面向中小学的智能视觉体育评测与教学系统的开发

摘要：本研究针对中小学体育教学中，学生热情不足、参与度不够，学习成绩难以量化、记录和分析等问题，以人工智能算法和视频采集为核心，构建了基于智能视觉技术的智能视觉体育评测与教学系统。对学生和教师对该系统的使用感受进行访谈，结果显示，该系统有助于提高教师的体育教学效率，有助于提高学生体育成绩和运动兴趣。

关键词：信息科技；实验教学；模式；策略

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）05-0085-04

背景

2024年1月召开的“2024全国教育工作会议”提出：要不断开辟教育数字化新赛道；坚持应用为王走集成化道路，以智能化赋能教育治理。因此，随着“体教融合”的不断深入，实现数字化与中小学体育教育深度融合，智能化赋能中小学体育教育理应成为教育数字化的突破点。

传统的体育教育通常采用大班教学模式，主要依赖教师的讲解和演示，教师难以全面了解每位学生在不同运动项目中的问题，因此很难为他们提供个性化的训练和指导。此外，学生的运动和练习情况往往难以被量化或记录，教师难以追踪学生学习情况，并为他们提供有针对性的建议和支持。而与传统的体育教学相比，智慧体育系统具有实时运动跟踪功能，能够根据学生的运动姿态和肌肉情况进行分析，提供运动点评和建议。

此外，智慧体育系统还具备体育运动成绩自动识别、违规动作智能检测及动作精准分析指导等功能，覆盖了精准教学、智能体测、课后练习、体育考试以及综合评价等多种场景。智慧体育系统的推广应用，不仅有望弥补传统教学的不足，还能够为学生提供更全面的、有趣味性的学习体验。

本研究根据智能时代中小学体育教育的需求，构建了智能视觉体育评测与教学系统，以期增强教学及运动中的智能交互性，提升学生的运动兴趣与水平，为体育课程注入更多趣味与品质，全面服务于体育强国战略，并推动数字化教育平台在体育教育中的应用。

智能视觉体育评测与教学系统设计与开发

1.系统需求分析

传统体育教学在长期实践中积累了经验，但在满足个体差异、促使学生参与度等方面还存在许多不足。智能视觉体育评测与教学系统运用运动视觉技术、机器学习等多种技术手段为学生提供个性化的教学指导，利用丰富的运动场景激发学生的学习兴趣，提高其学习动机，同时，实现教学过程的可视化。智能视觉体育评测与教学系统与传统体育教学的融合，为传统体育教学带来了全新的可能性。通过整合人工智能技术，系统实现了对体育行为的全方位监测与指导，为学生提供了更科学、精准和愉悦的学习体验。同时，这一融合还为教师提供了更多的教学工具和决策支持。

通过对智慧体育研究论文的分析，结合对中小学体育教育现状的调研，笔者总结出智能视觉体育评测与教学系统应具有以下功能（如图1）。

（1）多项目

涵盖全部中小学体育测试项目，具体包括跳绳、立定跳远、跑步、仰卧起坐等十几个项目。在教学过程中，教师只需要通过终端对系统发出指令，便可在系统配合下快速完成多项目的练测评教学任务。

（2）多场景

覆盖“教学练测评”多个场景。系统应考虑学生在课程、练习、考试等方面的使用需求，实现教学指导、智能体测、模拟测试、自由练习、体育考试、体育大数据等多场景实际应用。

（3）实时监测和反馈

实时监测学生体育运动行为，并自动精准分析学生运动姿态问题，相关成绩和数据实时显示在大屏上，为学生提供详细的实时反馈，以帮助学生改进技能和姿势，提供学生学习进度的实时追踪，让教师能够及时了解学生的表现，为个性化指导提供基础。教师可以通过大屏对整个班级做精细化的动作分析与讲解。

（4）过程性评价

通过对学生进行常态化过程性评价，为其提供个性化的反馈和指导，激发学生的学习兴趣，培养其在体育领域的自主学习能力，实现全方位的个体发展。

2.系统架构设计

智能视觉体育评测与教学系统的整体架构分为用户层、应用层、数据层和基础层。平台整体架构设计如图2所示。

用户层：智能视觉体育评测与教学系统的用户包括学生、教师、校级管理者和区级管理者。

应用层：根据使用功能区分，智能视觉体育评测与教学系统分为校级应用和区级应用。从校级应用维度看，部署智能化、可视化的体育教学产品，为教学过程提供精确测量、多维度分析、无人为干预的大数据基础，建立学生体质特征模型，科学化提升学生体质优良率；从区级应用维度，统计体育课开课率、课节时长、课节数、师资、学生体质健康总体情况等，大数据支撑科学研判，实现区域级的智能化决策评价。

数据层：满足数据的存储、管理、调用功能。智能视觉体育评测与教学系统开发及使用过程中产生的数据主要有学生信息、运动数据、体测成绩、体质档案等业务信息和支撑智慧体育的所有应用的场景数据。

基础层：提供体育信息的采集和传输功能，是整个智能视觉体育评测与教学系统的底层基础。主要负责从各种传感器、设备中采集实时的体育数据，通过AI服务器对视频流数据进行清洗、分析。

3.系统开发

根据上述分析，智能视觉体育评测与教学系统由技术人员进行技术实现。本系统包括硬件和软件两个部分。硬件部分包括摄像头、交换器和服务器等；软件部分采用的技术是基于WebAPI标准接口的后台数据管理系统、信息检索系统和服务接口，具有跨平台能力的.Net Core开发框架，前端采取HTTP、CSS、JavaScript、RequireJS技术。通过布置在操场和体育馆的摄像头采集学生的运动信息，经过简单的处理后，经由AP网络传送到服务器进行智能处理，并将最终的结果保存到服务器。学生和教师都可以通过教学终端查看相关的数据。

智能视觉体育评测与教学系统采集学生的体育运动数据，系统自动分析学生的运动数据，指出存在的问题和改进的建议（如图3）。

智能视觉体育评测与教学系统首页包括全区体育运动信息、热门项目排行榜，以及各项目成绩分布、各项目使用量、实时测试成绩和开课次数排行榜。具体如图4所示。

运动成绩排名包括总运动量、各项运动项目的成绩排名信息，可以根据性别和年级的不同进行排名。

个人运动档案界面包含每一位学生的个人成绩报告及分学年体育运动综合素质评价。

个人成绩报告中保存了学生运动视频及关键帧，教师通过分析学生运动过程的姿态指标及肌群情况，给出运动点评及建议，同时，这些数据有助于教师精细化指导教学及课堂回溯。运动综合素质评价档案是对学生每学年的综合运动情况进行统计，包括累计运动情况、各项目成绩记录与分析，并自动分析学生综合能力。

智能视觉体育评测与教学系统的应用反馈

智能视觉体育评测与教学系统将机器视觉与体育教育深度融合，采用物联网摄像头和自主研发的人工智能运动视觉算法，融合传统体育教学模式，通过多场景覆盖，为学生提供更丰富、个性化的学习体验，为教师和管理者提供学生的运动数据。

本研究将智能视觉体育评测和教学系统部署到温州某小学，试用了一年半时间。为评估智能视觉体育评测与教学系统在体育教学中应用的效果，笔者对参与智能视觉体育评测与教学系统试用的2位体育教师和36名小学生进行了访谈。

受访的学生认可智能视觉体育评测与教学系统在体育教学中所起到的作用，并对其表现出了积极的态度。超过30名学生表示愿意推荐这个系统给同学和教师使用。分析其原因，一是，学生普遍认为智能视觉体育评测与教学系统能够提高体育课的趣味性，尤其是跳绳和跑步，带来挑战和竞争感，使其能更积极地参与体育活动；二是，智能视觉体育评测与教学系统的即时反馈有助于让学生更好地了解自己在体育方面的成就和不足，通过运动视频的回溯，能够不断调整自己的动作和姿态，增强了对自身表现的认知，也有助于他们提高身体素质，改善健康状况；三是，智能视觉体育评测与教学系统提供的竞争类的体育活动能够促进人际交往，提高同学们之间的合作关系和亲密程度。

受访的体育教师表示，智能视觉体育评测与教学系统给他们的教学带来了惊喜，也带来了压力。智能视觉体育的智能技术和游戏化结合，激发了学生参加体育活动的热情，参与度明显提高。成绩评测功能可以自动完成学生的体育测试，减轻了教师的教学压力。此外，教师可以透过数据分析，掌握学生在体育锻炼中存在的问题，进而开展有针对性的锻炼。但是，新的教学环境和教学设备也让教师感到压力，需要做出巨大的调整。

总的来说，学生对智能视觉体育评测与教学系统在体育教学中的应用持积极态度，并表达了希望在体育教学中更多地采用这样的系统的想法。他们普遍认为系统能够让体育课变得更有趣、更丰富，同时也提供了更具体的数据和反馈，让他们更了解自己的表现，从而改进和提高自己的运动水平。然而，一些学生也提到了系统存在的问题，如在精确度等方面需要改进。随着后续技术的迭代，智能视觉体育评测与教学系统将会更加精准、更加完善。教师对智能视觉体育评测和教学系统基本上是认可的，但是惊喜和挑战同在。

参考文献：

[1]周纯琳，蔡建光.数字化赋能小学体育教育的实践价值、现实障碍与优化策略[J].体育科技文献通报，2023，31（06）：119-122+127.

[2]江礼磊，黄谦，侯宇洋，等.数智技术赋能学校体育现代化的作用机理、应用场域与实践路径[J].体育学研究，2023，37（04）：67-78.

[3]独姣琴.中小学智慧体育课堂发展的困境与路径选择[J].体育科技文献通报，2021，29（03）：27-28+34.

[4]郁海寒.智慧教育视域下中小学体育教学实施路径探究[J].计算机产品与流通，2020（03）：194.

[5]付常喜，刘娜.智慧体育助力青少年体质健康高质量发展研究[J].文体用品与科技，2023（24）：193-195.

[6]王建.智慧体育教学实施框架与开展思路[J].体育文化导刊，2023（05）：103-110.

[7]刘明.基于计算机视觉的虚拟现实技术在体育动作纠正领域的应用框架[J].粘接，2020，41（05）：185-188+192.