基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺設(shè)計

摘 要：隨著教育行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，設(shè)計基于云計算的體育鍛煉管理平臺可以幫助高校管理者有效跟蹤并記錄學(xué)生的體育鍛煉情況，激勵學(xué)生積極地進行體育鍛煉，提升身體健康水平。基于上述需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，該平臺采用分層架構(gòu)，核心功能包括健康數(shù)據(jù)追蹤、資源與設(shè)施預(yù)訂以及成績管理等。經(jīng)測試，平臺在數(shù)據(jù)存儲可靠性方面表現(xiàn)良好，各項功能正常運行，可以有效通過智能化手段提高高校體育教學(xué)和管理的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云計算；體育鍛煉平臺；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：G 807.4；TP 393.09" " " 文獻標志碼：A

體育鍛煉作為促進學(xué)生身心健康的重要途徑，如何在現(xiàn)代技術(shù)手段的幫助下更好地開展教學(xué)和管理活動，成為當(dāng)下亟待解決的問題[1]。基于此，本文設(shè)計了基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，平臺由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層以及應(yīng)用層構(gòu)成，健康數(shù)據(jù)追蹤功能通過收集和分析學(xué)生的體育鍛煉數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個性化的健康建議和改善計劃，促進學(xué)生身心健康；資源與設(shè)施預(yù)訂功能則實現(xiàn)了體育場館和器材的高效管理，方便學(xué)生和教師根據(jù)自身需求預(yù)約所需資源，提高資源利用率；成績管理功能全面記錄和分析學(xué)生的體育課程成績，為教師和學(xué)生提供便捷的評估和跟蹤手段。此外，平臺采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，確保學(xué)生敏感數(shù)據(jù)的安全性。通過系統(tǒng)測試，平臺在數(shù)據(jù)存儲可靠性方面表現(xiàn)良好，各項功能正常運行。通過設(shè)計基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺，以期為高校體育鍛煉教學(xué)管理提供有益的參考，推動高校體育教育的現(xiàn)代化、科學(xué)化和個性化發(fā)展。

1 平臺架構(gòu)設(shè)計

基于云計算技術(shù)構(gòu)建的高校體育管理平臺由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層以及應(yīng)用層構(gòu)成，每個層次承擔(dān)不同的功能，共同協(xié)作，以提供高效、安全、可擴展的服務(wù)。基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺架構(gòu)如圖1所示。

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，基礎(chǔ)層是平臺的底層支撐，負責(zé)提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施資源。該層級依托公有云服務(wù)提供商阿里云，利用虛擬化技術(shù)Docker容器實現(xiàn)資源的彈性伸縮和高效管理。數(shù)據(jù)層負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析，包括學(xué)生信息、體育課程數(shù)據(jù)、健康記錄、活動日志等。該層級采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，并采用Hadoop大數(shù)據(jù)處理框架對數(shù)據(jù)進行分析和挖掘。邏輯層是平臺的核心處理單元，其封裝了業(yè)務(wù)邏輯和服務(wù)，將數(shù)據(jù)層的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)用層有用的、可操作的信息。該層級由微服務(wù)組成，每個微服務(wù)負責(zé)特定的業(yè)務(wù)功能，例如用戶認證、課程管理、活動調(diào)度等，服務(wù)間通過API進行通信。應(yīng)用層直接面向用戶，提供直觀的交互界面和功能，包括學(xué)生和教職員工使用的Web界面、移動應(yīng)用等。該層級通過調(diào)用邏輯層的API，展示數(shù)據(jù)、執(zhí)行操作，確保用戶體驗流暢。此外，根據(jù)用戶角色（學(xué)生、教師、管理員等），提供定制化界面和權(quán)限控制。

2 核心功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 健康數(shù)據(jù)追蹤

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，設(shè)計健康數(shù)據(jù)追蹤功能，可通過收集、分析學(xué)生的體育鍛煉數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個性化的健康建議和改善計劃。

2.1.1 數(shù)據(jù)收集

健康數(shù)據(jù)的追蹤支持智能穿戴設(shè)備（智能手環(huán)、運動手表）的數(shù)據(jù)接入，通過連接藍牙以及Wi-Fi，可以同步運動數(shù)據(jù)至平臺[2]。同時，平臺提供Web及移動應(yīng)用界面，允許學(xué)生手動輸入運動類型，例如跑步、游泳、時長、距離、心率等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

錄入數(shù)據(jù)時，首先進行必要的配置檢查與初始化，平臺在驗證設(shè)備身份后，分配唯一標識符（Device ID），并確認授權(quán)信息。其次，設(shè)備從云端下載采集任務(wù)配置，確定采樣頻率、數(shù)據(jù)類型、目標用戶偏好等。在采集相應(yīng)數(shù)據(jù)后，在設(shè)備端對原始數(shù)據(jù)進行初步處理，減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸負擔(dān)。通過時間序列分析，可識別健康數(shù)據(jù)的趨勢變化，了解運動習(xí)慣的持續(xù)性、身體狀況的改善情況。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

在收集一系列按時間順序排列的健康數(shù)據(jù)點后，采用簡單移動平均（SMA）法對數(shù)據(jù)進行平滑處理。SMA通過計算過去一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)點的平均值，能夠有效地消除數(shù)據(jù)中的隨機波動和噪聲，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的基本趨勢或長期模式[3]。對受到短期隨機因素影響較大的每日運動時間序列數(shù)據(jù)尤其有效。簡單移動平均（SMA）如公式（1）所示。

（1）

式中：SMAt為時間點t的平滑值；xt-i為從當(dāng)前時間點向前數(shù)第i個時間點的原始數(shù)據(jù)值；k為窗口大小。

通過觀察SMA線的走向，可以直觀地識別數(shù)據(jù)的時間趨勢是上升、下降還是保持穩(wěn)定。在獲取數(shù)據(jù)后，將分析結(jié)果推送給前端應(yīng)用或用戶，即可向用戶發(fā)布健康報告、提醒或建議。

2.2 資源與設(shè)施預(yù)訂

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，設(shè)計資源與設(shè)施預(yù)訂功能，可高效管理校內(nèi)體育場館、器材等資源的分配與使用，確保學(xué)生和教職員工能夠方便快捷地預(yù)約所需資源，避免發(fā)生沖突，提升體育資源的利用率。

實現(xiàn)資源與設(shè)施的預(yù)定，首先需要明確可預(yù)訂資源的種類，包括體育場館（例如籃球場、游泳館、健身房）、器材（例如球類、健身器械）等。其次，考慮學(xué)校的課程安排、維護時間等因素，設(shè)定資源的可用時間段，合理劃分可預(yù)約時間槽。預(yù)訂沖突檢測是確保資源預(yù)訂系統(tǒng)中不會出現(xiàn)時間重疊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可通過算法邏輯判斷新提出的預(yù)訂請求是否與現(xiàn)有的任何預(yù)訂沖突。

假設(shè)有2個時間段，新的預(yù)訂請求時間段為[Tnewstart，Tnewend]（Tnewstart為已預(yù)訂活動的開始時間，Tnewend為已預(yù)訂活動的結(jié)束時間）。已存在的某個預(yù)訂時間段為[Texiststart，Texistend]（Texiststart為已預(yù)訂活動的開始時間，Texistend為已預(yù)訂活動的結(jié)束時間）。如果新預(yù)訂的時間段與已有預(yù)訂的時間段存在任何交集，即2個時間段之間有重疊部分，那么就認為存在沖突如公式（2）所示。

Tnewstartlt;Tnewend∩Tnewendgt;Texistsart （2）

式中：Tnewstart為已預(yù)訂活動的開始時間；Tnewend為已預(yù)訂活動的結(jié)束時間。

如果新的預(yù)訂開始時間早于某個已預(yù)訂活動的結(jié)束時間Tnewstartlt;Tnewend，同時新的預(yù)訂結(jié)束時間晚于這個已預(yù)訂活動的開始時間Tnewendgt;Texistsart，那么這2個時間段必然有部分是重疊的，因此產(chǎn)生沖突。在編程中，通過遍歷所有已存在的預(yù)訂記錄，并對每條記錄應(yīng)用上述條件判斷，只要發(fā)現(xiàn)任一記錄滿足沖突條件，即判定新預(yù)訂不可行。如果所有記錄均未發(fā)現(xiàn)沖突，就說明新預(yù)訂請求可以接受。

2.3 成績管理

成績管理可用于全面記錄和分析學(xué)生的體育課程成績、體能測試結(jié)果及各類體育活動的競賽成績，為學(xué)生提供成績查詢、進步跟蹤及教師評估的便捷途徑。通過采用成績錄入、成績查詢、成績分析、成績通知及成績檔案管理等多個子模塊，可實現(xiàn)對學(xué)生體育鍛煉的成績進行管理的目標。通過設(shè)計成績錄入接口，定義課程編號、學(xué)生ID、成績類型（平時成績、期末考試、體能測試）、分數(shù)、評價指標等成績數(shù)據(jù)的標準格式，允許體育教師通過Web端或移動端應(yīng)用錄入學(xué)生的課程成績，支持批量上傳Excel成績文件，以提高效率，學(xué)生和教師可以通過應(yīng)用層的API調(diào)用邏輯層服務(wù)，查詢個人或班級的成績信息。查詢界面根據(jù)用戶角色定制，展示相關(guān)成績匯總或詳情。通過應(yīng)用時間序列分析，可監(jiān)測學(xué)生在不同學(xué)期或年度的成績變化，識別成績提升或下滑趨勢，為個性化輔導(dǎo)提供依據(jù)。

首先，收集學(xué)生在各個學(xué)期或年度的成績數(shù)據(jù)，形成一個時間序列數(shù)據(jù)集，設(shè)為Xt（t為時間點（學(xué)期或年度序號），Xt為對應(yīng)時間點的成績）。其次，確定窗口大小n計算平均值的連續(xù)數(shù)據(jù)點的數(shù)量。n較小時，反應(yīng)更靈敏但噪聲較多；n較大時，平滑效果好但反應(yīng)遲緩。對時間序列中的每一個點t來說，如果tgt;n，即有足夠多的前期數(shù)據(jù)進行平均，那么計算t時刻的簡單移動平均值，如公式（3）所示。

（3）

式中：St為從t-n+1到t這n個數(shù)據(jù)點的算術(shù)平均值。

通過比較連續(xù)的SMAt值，可以觀察到學(xué)生體育成績的提升或下滑趨勢。如果SMAt呈上升趨勢，就說明成績整體提高；反之，如果SMAt下降，就說明成績下滑。根據(jù)識別出的成績變化趨勢，教師可以為表現(xiàn)下滑的學(xué)生設(shè)計個性化的輔導(dǎo)計劃。

2.4 數(shù)據(jù)加密

在基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺中，數(shù)據(jù)加密是確保學(xué)生個人信息、健康記錄、成績數(shù)據(jù)以及預(yù)訂信息等敏感數(shù)據(jù)安全傳輸和存儲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。數(shù)據(jù)加密通過數(shù)學(xué)算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為密文，只有擁有正確密鑰的接收方才能解密恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而保護數(shù)據(jù)免受非法訪問和泄露的風(fēng)險。數(shù)據(jù)加密流程如圖3所示。

通過在Web服務(wù)器配置SSL證書，并啟用HTTPS，可以確保所有Web請求都通過加密通道傳輸。將Apache服務(wù)器安裝在系統(tǒng)后，檢查Apache是否已安裝SSL模塊，如果沒有，就需要安裝該模塊。隨后，從證書頒發(fā)機構(gòu)（CA）獲取SSL證書。編輯Apache的主配置文件httpd.conf和其他SSL相關(guān)的配置文件httpd-ssl.conf，加載SSL模塊，設(shè)置證書路徑和私鑰路徑。同時，在配置中確保Apache監(jiān)聽443端口，如果服務(wù)器上運行多個網(wǎng)站，就需要為每個網(wǎng)站配置單獨的SSL虛擬主機，完成以上步驟后，Web服務(wù)器就啟用了HTTPS，所有Web請求都會通過加密的SSL/TLS通道傳輸，以此增強數(shù)據(jù)使用的安全性。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試準備

為驗證基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺數(shù)據(jù)存儲的可靠性，進行數(shù)據(jù)寫入測試，確保系統(tǒng)能夠正確地接收并存儲高校學(xué)生的體育健康數(shù)據(jù)。測試云服務(wù)器采用阿里云，數(shù)據(jù)庫類型為MySQL5.7，數(shù)據(jù)接入方式采用智能穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)自動同步以及Web手動錄入。測試模擬智能手環(huán)數(shù)據(jù)自動上傳的一次完整的跑步鍛煉記錄，并通過Web界面手動輸入了一次游泳鍛煉數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)能夠準確無誤地接收并持久化存儲學(xué)生提交的體育健康數(shù)據(jù)。

3.2 測試結(jié)果

經(jīng)測試，獲取樣本數(shù)據(jù)見表1。

待所有測試用例按照預(yù)設(shè)步驟順利執(zhí)行完畢后，智能穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)同步以及Web手動錄入的數(shù)據(jù)均能正確寫入數(shù)據(jù)庫，證明數(shù)據(jù)接收與存儲功能正常，數(shù)據(jù)存儲展現(xiàn)了良好的可靠性，能夠確保學(xué)生體育健康數(shù)據(jù)的準確接收和存儲。

4 結(jié)語

基于云計算的高校體育鍛煉管理平臺能夠有效解決高校體育教學(xué)和管理工作中的數(shù)據(jù)整合、資源調(diào)度、個性化服務(wù)、安全保護等問題，提升教學(xué)和管理的效率和質(zhì)量。平臺通過健康數(shù)據(jù)追蹤、資源與設(shè)施預(yù)訂、成績管理等功能，實現(xiàn)了對學(xué)生體育鍛煉情況進行全面記錄和分析的功能，為教師和學(xué)生提供了便捷的操作界面和個性化服務(wù)。同時，平臺采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，可以有效保障學(xué)生敏感數(shù)據(jù)的安全，保障用戶隱私權(quán)益。通過系統(tǒng)測試，平臺展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)存儲可靠性，各項功能正常運行，驗證了設(shè)計思路和實現(xiàn)方案的正確性和可行性。未來，隨著云計算技術(shù)不斷發(fā)展以及高校體育需求不斷變化，平臺還可以進一步優(yōu)化和完善，為高校體育鍛煉教學(xué)和管理提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

參考文獻

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