K-means算法在小学生体质监测中的应用研究

王 锦,严德菊，吕佳潞

(西华师范大学， 四川 南充 637000)

随着时代的进步、科技的发展、各种各样的智能设备的兴起，数据的增长越来越快，数据规模越来越大。然而，虽然总的数据量比较大，但是数据利用率却不高，人们希望能够好好利用这些数据，并从中获取有价值的知识来提高人们的工作效率，指导大家的工作和生活。数据挖掘技术可以针对过去的数据，挖掘出隐藏在数据背后的信息。而聚类分析是一种常见的数据挖掘和数据分析方法，是数据挖掘领域重要的研究内容之一[1-2]，按照不同的标准，聚类算法可以分成很多类，K-means算法属于其中之一。因此将K-means算法应用到小学生体质监测中，以南充某小学学生体质监测数据为例进行分析，通过对小学生体质监测结果的分析，让老师和家长更加了解学生的身体状况，找出原因，从而有针对地采取措施改善学生体质，促进学生的健康成长。

一、K-means 算法

(一)K-means算法的基本思想K-means算法是Mac Queen J在1967年提出来的一种聚类算法[3]。K-means算法思想是先随机选择K个簇中心，然后按照最近原则把所有数据对象分到各个簇。然后按照均值重新计算各个簇的簇心，直到簇心不再发生改变，算法结束，输出聚类结果。K-means聚类算法是一种基于划分的且目前被人们广泛使用的聚类算法。

(二)K-means算法步骤第一步，选择合适的类的数量k，然后随机选k个点当作聚类的初始聚类中心；第二步，计算每个数据点到这k个聚类中心点的距离，然后将各个数据点放到与它最近的聚类里；第三步，再次计算新的聚类中心(数据的平均值处)；第四步，返回第二步继续执行，当聚类中心不再变化的时候结束。

二、聚类算法分析工具介绍

一是IBM公司推出的统计产品与服务解决方案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)，SPSS可以应用于数据挖掘、统计学分析、预测分析和决策支持任务的相关服务和软件的集合。二是怀卡托智能分析环境(Weka)，它是在JAVA环境下开源的软件，其源代码可以在官网下载,Weka主要功能有对数据对象进行预处理、聚类分析、关联分析等。三是美国MathWorks公司推出的MATLAB，它是一款商业数学软件，它可以用于算法开发，数值计算，数据分析等。

三、K-means聚类算法在小学生体质监测中的应用

(一) 研究对象与研究方法以南充市人民南路小学2～6年级(因1年级学生学籍暂未录入不参加测评)参加体质监测的学生体测数据为研究对象。运用仪器和人工相结合的方法对人民南路小学2～6年级学生的身高、体质量、肺活量、50 m等项目进行测量。用 Excel 软件录入测量数据并统计，对统计好的数据采用聚类分析法进行分析。

(二) 聚类分析过程一是数据准备与预处理。测评收集到的数据,其中有些信息对当前研究内容是无意义的，比如家庭住址、出生日期、民族等，需把这些数据剔除。同时，将身高和体质量两项内容合并计算成体质量指数BMI，并保留一位小数，将数据格式改成符合要求的形式。二是算法应用。将以上文件放到Weka里面进行分析，可以看到体测项目的数据直方图，然后再选择“Cluster”界面，点“Choose”选择simpleKMeans，修改“numClusters”的值，“numClusters”的值即代表K-means中k的值，然后观察聚类效果，即“Clusterer output”中的一行：within cluster sum of squared errors: 后面的值，此值越小代表聚类的同一个类的距离越小。为了观察聚类效果，可以多试几次，然后得到最后的聚类散点图，部分散点图如图1所示。

由于直方图(如图2所示)在整体效果更一目了然，而聚类后的散点图在数据维度关系更清晰，结合图1、图2可以看出：第一，体质量指数BMI相对集中。大部分学生的BMI值都在正常范围，偏胖的约占总数的7 %，偏瘦所占比例更小些，并且BMI大于31.2的严重肥胖学生中女生要多于男生，说明该校小学生的 BMI 值大体来说是正常的，营养不良的很少,偏胖的比偏瘦的多。第二，肺活量偏低。肺活量低于661 ml的约占总数的11 %，但肺活量高低与性别的关系不是特别明显，这说明小学生的整体呼吸能力比较低，也与学生平时缺乏运动分不开。家长可在生活中注意培养孩子爱运动的习惯，利用上下学，周末等时间进行锻炼。第三，速度素质较差。50 m短跑主要考察的是爆发性运动能力，50 m短跑耗时大于11.1 s的占总数的8.9 %，且不及格的学生中，女生人数多于男生。可见平时运动量不够，学生的速度素质较差[4]。学校家长应鼓励学生多进行体育锻炼，比如晨跑、饭后散步、走路上下学等。第四，坐位体前屈成绩较好。女生做位体前屈成绩优于男生，这与坐位体前屈测试的是韧带和肌肉弹性有很大关系。第五，一分钟跳绳差距较为明显。一分钟跳绳10个以内的有11个人，20个以内的有30个人，而一分钟可以跳100个以上的也有接近40个人，跳绳个数少的学生中的男生占多数，个数比较多的女生占多数。

四、改善学生体质的对策

(一) 学校方面在提倡素质教育的大环境下，没能真正做到素质教育，目前大部分小学还是以考试成绩的好坏来评价学生和教师。学校要认识到体育运动的重要性，尽量保证体育课的时间和课堂质量，提倡学生利用课间坚持做到每天运动1～2 h，比如每天上午30 min的阳光课间操，一定要要求学生走出教室，去感受阳光和运动带来的快乐。

(二) 家庭方面父母的行为、思想观念、说话方式都深深地影响着孩子，现在很多学生家长都过度关注学生的文化课成绩，在他们心里孩子的成绩是第一位的。家长一定要在关注孩子智力和能力发展的同时，多注意他们的身心健康，让他们在轻松自在、无忧无虑的环境中学习。家长可以周末带孩子参加户外体育锻炼或选择步行送孩子上学，还可以在方便的时间带孩子晨练，午后或是晚饭后出去散散步，既锻炼了身体又加强了父母和孩子之间的沟通，增进亲子感情。

(三) 学生自己小学生对体质健康的认识不够，缺乏主动锻炼的意识，即便是学校安排的体育课在学生眼里更多的是可以自由活动的课。现在的孩子从小受父母宠溺，怕苦怕累怕脏，不愿意锻炼，有时间还不如打打游戏、刷刷视频来的轻松。而这种生活方式本身是不够健康的，学生可以通过网络、书本、杂志等多了解体质健康方面的知识，提高对健康的认识，加强锻炼。