智慧操場(chǎng)：AI大腦助力體育教學(xué)科學(xué)化

朱悅銘

摘? 要：為解決傳統(tǒng)校園體育教學(xué)中“難量化、難記錄、難監(jiān)督、難分析”的問(wèn)題，本研究通過(guò)智慧操場(chǎng)AI智能技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，針對(duì)體測(cè)和中考項(xiàng)目實(shí)時(shí)分析和反饋學(xué)生的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、運(yùn)動(dòng)成績(jī)等關(guān)鍵指標(biāo)，幫助學(xué)校實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生體質(zhì)健康教育課中、課后服務(wù)一體化。

關(guān)鍵詞：智慧操場(chǎng)；AI智能；體育教學(xué)

中圖分類號(hào)：G623.8? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? ?文章編號(hào)：1005-2410（2023）05-0083-03

教育部在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)中小學(xué)生體質(zhì)健康管理工作的通知》中要求學(xué)校著力保障學(xué)生校內(nèi)外各一小時(shí)體育活動(dòng)時(shí)間；提高教學(xué)質(zhì)量，讓每位學(xué)生掌握1～2項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能；做好體質(zhì)健康監(jiān)測(cè)，建立完善以體質(zhì)健康水平為重點(diǎn)的“監(jiān)測(cè)—評(píng)估—反饋—干預(yù)—保障”閉環(huán)體系。

近年來(lái)在諸多學(xué)校體育相關(guān)政策出臺(tái)下，學(xué)生體質(zhì)健康在我國(guó)學(xué)校體育事業(yè)發(fā)展中所占據(jù)的位置日漸凸顯，特別是隨著現(xiàn)代化、信息化的發(fā)展，人工智能已經(jīng)慢慢滲透影響著日常生活，而傳統(tǒng)體育教學(xué)中的問(wèn)題日漸暴露。

一、體育教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）體育教學(xué)手段的信息化和智能化水平偏低

體育教學(xué)設(shè)備信息化落后于其他學(xué)科，當(dāng)微格教室、希沃教室和平板教學(xué)等走進(jìn)教學(xué)時(shí)，體育學(xué)科仍在沿用皮尺、秒表等一成不變的教學(xué)器械，功能單一，設(shè)備缺乏交互性，枯燥乏味，無(wú)法激起學(xué)生運(yùn)動(dòng)興趣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和上傳的閉環(huán)。學(xué)生上課的質(zhì)量完全依靠教師的觀察和以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)做參考，無(wú)法量化體育教學(xué)效果，不利于提高體育教學(xué)的質(zhì)量和科學(xué)化發(fā)展。

（二）體育教學(xué)方法的針對(duì)性和實(shí)效性有待提升

學(xué)校學(xué)生人數(shù)的增多、班級(jí)規(guī)模的擴(kuò)大化，意味著體育教師在上課過(guò)程中難度加大，管理監(jiān)督上更需要花時(shí)間精力；練習(xí)上水平參差不齊，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)因材施教，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)練效率低。

體育成績(jī)學(xué)期、學(xué)年會(huì)多次錄入，紙質(zhì)錄入、整理上傳等工作流程耗時(shí)耗力不易保存，數(shù)據(jù)分析周期時(shí)間長(zhǎng)，不能長(zhǎng)時(shí)間對(duì)比分析。課堂效果沒(méi)有穩(wěn)定的留存記錄，無(wú)法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到的結(jié)果一般都是靠教師的感官經(jīng)驗(yàn)判斷，不利于快速地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改善調(diào)優(yōu)。訓(xùn)練和測(cè)試后反饋不足，缺少針對(duì)性評(píng)價(jià)和指導(dǎo)，無(wú)法進(jìn)行有效的課后監(jiān)督執(zhí)行。

綜上這些“難量化、難記錄、難監(jiān)督、難分析”的問(wèn)題也進(jìn)一步推動(dòng)了人工智能在校園體育教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展的迫切需求，為解決傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題，濱江區(qū)教育局引進(jìn)智慧操場(chǎng)AI體育自主測(cè)試技術(shù)進(jìn)校園，以浙江省杭州高新實(shí)驗(yàn)學(xué)校和聞濤中學(xué)為試點(diǎn)，利用AI視覺(jué)分析技術(shù)的自助測(cè)試套件，針對(duì)體測(cè)和中考項(xiàng)目實(shí)時(shí)分析和反饋學(xué)生的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、運(yùn)動(dòng)成績(jī)等關(guān)鍵指標(biāo)，為學(xué)校實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生體質(zhì)健康教育課中課后服務(wù)一體化提供啟發(fā)與借鑒意義。

二、解決問(wèn)題的技術(shù)方法和經(jīng)驗(yàn)

（一）AI智能——助力體育教學(xué)過(guò)程便捷化

AI評(píng)測(cè)教學(xué)系統(tǒng)自主測(cè)試套件包括運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)、互動(dòng)查詢屏幕、人臉識(shí)別機(jī)、立桿、聲音提示器等，是首創(chuàng)利用終端視頻采集設(shè)備采集學(xué)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，是整個(gè)課堂的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)同時(shí)也是核心系統(tǒng)之一，利用終端視頻采集設(shè)備可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的獲取學(xué)生的課堂運(yùn)動(dòng)情況，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。首先進(jìn)行學(xué)籍、人臉信息錄入，其次從不同的階段幫助師生實(shí)現(xiàn)信息化體育課的教學(xué)實(shí)踐，從課前的教學(xué)準(zhǔn)備，到課中的數(shù)據(jù)采集，再到課后的多維度分析，統(tǒng)計(jì)學(xué)生成績(jī)并形成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)處方，包括錯(cuò)誤的提示和糾正的方法，然后反饋給學(xué)生，學(xué)生自主學(xué)習(xí)提升。AI評(píng)測(cè)教學(xué)系統(tǒng)認(rèn)真服務(wù)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，使體育教學(xué)過(guò)程變得更智能、更便捷，成績(jī)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

以八年級(jí)男生原地雙手頭上前擲實(shí)心球?yàn)槔A段教學(xué)為例，傳統(tǒng)課堂中，體育教師安排好單元教學(xué)計(jì)劃，分別從持球、預(yù)備姿勢(shì)、預(yù)擺和最后用力四個(gè)動(dòng)作方法來(lái)教授，輔助技術(shù)要點(diǎn)教學(xué)分別從兩腿用力蹬地、展胸送髖以及出手角度、速度調(diào)整等，逐個(gè)擊破教學(xué)重難點(diǎn)，整個(gè)教學(xué)過(guò)程都是由體育教師教授指導(dǎo)，學(xué)生認(rèn)真學(xué)練去完成；而智慧操場(chǎng)課堂上，體育教師同樣從示范講解開(kāi)始，不同的是，AI智能評(píng)測(cè)系統(tǒng)會(huì)利用采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別其出手速度、角度實(shí)時(shí)播報(bào)不足之處及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)處方，像“出手速度慢，建議通過(guò)仰臥起坐、俯臥背弓等項(xiàng)目練習(xí)，提高腰腹肌力量”“出手角度偏低，建議采用仰頭標(biāo)記參照物練習(xí)”等，這樣教師就不會(huì)因?yàn)楣芾聿坏轿?、糾錯(cuò)不及時(shí)而造成學(xué)生的錯(cuò)誤動(dòng)作定形。整個(gè)教學(xué)過(guò)程以體育教師監(jiān)督為主，學(xué)生無(wú)論是在課堂上還是課后，都可以到相應(yīng)場(chǎng)地進(jìn)行自主練習(xí)，很大程度上為整個(gè)體育教學(xué)過(guò)程提供了便利。

（二）智慧操場(chǎng)——推進(jìn)體育教學(xué)手段創(chuàng)新化

智慧操場(chǎng)解決方案采用AI智能視頻識(shí)別、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集和分析學(xué)生在體育鍛煉運(yùn)動(dòng)過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，覆蓋項(xiàng)目包括：50/100米、立定跳遠(yuǎn)、跳繩、引體向上、投實(shí)心球等，其深度結(jié)合體育教學(xué)的全過(guò)程，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于各種類型的課堂及多樣化的教學(xué)內(nèi)容，體育教學(xué)手段的創(chuàng)新貫穿于課堂始終，讓體育課教學(xué)可量化和可視化，體育教師實(shí)時(shí)掌握課堂教學(xué)效果并及時(shí)調(diào)整鍛煉內(nèi)容，輔助體育教學(xué)達(dá)到因材施教的效果（圖1）。

在七年級(jí)男生快速跑起跑教學(xué)課堂上時(shí)，體育教師經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備部分的常規(guī)教學(xué)后，先讓學(xué)生進(jìn)行50米快速跑測(cè)試，智慧操場(chǎng)系統(tǒng)智能發(fā)令，跑完后學(xué)生通過(guò)后臺(tái)大屏成績(jī)數(shù)據(jù)播報(bào)記住自己的第一個(gè)成績(jī)，進(jìn)而在學(xué)習(xí)完教師教授的起跑姿勢(shì)進(jìn)行先后數(shù)據(jù)的比較，使其了解到起跑后蹬抬腿折疊發(fā)力帶給快速跑的好處以及其速度成績(jī)的提升，這樣大大激發(fā)起了這些青春期孩子的運(yùn)動(dòng)興趣和好勝心，使他們發(fā)自內(nèi)心地去認(rèn)可起跑技術(shù)，自主學(xué)練。學(xué)生每次通過(guò)數(shù)據(jù)端自己查詢成績(jī)，體育教師不必再位于終點(diǎn)處計(jì)時(shí)，只需在起點(diǎn)處指導(dǎo)起跑動(dòng)作。相較于之前的傳統(tǒng)課堂，體育教師用哨子發(fā)令，秒表計(jì)時(shí)，紙筆記錄成績(jī)，既耗時(shí)長(zhǎng)，又誤差大。應(yīng)用智慧操場(chǎng)，可以節(jié)省時(shí)間留給學(xué)生練習(xí)，同時(shí)又因?yàn)樾缕婕夹g(shù)學(xué)生更愿意主動(dòng)去學(xué)習(xí)，這大大提升了體育課堂效率，提高了學(xué)生成績(jī)的精確度，符合體育課堂精講多練的原則。

（三）數(shù)據(jù)共享——拓展體育教學(xué)方法科學(xué)化

體育課堂期間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、連續(xù)不間斷分析、數(shù)據(jù)可視化實(shí)時(shí)展示。師生可以通過(guò)大屏或者平板電腦端實(shí)時(shí)查看運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的運(yùn)動(dòng)反饋數(shù)據(jù)情況，及時(shí)調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，同時(shí)授課教師可以通過(guò)查看實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整上課節(jié)奏，轉(zhuǎn)換多種教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)效益的最大化。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的最大共享，充分利用數(shù)據(jù)價(jià)值，學(xué)生能清楚知道自己的運(yùn)動(dòng)情況，教師上課更有科學(xué)依據(jù)去調(diào)整體育教學(xué)方法，處理運(yùn)動(dòng)問(wèn)題更有針對(duì)性（圖2）。

從七年級(jí)女生立定跳遠(yuǎn)的智慧化課堂中可以觀察出體育教師通過(guò)智慧操場(chǎng)打破了傳統(tǒng)的單一或少許教學(xué)方法結(jié)合的體育課堂模式，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的可視化不斷調(diào)整體育教學(xué)方法，更加有針對(duì)性、時(shí)效性地去解決立定跳遠(yuǎn)課堂中所發(fā)生的問(wèn)題。首先體育教師利用講解示范法去測(cè)驗(yàn)一個(gè)自己的立定跳遠(yuǎn)數(shù)據(jù)并展示給學(xué)生看，激起學(xué)生的崇拜心理后，采用分解練習(xí)法對(duì)學(xué)生進(jìn)行預(yù)擺、起跳騰空、落地三大技術(shù)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而采用完整練習(xí)法教學(xué)，一定程度后在場(chǎng)地排隊(duì)測(cè)驗(yàn)練習(xí)，利用AI智能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析讓學(xué)生自主化練習(xí)，自主練習(xí)中學(xué)生出現(xiàn)的像擺臂不充分、起跳高度角度不足等這些問(wèn)題，可以自行觀看后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析知曉并獲取改正方法自行糾錯(cuò)，這時(shí)體育教師需要做的是維持場(chǎng)地秩序，針對(duì)認(rèn)知不足的學(xué)生進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)，對(duì)癥下藥，像蹬擺結(jié)合、蹬伸充分、展體收腹等關(guān)鍵舉措可以帶動(dòng)排隊(duì)等候的學(xué)生體會(huì)，這樣的做法可以讓學(xué)生及時(shí)體會(huì)到改進(jìn)動(dòng)作帶來(lái)的成就喜悅感。最后下課前，體育教師劃分體育小組，布置課后任務(wù)，讓學(xué)生課后采用小組形式自主去完成相應(yīng)練習(xí)任務(wù)，教師則在后臺(tái)監(jiān)督。數(shù)據(jù)可視化的課堂，量化了學(xué)生的成績(jī)，讓體育教學(xué)方法更加科學(xué)，更加有實(shí)效。

（四）智能測(cè)試——促進(jìn)體育教學(xué)評(píng)價(jià)效能化

課堂教學(xué)智能化是智慧操場(chǎng)第一步，同時(shí)這又能應(yīng)用到項(xiàng)目測(cè)試和自主運(yùn)動(dòng)提高當(dāng)中，僅需要教師設(shè)置測(cè)驗(yàn)名稱、班級(jí)、測(cè)驗(yàn)的開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間，并選擇需要測(cè)驗(yàn)的內(nèi)容。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括50/100米、立定跳遠(yuǎn)、投實(shí)心球、跳繩、引體向上；測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目確定后，按照考試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置次數(shù)。測(cè)驗(yàn)開(kāi)始后，可查看測(cè)驗(yàn)相關(guān)信息。測(cè)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為每位學(xué)生提供測(cè)驗(yàn)報(bào)告（圖3）。

在自主運(yùn)動(dòng)中，學(xué)生能夠利用“碎片化時(shí)間”進(jìn)行自我測(cè)驗(yàn)，教師同樣可以查看所有任務(wù)，并通過(guò)任務(wù)名稱、班級(jí)、開(kāi)始時(shí)間等過(guò)濾條件，查找各自負(fù)責(zé)班級(jí)的自主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行情況。在列表中，簡(jiǎn)要展示運(yùn)動(dòng)名稱、班級(jí)、任務(wù)時(shí)間、任務(wù)涵蓋的項(xiàng)目；創(chuàng)建計(jì)劃時(shí)，需要指定運(yùn)動(dòng)名稱、班級(jí)、計(jì)劃生效時(shí)間，計(jì)劃內(nèi)容。指定自主運(yùn)動(dòng)任務(wù)后，要指定計(jì)劃的執(zhí)行周期及每個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行的數(shù)量，周期可被限定為“天”或“周”，學(xué)生即可開(kāi)始到設(shè)備場(chǎng)地進(jìn)行自主任務(wù)“打卡”。周期內(nèi)教師和學(xué)生都可在后臺(tái)系統(tǒng)上查詢?nèi)蝿?wù)詳情及動(dòng)作技能情況以及運(yùn)動(dòng)處方報(bào)告。

測(cè)驗(yàn)功能以教師監(jiān)督執(zhí)行為主，人工智能為輔。目的是提高教師在測(cè)驗(yàn)執(zhí)行中的效率，而并非是用智能代替專業(yè)。對(duì)于任務(wù)詳情，系統(tǒng)會(huì)按照項(xiàng)目及執(zhí)行次數(shù)，逐個(gè)展示執(zhí)行情況，參照評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)和提出相應(yīng)問(wèn)題（表1）。測(cè)驗(yàn)的智能化使體育教學(xué)評(píng)價(jià)更加高效便捷，教師與學(xué)生都能做到心中有數(shù)。

三、問(wèn)題解決的成效和反思

（一）成效影響

1.減輕教師負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)質(zhì)量

智慧操場(chǎng)的引進(jìn)在一定程度上解決了教師上課過(guò)程中記錄成績(jī)難、學(xué)生多管理糾錯(cuò)難的問(wèn)題，在智慧化課堂模式下，教學(xué)過(guò)程變得“數(shù)字化、可視化、精準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化”，體育教師從而能識(shí)別學(xué)生個(gè)體差異，分層教學(xué)，因材施教，提高教學(xué)質(zhì)量。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，每年的數(shù)據(jù)可以存入云端檔案庫(kù)保留下來(lái)，然后通過(guò)歷年縱向數(shù)據(jù)分析比較，體育教師可以從中研究一套符合學(xué)情與校情的特有智能化教學(xué)新模式。

2.清晰學(xué)練過(guò)程，增強(qiáng)科學(xué)意識(shí)

智慧操場(chǎng)的出現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的課堂教學(xué)數(shù)據(jù)采集與分析，保障課堂教學(xué)的透明化與數(shù)據(jù)化。學(xué)生通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)播報(bào)和自身運(yùn)動(dòng)情況及時(shí)做出調(diào)整；體育教師也可隨時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生動(dòng)作問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)糾錯(cuò)，避免因?yàn)榧夹g(shù)動(dòng)作不規(guī)范導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生，保障教學(xué)安全性，引導(dǎo)課堂教學(xué)科學(xué)化。

3.反饋運(yùn)動(dòng)處方，提升運(yùn)動(dòng)水平

無(wú)論在課中還是運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，每次鍛煉前進(jìn)行AI人臉識(shí)別，鍛煉的項(xiàng)目和成果將會(huì)被錄入到學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)端中，形成連貫的過(guò)程性發(fā)展數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)他們的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)記錄后可以針對(duì)每個(gè)人形成獨(dú)特的“運(yùn)動(dòng)處方”反饋于學(xué)生，學(xué)生即可針對(duì)自身不足問(wèn)題有效進(jìn)行自主練習(xí)，糾正違規(guī)動(dòng)作，改進(jìn)動(dòng)作方法，不斷提升運(yùn)動(dòng)水平。

4.增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)機(jī)，營(yíng)造樂(lè)學(xué)氛圍

創(chuàng)新化下的體育課堂新模式，通過(guò)大屏榜單實(shí)時(shí)更新每一階段的運(yùn)動(dòng)之星，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，讓學(xué)生想學(xué)、肯練，大大增強(qiáng)了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)動(dòng)機(jī)，讓他們樂(lè)在其中，樂(lè)在鍛煉，營(yíng)造出了濃厚的校園體育氛圍。同時(shí)智慧操場(chǎng)的應(yīng)用不止存在于體育課堂中，學(xué)生在課后也可以利用自己的“碎片化時(shí)間”自主訓(xùn)練，這在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生自覺(jué)堅(jiān)毅的意志品質(zhì)和終身體育觀念的形成。

（二）經(jīng)驗(yàn)反思

1.應(yīng)用項(xiàng)目不夠豐富

目前此套智慧操場(chǎng)設(shè)備對(duì)體育中考和體測(cè)的針對(duì)性較強(qiáng)，但應(yīng)用項(xiàng)目不夠豐富，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的體育技能學(xué)習(xí)有局限性。從發(fā)展的眼光來(lái)觀察體育教學(xué)應(yīng)用面，非田徑項(xiàng)目教學(xué)模式應(yīng)用也可開(kāi)發(fā)起來(lái)，拓寬學(xué)生體育鍛煉的選擇面。

2.硬件設(shè)備存在局限

硬件設(shè)備具有適用條件，其受限于雨雪天氣時(shí)，室外場(chǎng)地不能使用，只能轉(zhuǎn)至室內(nèi)跳繩和立定跳遠(yuǎn)場(chǎng)地；同時(shí)其受限于特定場(chǎng)地，學(xué)生課后只能在學(xué)校裝有設(shè)備的區(qū)域進(jìn)行自主測(cè)試，這導(dǎo)致周末節(jié)假日不能正常發(fā)揮其作用。目前AI識(shí)別技術(shù)受限于人數(shù)及其密集程度，人數(shù)過(guò)多導(dǎo)致測(cè)評(píng)精度有所下降。