人工智能在體育教育領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

馬文博，馬 敬

(1.韓國昌原大學(xué) 體育學(xué)院，慶尚南道 昌原 51140；2.安徽師范大學(xué) 體育學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

2017年“兩會(huì)”首次將人工智能寫入政府工作報(bào)告，人工智能發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。教育部副部長杜占元表示，新時(shí)代要有新氣象，更要有新作為。我國教育要走出傳統(tǒng)的思維模式，進(jìn)入信息化2.0時(shí)代，真正打造具有中國特色的教育信息化發(fā)展平臺(tái)。人工智能是現(xiàn)下社會(huì)各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，而其與體育相結(jié)合的研究成果寥寥無幾，亟待深入研究和探討。本文試圖從表現(xiàn)形式、應(yīng)用形態(tài)、未來展望三個(gè)方面探索人工智能與體育教育的結(jié)合，以期為人工智能在體育教育領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 人工智能與體育教育的關(guān)系

教育是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在不斷累積經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的過程中受教育者的智能得到提高[1]，教育是持續(xù)人的一生的動(dòng)態(tài)過程。學(xué)習(xí)是人的天賦與社會(huì)化表現(xiàn)。學(xué)習(xí)有自主學(xué)習(xí)和指導(dǎo)學(xué)習(xí)兩種方式，指導(dǎo)學(xué)習(xí)的表現(xiàn)形式就是教育。指導(dǎo)學(xué)習(xí)是教育的本體，即不變的教育本質(zhì)，培養(yǎng)人、塑造人[2]。在不同時(shí)代和社會(huì)，教育的本質(zhì)是我們需要長期堅(jiān)持的。體育是促成受教育者形成身心和諧、全面發(fā)展的“全人”的過程[3]。體育作為教育的重要組成部分，擁有自身特點(diǎn)的科學(xué)特質(zhì)與教學(xué)范式，但其根本目標(biāo)與本質(zhì)和教育保持高度一致。人工智能(Artificial Intelligence)就是用人工的、深度學(xué)習(xí)的方法在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)的智能，即人們使用機(jī)器來模擬人類智能。簡單來說，就是在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)人的教育[4]。把人工智能(AI)技術(shù)運(yùn)用在體育領(lǐng)域是新時(shí)代的一種教育模式，這種教育模式是在“互聯(lián)網(wǎng)+體育”基礎(chǔ)上的升級(jí)演變，其教育目標(biāo)變?yōu)榕囵B(yǎng)和塑造擁有一定知識(shí)技能，具備國際視野，全面發(fā)展的人。因而，人工智能在體育教育中的應(yīng)用實(shí)質(zhì)就是利用人工智能的手段，從課堂環(huán)境、教學(xué)資源、教學(xué)的交互形式等方面提高教學(xué)效率，培養(yǎng)更多自由而全面發(fā)展、具備國際競爭力、深厚人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、強(qiáng)健體魄、實(shí)踐創(chuàng)新、負(fù)責(zé)任敢擔(dān)當(dāng)?shù)男乱淮瞬拧?/p>

2 人工智能在體育教育中的表現(xiàn)形式

2.1 精準(zhǔn)診斷

人工智能是基于大數(shù)據(jù)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)算法，因此，其掌握的數(shù)據(jù)越多，就越能精準(zhǔn)分析學(xué)生知識(shí)掌握薄弱點(diǎn)，從而有機(jī)會(huì)獲得更有針對(duì)性的個(gè)性化輔導(dǎo)，提升老師教學(xué)和學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)效率。在體育的應(yīng)用中，人工智能通過跟蹤不同類型的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡，可及時(shí)分析、計(jì)算每個(gè)練習(xí)者的學(xué)習(xí)心理與外在行為表現(xiàn)特征，刻畫出立體化、可視化的練習(xí)者畫像[5]，從而為不同受教育者的個(gè)性化學(xué)習(xí)以及體育教師改進(jìn)教學(xué)提供精準(zhǔn)診斷與服務(wù)，降低低效的重復(fù)勞動(dòng)，使學(xué)生能夠準(zhǔn)確地掌握運(yùn)動(dòng)技術(shù)，培養(yǎng)其運(yùn)動(dòng)興趣與能力。

2.2 過程監(jiān)控

人工智能能在習(xí)得知識(shí)的過程中，對(duì)受教育者的情緒、反思、探究等活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)價(jià)。此外，人工智能技術(shù)輔助教師進(jìn)行日常教學(xué)監(jiān)控，基于學(xué)生的能力和技能水平及時(shí)提醒教師動(dòng)態(tài)調(diào)整課程內(nèi)容，以進(jìn)一步適應(yīng)和提高學(xué)習(xí)者表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的自助干預(yù)。再次，人工智能技術(shù)通過監(jiān)控一系列學(xué)習(xí)過程行為及數(shù)據(jù)，來幫助受教育者實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如：智慧課堂行為管理系統(tǒng)，就可根據(jù)學(xué)生的面部表情，運(yùn)作軌跡分析學(xué)生學(xué)習(xí)的專注度和技能掌握的程度，提高教育的針對(duì)性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)良性互動(dòng)。在體育教學(xué)中，教師在傳授完動(dòng)作技術(shù)后，通過人工智能的過程監(jiān)控，使教師得到學(xué)生掌握運(yùn)動(dòng)技能的反饋，及學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)技能的疲勞程度，并及時(shí)修正體育課堂教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

2.3 個(gè)性化服務(wù)

人類社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入信息化時(shí)代，習(xí)近平指出，信息化為中國民族帶來千載難逢的機(jī)遇，必須牢牢抓住這個(gè)時(shí)代機(jī)遇，將學(xué)生個(gè)性與智能教育緊密結(jié)合，促使學(xué)生的個(gè)性能在學(xué)習(xí)的過程中得到充分肯定與發(fā)展?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的智能體育云服務(wù)平臺(tái)支持，針對(duì)學(xué)生的心智、體育技能、體育知識(shí)進(jìn)行分析，把握運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)個(gè)性偏向，需求和已有經(jīng)驗(yàn)，提供有差異性的個(gè)性化服務(wù)，針對(duì)不同生長環(huán)境下學(xué)生的特點(diǎn)，制定出因材施教的體育課程培養(yǎng)方案，最后在目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，完成受教育者在人生各階段所進(jìn)行的體育學(xué)習(xí)活動(dòng)，促成受教育者養(yǎng)成終身運(yùn)動(dòng)與學(xué)習(xí)的生活方式與行為習(xí)慣。人工智能能夠有效記錄和生成受教育者在不同階段體育的學(xué)習(xí)路徑[6]，幫助體育教師更好地實(shí)現(xiàn)因?qū)W定教和精準(zhǔn)教學(xué)。

2.4 智慧化決策

大數(shù)據(jù)時(shí)代，教育數(shù)據(jù)挖掘與開發(fā)成為教育領(lǐng)域中的新興業(yè)態(tài)與具體應(yīng)用[7]。人工智能與體育的結(jié)合碰撞出了大量火花。人工智能—課堂質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)(AI-CQE)是基于人工智能+大數(shù)據(jù)分析的教學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。根據(jù)海量的課堂教學(xué)視頻數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)的人工智能訓(xùn)練方法，利用AI技術(shù)對(duì)體育教師和學(xué)生的課堂行為進(jìn)行智能識(shí)別，包括：人臉識(shí)別，表情分析等，經(jīng)過大數(shù)據(jù)針對(duì)教師及學(xué)生的行為進(jìn)行分析，包括：學(xué)生動(dòng)作軌跡、課堂表現(xiàn)、專注度等數(shù)據(jù)，將結(jié)果以更加直觀的圖表形式呈現(xiàn)給學(xué)生、教師、家長以及其他教育工作者，并給教育決策者提供了科學(xué)的決策依據(jù)。人工智能的智慧化決策使用，極大程度地為體育教師提供了方便，在我國這樣一個(gè)極其注重教育的國家，要培養(yǎng)學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展，且體育教師目前還存在稀缺現(xiàn)象，各地人才分布不均勻，在面對(duì)學(xué)生人數(shù)眾多的教學(xué)課堂時(shí)，利用人工智能來記錄每一個(gè)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)情況，為教師節(jié)省更多的時(shí)間來精心布置教學(xué)內(nèi)容，從而把體育教學(xué)全方面地落實(shí)到每一個(gè)學(xué)生中去。

表1 人工智能在體育教育中的應(yīng)用與服務(wù)內(nèi)容

3 人工智能在體育教育中的應(yīng)用形態(tài)

3.1 智能導(dǎo)師系統(tǒng)

在大數(shù)據(jù)的支持下，智能導(dǎo)師系統(tǒng)建模分析評(píng)價(jià)決策，搭建的智能在線學(xué)習(xí)教育平臺(tái)，是“人工智能+教育”當(dāng)下的主要應(yīng)用形式。智能導(dǎo)師首次出現(xiàn)于1982年，它是由計(jì)算機(jī)模擬教師教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和方法，采取對(duì)學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一的教學(xué)模式，針對(duì)不同需求和特征的受教育者授業(yè)解惑[9]。智能導(dǎo)師通過語言處理、語音識(shí)別等技術(shù)，實(shí)時(shí)深度分析場景及數(shù)據(jù)，發(fā)揮導(dǎo)師角色的作用，提供全方位飲食、訓(xùn)練計(jì)劃、量化訓(xùn)練結(jié)果與分析，減少體育訓(xùn)練者不必要的重復(fù)勞動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果，并且根據(jù)練習(xí)者的表現(xiàn)和問題解決的情況進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)和反饋，并提出相應(yīng)的建議[10]。其可以為練習(xí)者提供科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，在離開教師本人的指導(dǎo)后，通過智能導(dǎo)師系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析，提供解決體育教學(xué)中學(xué)生存在問題的方法。

3.2 自動(dòng)化評(píng)測系統(tǒng)

“人工智能+體育”自動(dòng)化評(píng)測系統(tǒng)最初的雛形是由2001年黃大海[11]在其畢業(yè)論文中提出的設(shè)計(jì)體育教學(xué)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，他指出體育教學(xué)評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜且重復(fù)性勞動(dòng)較多的系統(tǒng)工程，需求耗費(fèi)大量的人、財(cái)、物等資源，傳統(tǒng)的人工處理的方法已滿足不了現(xiàn)在日益嚴(yán)格的體育教學(xué)評(píng)價(jià)要求，因此必須加快推進(jìn)體育教學(xué)評(píng)價(jià)智能化。目前，這種自動(dòng)化評(píng)測系統(tǒng)被普遍用于各學(xué)科在線測評(píng)。通過自然語言處理技術(shù)和大量的語料庫存貯為基礎(chǔ)，自動(dòng)分析評(píng)價(jià)學(xué)生的作業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)語料庫之間的距離，進(jìn)而進(jìn)行即時(shí)評(píng)分并提供建議和內(nèi)容分析結(jié)果，如批改網(wǎng)[12]。未來，自動(dòng)化評(píng)測系統(tǒng)在實(shí)時(shí)跟蹤管理和評(píng)價(jià)上還有很大的提升空間。在體育課上教師傳授完本堂的教學(xué)內(nèi)容后，學(xué)生課下自主練習(xí)動(dòng)作技能，自動(dòng)化評(píng)測系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地對(duì)學(xué)生在體育課上的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行智能化的系統(tǒng)評(píng)價(jià)。因而，也可以應(yīng)用到體質(zhì)健康測試當(dāng)中去，改變以往通過教師及體育工作者進(jìn)行測試的方式，不僅提高了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還節(jié)省了人力和財(cái)力，并能結(jié)合學(xué)生日常的體育課學(xué)習(xí)效果評(píng)測內(nèi)容，來提高他們的身體素質(zhì)。

3.3 體育教育機(jī)器人

人工智能與其他學(xué)科交疊促進(jìn)了教育人工智能(Educational Artificial Intelligence)在教育領(lǐng)域的新突破[13]。教育機(jī)器人從最開始的教育器械，升級(jí)成為一種應(yīng)用更為廣泛，功能更為全面的人工智能型助手。教育機(jī)器人除了幫助學(xué)生管理日常的學(xué)習(xí)任務(wù)，分享學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)中[14]，還能與學(xué)生建立友好的陪伴關(guān)系，寓教于樂，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與成長。教育機(jī)器人應(yīng)用于體育的主要形式有：①輔助個(gè)性化的練習(xí)，使體育訓(xùn)練不再枯燥。②體育講堂知識(shí)助手，普及運(yùn)動(dòng)常識(shí)，講解運(yùn)動(dòng)史。③實(shí)時(shí)反饋的運(yùn)動(dòng)助手，精準(zhǔn)記錄你的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、強(qiáng)度、心跳等生理指標(biāo)，生成運(yùn)動(dòng)報(bào)告，根據(jù)身體實(shí)際情況，提供運(yùn)動(dòng)建議。④運(yùn)動(dòng)者數(shù)字肖像，幫助教師了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷改進(jìn)教學(xué)方法。未來體育教育機(jī)器人的普及，使越來越多的學(xué)生參與到體育課堂教學(xué)中去，家長放心，學(xué)生更加熱愛體育鍛煉，從而養(yǎng)成終身體育的學(xué)習(xí)觀念。

4 人工智能在體育教育中的展望

4.1 面向現(xiàn)代化，構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會(huì)

十九大報(bào)告中，明確把教育事業(yè)作為民生之首，落實(shí)教育優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育，不斷滿足人民日益增長的美好生活需要，增進(jìn)人民群眾的獲得感、幸福感、安全感。2018年習(xí)近平提出建設(shè)“人人皆學(xué)，處處能學(xué)，時(shí)時(shí)可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會(huì)[15]。蘇州大學(xué)教授朱永新提出，未來學(xué)習(xí)會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)共同體，形成學(xué)習(xí)社區(qū)[16]。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高教育質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也指明了新時(shí)期教育工作的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)教育信息化2.0發(fā)展。只有更加注重面向人人的教育，大力促進(jìn)教育公平，更加注重以學(xué)習(xí)者為中心，因材施教，提高教育質(zhì)量，才能不斷辦好人民滿意的教育。體育是民族昌盛發(fā)展的基石，切實(shí)抓好人民體質(zhì)及心理健康，加大力度普及和完善體育健身知識(shí)，利用人工智能技術(shù)，促進(jìn)學(xué)校體育發(fā)展，使學(xué)生養(yǎng)成終身運(yùn)動(dòng)的行為習(xí)慣，是一項(xiàng)長久堅(jiān)持，功在千秋的偉績。當(dāng)前我國的學(xué)校體育雖然受到相關(guān)部門的重視，但在日常教學(xué)中仍面臨著各種困難和問題。因此，應(yīng)抓住人工智能時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇，從而把體育教學(xué)推向智能化，打破外界認(rèn)為的體育只是一種簡單的身體活動(dòng)的觀念，充分利用人工智能的特點(diǎn)，不僅為學(xué)生傳授運(yùn)動(dòng)技能，還為他們帶來內(nèi)在豐富的體育知識(shí)，使學(xué)生成為全面發(fā)展的人。學(xué)校體育與全民健身、競技體育相互關(guān)聯(lián)，人工智能在不同體育領(lǐng)域間的普及，有助于推動(dòng)整個(gè)社會(huì)體育的良性發(fā)展。

4.2 面向世界，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念

歷史學(xué)家尤瓦爾·赫拉利在《人類簡史》中把人類社會(huì)的發(fā)展總結(jié)為三大革命：認(rèn)知革命、農(nóng)業(yè)革命與科學(xué)革命。我國已經(jīng)錯(cuò)過了世界發(fā)展的前兩次革新，定然不能再錯(cuò)失信息化發(fā)展的良機(jī)，應(yīng)盡力而為改革創(chuàng)新，發(fā)展具有中國特色、世界水平的現(xiàn)代教育，以教育現(xiàn)代化支撐國家現(xiàn)代化，增強(qiáng)教育國際競爭力。“人工智能+教育”就是其中一個(gè)重要的組成部分，而在教育之中，體育的發(fā)展事關(guān)國民健康的基石。在以往的教學(xué)中，學(xué)校以學(xué)生的主要課程為主，大都忽視體育課，且在體育課上不敢讓學(xué)生從事大量運(yùn)動(dòng)，加之學(xué)生在體育課上的受傷，使得許多學(xué)校對(duì)體育課望而卻步，逐漸造成對(duì)體育課的不重視。在教學(xué)理念上缺乏對(duì)學(xué)生人格品質(zhì)的培養(yǎng)，體育鍛煉有助于培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)強(qiáng)、積極樂觀的人生態(tài)度。人工智能飛速發(fā)展的今天，就是助力于體育教學(xué)的進(jìn)步，使它突破舊有的教學(xué)理念，發(fā)展人工智能與體育，轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的教育思想，樹立切合實(shí)際，立意長遠(yuǎn)的教育目標(biāo)。

4.3 面向未來，創(chuàng)新體育教學(xué)教法

多學(xué)科融合教學(xué)發(fā)展已成為當(dāng)下教育的發(fā)展趨勢。懂體育未必懂技術(shù)，懂技術(shù)未必能深刻理解體育。由于技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果無法從體育的本質(zhì)出發(fā)進(jìn)行詮釋與分析，而教育者無法從技術(shù)層面提出準(zhǔn)確要求與目標(biāo)，對(duì)機(jī)器所預(yù)測的結(jié)果也無法確信，兩者之間缺乏交流與實(shí)踐。因此，加大力度探討體育與人工智能領(lǐng)域的深度融合具有緊迫性與重要性。比如：開設(shè)課程促進(jìn)人才的流通與合作，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科人才培養(yǎng)。目前，有多種方面可有效幫助體育從業(yè)人員理解機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能系統(tǒng)，比如：可視化技術(shù)開發(fā)人機(jī)界面，可加大促進(jìn)跨領(lǐng)域深度融合，不斷創(chuàng)新體育教學(xué)的趣味性、科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性。教師在體育教學(xué)中有時(shí)會(huì)存在對(duì)學(xué)生提出的問題不能詳細(xì)科學(xué)地回答，在傳授運(yùn)動(dòng)技能時(shí)忽視對(duì)理論知識(shí)的講解等問題。有了人工智能機(jī)器人的幫助，使學(xué)生在課堂上更容易理解體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，教師不僅節(jié)省了不必要的教學(xué)時(shí)間，還可以與人工智能機(jī)器共同學(xué)習(xí)，不斷完善教學(xué)內(nèi)容與方法，從而達(dá)到互利的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

我國正處在信息時(shí)代與中國特色社會(huì)主義新時(shí)代的歷史交匯期，教育信息化必須要與時(shí)代同頻共振。新時(shí)代，體育教育也被賦予了更為重要的教育意義，人工智能與體育的結(jié)合，為體育教育帶來了更多的可能性。我國的人工智能技術(shù)尚在進(jìn)一步的研發(fā)與完善之中，客觀來說，我國的教育人工智能技術(shù)還缺乏大量的實(shí)踐，還需廣泛采納基層教師的建議和意見。因而必須以長遠(yuǎn)的目光去審視我國信息化教育的發(fā)展，必須以受教育者為中心審視我國信息化教育開展的強(qiáng)項(xiàng)和弱勢，必須立足于國際視野打造我國未來的人才，大力開發(fā)人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，在未來更好地助力體育事業(yè)的發(fā)展。