面向中小學的智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的開發(fā)

黃祥風 浙江省溫州市教育技術(shù)中心

張玉梅 溫州大學教育技術(shù)系

● 背景

2024年1月召開的“2024全國教育工作會議”提出：要不斷開辟教育數(shù)字化新賽道；堅持應(yīng)用為王走集成化道路，以智能化賦能教育治理。因此，隨著“體教融合”的不斷深入，實現(xiàn)數(shù)字化與中小學體育教育深度融合，智能化賦能中小學體育教育理應(yīng)成為教育數(shù)字化的突破點。

傳統(tǒng)的體育教育通常采用大班教學模式，主要依賴教師的講解和演示，教師難以全面了解每位學生在不同運動項目中的問題，因此很難為他們提供個性化的訓練和指導。此外，學生的運動和練習情況往往難以被量化或記錄，教師難以追蹤學生學習情況，并為他們提供有針對性的建議和支持。而與傳統(tǒng)的體育教學相比，智慧體育系統(tǒng)具有實時運動跟蹤功能，能夠根據(jù)學生的運動姿態(tài)和肌肉情況進行分析，提供運動點評和建議。

此外，智慧體育系統(tǒng)還具備體育運動成績自動識別、違規(guī)動作智能檢測及動作精準分析指導等功能，覆蓋了精準教學、智能體測、課后練習、體育考試以及綜合評價等多種場景。智慧體育系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，不僅有望彌補傳統(tǒng)教學的不足，還能夠為學生提供更全面的、有趣味性的學習體驗。

本研究根據(jù)智能時代中小學體育教育的需求，構(gòu)建了智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)，以期增強教學及運動中的智能交互性，提升學生的運動興趣與水平，為體育課程注入更多趣味與品質(zhì)，全面服務(wù)于體育強國戰(zhàn)略，并推動數(shù)字化教育平臺在體育教育中的應(yīng)用。

● 智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1.系統(tǒng)需求分析

傳統(tǒng)體育教學在長期實踐中積累了經(jīng)驗，但在滿足個體差異、促使學生參與度等方面還存在許多不足。智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)運用運動視覺技術(shù)、機器學習等多種技術(shù)手段為學生提供個性化的教學指導，利用豐富的運動場景激發(fā)學生的學習興趣，提高其學習動機，同時，實現(xiàn)教學過程的可視化。智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)與傳統(tǒng)體育教學的融合，為傳統(tǒng)體育教學帶來了全新的可能性。通過整合人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對體育行為的全方位監(jiān)測與指導，為學生提供了更科學、精準和愉悅的學習體驗。同時，這一融合還為教師提供了更多的教學工具和決策支持。

通過對智慧體育研究論文的分析，結(jié)合對中小學體育教育現(xiàn)狀的調(diào)研，筆者總結(jié)出智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能（如圖1）。

圖1 智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的功能需求

（1）多項目

涵蓋全部中小學體育測試項目，具體包括跳繩、立定跳遠、跑步、仰臥起坐等十幾個項目。在教學過程中，教師只需要通過終端對系統(tǒng)發(fā)出指令，便可在系統(tǒng)配合下快速完成多項目的練測評教學任務(wù)。

（2）多場景

覆蓋“教學練測評”多個場景。系統(tǒng)應(yīng)考慮學生在課程、練習、考試等方面的使用需求，實現(xiàn)教學指導、智能體測、模擬測試、自由練習、體育考試、體育大數(shù)據(jù)等多場景實際應(yīng)用。

（3）實時監(jiān)測和反饋

實時監(jiān)測學生體育運動行為，并自動精準分析學生運動姿態(tài)問題，相關(guān)成績和數(shù)據(jù)實時顯示在大屏上，為學生提供詳細的實時反饋，以幫助學生改進技能和姿勢，提供學生學習進度的實時追蹤，讓教師能夠及時了解學生的表現(xiàn)，為個性化指導提供基礎(chǔ)。教師可以通過大屏對整個班級做精細化的動作分析與講解。

（4）過程性評價

通過對學生進行常態(tài)化過程性評價，為其提供個性化的反饋和指導，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其在體育領(lǐng)域的自主學習能力，實現(xiàn)全方位的個體發(fā)展。

2.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層。平臺整體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶層：智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的用戶包括學生、教師、校級管理者和區(qū)級管理者。

應(yīng)用層：根據(jù)使用功能區(qū)分，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)分為校級應(yīng)用和區(qū)級應(yīng)用。從校級應(yīng)用維度看，部署智能化、可視化的體育教學產(chǎn)品，為教學過程提供精確測量、多維度分析、無人為干預(yù)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立學生體質(zhì)特征模型，科學化提升學生體質(zhì)優(yōu)良率；從區(qū)級應(yīng)用維度，統(tǒng)計體育課開課率、課節(jié)時長、課節(jié)數(shù)、師資、學生體質(zhì)健康總體情況等，大數(shù)據(jù)支撐科學研判，實現(xiàn)區(qū)域級的智能化決策評價。

數(shù)據(jù)層：滿足數(shù)據(jù)的存儲、管理、調(diào)用功能。智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)開發(fā)及使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要有學生信息、運動數(shù)據(jù)、體測成績、體質(zhì)檔案等業(yè)務(wù)信息和支撐智慧體育的所有應(yīng)用的場景數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)層：提供體育信息的采集和傳輸功能，是整個智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)。主要負責從各種傳感器、設(shè)備中采集實時的體育數(shù)據(jù)，通過AI服務(wù)器對視頻流數(shù)據(jù)進行清洗、分析。

3.系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)上述分析，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)由技術(shù)人員進行技術(shù)實現(xiàn)。本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分包括攝像頭、交換器和服務(wù)器等；軟件部分采用的技術(shù)是基于WebAPI標準接口的后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、信息檢索系統(tǒng)和服務(wù)接口，具有跨平臺能力的.Net Core開發(fā)框架，前端采取HTTP、CSS、JavaScript、RequireJS技術(shù)。通過布置在操場和體育館的攝像頭采集學生的運動信息，經(jīng)過簡單的處理后，經(jīng)由AP網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器進行智能處理，并將最終的結(jié)果保存到服務(wù)器。學生和教師都可以通過教學終端查看相關(guān)的數(shù)據(jù)。

智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)采集學生的體育運動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動分析學生的運動數(shù)據(jù)，指出存在的問題和改進的建議（如圖3）。

智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)首頁包括全區(qū)體育運動信息、熱門項目排行榜，以及各項目成績分布、各項目使用量、實時測試成績和開課次數(shù)排行榜。具體如圖4所示。

運動成績排名包括總運動量、各項運動項目的成績排名信息，可以根據(jù)性別和年級的不同進行排名。

個人運動檔案界面包含每一位學生的個人成績報告及分學年體育運動綜合素質(zhì)評價。

個人成績報告中保存了學生運動視頻及關(guān)鍵幀，教師通過分析學生運動過程的姿態(tài)指標及肌群情況，給出運動點評及建議，同時，這些數(shù)據(jù)有助于教師精細化指導教學及課堂回溯。運動綜合素質(zhì)評價檔案是對學生每學年的綜合運動情況進行統(tǒng)計，包括累計運動情況、各項目成績記錄與分析，并自動分析學生綜合能力。

● 智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的應(yīng)用反饋

智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)將機器視覺與體育教育深度融合，采用物聯(lián)網(wǎng)攝像頭和自主研發(fā)的人工智能運動視覺算法，融合傳統(tǒng)體育教學模式，通過多場景覆蓋，為學生提供更豐富、個性化的學習體驗，為教師和管理者提供學生的運動數(shù)據(jù)。

本研究將智能視覺體育評測和教學系統(tǒng)部署到溫州某小學，試用了一年半時間。為評估智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)在體育教學中應(yīng)用的效果，筆者對參與智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)試用的2位體育教師和36名小學生進行了訪談。

受訪的學生認可智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)在體育教學中所起到的作用，并對其表現(xiàn)出了積極的態(tài)度。超過30名學生表示愿意推薦這個系統(tǒng)給同學和教師使用。分析其原因，一是，學生普遍認為智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)能夠提高體育課的趣味性，尤其是跳繩和跑步，帶來挑戰(zhàn)和競爭感，使其能更積極地參與體育活動；二是，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)的即時反饋有助于讓學生更好地了解自己在體育方面的成就和不足，通過運動視頻的回溯，能夠不斷調(diào)整自己的動作和姿態(tài)，增強了對自身表現(xiàn)的認知，也有助于他們提高身體素質(zhì)，改善健康狀況；三是，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)提供的競爭類的體育活動能夠促進人際交往，提高同學們之間的合作關(guān)系和親密程度。

受訪的體育教師表示，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)給他們的教學帶來了驚喜，也帶來了壓力。智能視覺體育的智能技術(shù)和游戲化結(jié)合，激發(fā)了學生參加體育活動的熱情，參與度明顯提高。成績評測功能可以自動完成學生的體育測試，減輕了教師的教學壓力。此外，教師可以透過數(shù)據(jù)分析，掌握學生在體育鍛煉中存在的問題，進而開展有針對性的鍛煉。但是，新的教學環(huán)境和教學設(shè)備也讓教師感到壓力，需要做出巨大的調(diào)整。

總的來說，學生對智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)在體育教學中的應(yīng)用持積極態(tài)度，并表達了希望在體育教學中更多地采用這樣的系統(tǒng)的想法。他們普遍認為系統(tǒng)能夠讓體育課變得更有趣、更豐富，同時也提供了更具體的數(shù)據(jù)和反饋，讓他們更了解自己的表現(xiàn)，從而改進和提高自己的運動水平。然而，一些學生也提到了系統(tǒng)存在的問題，如在精確度等方面需要改進。隨著后續(xù)技術(shù)的迭代，智能視覺體育評測與教學系統(tǒng)將會更加精準、更加完善。教師對智能視覺體育評測和教學系統(tǒng)基本上是認可的，但是驚喜和挑戰(zhàn)同在。