地呈现出网球的运动路线及落点。应用于足球比赛中的电子发生器，即足球比赛中进球以及球员越位等电子即时判断系统，它由硬件和软件两大系统构件组成。其中硬件系统由足球定位发射器、场地边角定向发射器、摄像机、雷达测速器、球员定位发射器及场上裁判振动接收器等组成；软件系统则由针对以上所述硬件进行开发的[5]。

4 结论

贯彻落实学生校内外锻炼两小时，切实提高学生体质健康水平是新时代深化学校体育改革的重要环节，也是学校教育评价体系中的重要组成部分。科学、高效地对学生进行体育教学效果、参与体育活动状况、体质健康水平的综合评价，对学校体育改革有着重要的意义。我国现阶段对体育教学效果、家庭体育作业和学生体质健康的监测上，对人工智能的应用中还停留在学校体育人工智能1.0系统阶段，甚至部分学校仍然采用传统的人工测试，部分学校开始尝试采用2.0系统布置家庭体育作业，也有学校引进了3.0技术，但就全国学校体育工作而言，人工智能技术的普及程度还比较低，应用人工智能迫在眉睫。

随着人工智能在校园及家庭的快速发展和应用，随之而来就是信息安全和道德伦理带来的问题。“建立在大数据和深度学习基础上的人工智能技术，需要海量数据来学习训练算法，带来了数据盗用、信息泄露和个人侵害的风险。许多个人信息如果被非法利用，将会构成对隐私权的侵犯。人工智能具有强大的数据收集、分析以及信息生成能力，可以生成和仿造很多东西，甚至包括人类自身。随之而生的虚假信息、欺诈信息不仅会侵蚀社会的诚信体系，还会对国家的政治安全、经济安全和社会稳定带来负面影响”[6]。因此，学校在应用人工智能技术的同时，要有强烈的风险意识，包括在引进第三方合作机构，要从法律的角度保护学生、家庭、学校等方面的信息。建议从政府层面上加以规范和出台相关政策。