大学生体质健康测试系统之后端数据服务子系统设计

贾震斌 徐芳 王宇 李雨辰 谢艳朋

摘  要：在对大学生体质健康测试工作现状调研和分析基础上，研究了大学生体测工作中数据录入、采集、分析的信息化流程，提出采用计算机后端数据服务系统处理前端APP录入数据的设计路径，报告了后端服务子系统中系统和用户管理、数据管理模块的数据结构以及数据服务接口实现方式，描述了数据分析可视化设计步骤，展望了后端数据服务系统改进方向。

关键词：大学生体测;数据处理;后端服务;系统设计

中图分类号：TP311                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0001-05

Design of Back-end Data Service Subsystem for College Students Physical Health Testing System

JIA Zhenbin， XU Fang， WANG Yu， LI Yuchen， XIE Yanpeng

（Suzhou Vocational University， Suzhou  215004， China）

Abstract： Based on the investigation and analysis of the current situation of college students’ physical health testing， this paper studies the informatization process of data entry， collection and analysis in college students’ physical testing， proposes the design path that uses the computer back-end data service system to process the data entered by the front-end APP， reports the data structure of system，user management，data management module in the back-end service subsystem， and the implementation mode of data service interface，describes the visualization design steps of data analysis，， and looks forward to the improvement direction of back-end data service system.

Keywords： college students physical testing; data processing; back-end service; system design

0  引  言

大學生体质健康测试是我国高校贯彻《中华人民共和国体育法》和《全民健身计划纲要》的重要举措，旨在通过对大学生进行体质测定，评价体质状况和体育锻炼效果，督促大学生参加体育锻炼的有效机制，增强大学生体质。

我校体测工作的现状是：（1）由体育部按班级组织体测，由负责体测老师在测试现场边测试边记录学生体测成绩;（2）体测现场成绩记录在纸质表格上，事后再由老师手工输入电脑并人工核对数据后再上传至国家体质测试中心。

上述现状主要存在以下问题：（1）现场手工记录体测成绩方式具有工作量大、效率低、易出错的弊端;（2）现场纸质记录体测成绩方式无法做到快速整理、登录、公布测试成，学生无法及时了解自己的体测状成绩。（3）体测工作面广量大，情况复杂，难以及时统计发现学生缺测、漏测;（4）大量体测数据处于沉睡状态，难以量化分析我校学生体质状况历史、现状和发展趋势。

为此，我校计算工程学院与体育部师生进行了跨学科合作，对研发大学生体质健康测试管理系统的技术可行性进行了分析和研究，提出借助智能手机完成现场数据录入、传输如图1所示，后端采用Web网站和数据库技术可以实现数据存储和管理，结合体育专业理论和分析技术实现数据分析结果可视化效果，让闲置数据“活”起来，更好地服务师生。

1  系统分析

1.1  需求分析

本项目主要需求目标是：利用现代科技手段，跨学科解决高校大学生体质健康测试录入、传输、数据存储和管理、数据分析和可视化，辅助体测大数据分析模型研究，提出大学生健康管理对策。

据此，我们确定项目研究内容包括：

（1）研究高职高专院校大学生体质测试工作现状，体测项目数据记录结构和特点，探索通过APP录入、传输的常规化流程;

（2）研究高职高专院校体质健康测试仪器设备特点，探索数据传输、存储、管理和分析的实现;

（3）利用体育专业理论，对高职高专院校学生体测数据进行分析，发现存在问题，探索问题原因，提出解决对策;

（4）针对上述研究内容，前端设计目标是实现基于Android系统智能手机的APP，由前端完成现场体测数据录入和传输，后端设计目标是实现基于Web服务的数据库管理系统，实现数据存储和管理，结合体育专业理论和方法实现数据分析可视化。

后端数据服务子系统主要需求包括：

（1）系统与用户管理。系统与用户管理的需求包括登录验证、体测班级管理、体测老师管理、管理员管理等功能。

（2）数据管理。数据管理的需求包括获取体测班级与学生信息、体测项目数据保存、获取与修改。体测项目包括身高、体重、肺活量、左右眼裸眼视力、立定跳远、坐位体前屈、一分种仰卧起坐、引体向上、50米跑、800米跑、1 000米跑。

（3）数据分析可视化。根据体育专业理论和方法，对当年和历年体测数据进行统计，获得学生体质情况的宏观分析，并对统计分析结果进行可视化展示，包括曲线图、直方图、饼图、散点图、雷达图等，为数据分析提供直观形象的可视化效果图。

1.2  关键技术及其可行性

根据本项目需求，我们梳理了可支撑项目研究和开发的关键技术，后端数据服务子系统涉及的技术主要包括：HTTP网络访问技术、Web后台服务技术、数据库服务技术、计算机数据分析技术、数据可视化技术以及体育专业数据分析理论。

我们分析了关键技术的相互关系：

（1）HTTP网络访问技术是实现智能手机前端与后端服务之间数据连接的关键技术，目前技术方案成熟且丰富。Android应用访问网络常基于HTTP协议，Retrofit是一个RESTful风格的网络请求框架，用注解描述网络请求方式，配置网络请求参数，可以高效方便地在客户端定义RESTful风格的网络请求，后端也将提供RESTful风格的网络服务接口。

（2）后端Web服务是前端与数据库服务之间的公共网关，是实现数據请求和响应的关键技术，从团队成员技术背景出发，我们考虑以Tomcat作为Web服务器，以Servlet作为公共网关技术。

（3）数据库服务技术是后台数据存储和管理的关键技术，同时为后续数据分析提供服务，开源数据库系统MySQL功能强大且稳定，可以满足项目需求。

（4）计算机数据分析技术为体测数据的专业分析和可视化提供了数据分析基础，数据可视化技术为体测数据直观呈现和分析提供了可能性。从数据分析需求出发，同时兼顾项目后续研发中使用人工智能技术、大数据技术的需求，我们采用基于Python的数据分析和可视化技术。

（5）体育专业数据分析理论为本项目奠定了体测数据分析的理论基础和模型;数据可视化的难点在于如何与体育专业理论相结果，从大量体测数据中分析和提取有价值信息。

2  系统设计

针对系统分析和需求，我们设计了后端服务子系统的三大模块：系统和用户管理模块、数据管理模块以及可视化分析模块，系统功能架构如图2所示。

图2  系统功能架构图

2.1  数据库设计

对于后端数据服务系统来说，数据库是存储和管理数据的核心，根据应用需求，主要设计了如下数据表：

2.1.1  体测班级信息表

体测班级信息表主要用于管理体测负责教师与班级关系，体测班级信息表结构如表1所示。

2.1.2  体测学生信息表

体测学生信息表是体测核心数据表，用于存储和管理每一位学生的体测数据，体测项目名称和表结构应与国家体测中心要求保持一致，方便后续报送数据。体测学生信息表结构如表2所示。

2.1.3  体测教师与管理员信息表

体测教师与管理员信息表主要用于存储和管理参加体测工作的教师信息以及管理员信息，以便系统为体测班级分配负责体测教师，管理员信息表用于存储和管理后台系统管理员信息，并在管理员登录时进行相关安全认证，如连续登录失败次数、验证码等。根据我校情况，管理员通常是体测教师组成员。该表结构如表3所示。

表3  体测教师与管理员信息表结构

字段名 类型 长度 小数位 非null 键 注释

userName varchar 20 0 √ √ 用户名（同教工号）

teacherName varchar 20 — — — 教师名称

password varchar 255 — √ — 密码

failNum int 2 — — — 登录失败次数

identifyingCode varchar 10 — — — 登录验证码

permission int 2 — — — 用户权限

2.2  数据服务接口设计

后台数据服务子系统通过网络为前端APP应用提供数据服务，前端APP使用HTTP协议连接访问后端数据服务功能，因此，后端系统服务的接口设计是重中之重。我们设计了三大服务模块，每个模块包含若干子功能，所有功能均通过RESTful风格的URL接口提供服务，接口HTTP请求方法均为POST，根据接口功能规定了不同的请求参数和返回结果，请求参数和返回结果均为JSON格式。用户登录接口协议的前端登录界面如图1所示。

以用户登录接口为例，接口协议为：

用户登录接口请求URL为：/project/user/login

用户登录接口请求方法为：POST

用户登录接口参数格式：JSON格式。参数名为：userName，password，identifyingCode

2.2.1  登录管理模块

登录管理模块主要为前端APP提供用户登录、密码修改等服务接口，密码修改接口协议的前端界面如图3所示。

2.2.2  人员管理模块

人员管理模块主要接口有：管理员获取所有班级、管理员为班级分配体测教师、根据教工号获取体测班级信息、管理体测教师信息、管理参加体测学生。本模块的班级管理模块接口的前端界面如图4所示。

2.2.3  体测数据管理模块

体测数据管理模块是后端数据服务子系统的核心模块，各个体测项目的数据存储、修改、检索等功能通过本模块接口实现，本模块除了定义体测项目数据接口，还包括获取指定班级体测数据等接口。本模块的体测项目管理前端界面如图5所示。

3  数据可视化接口设计

本项目后端服务不仅提供了体测数据存储、检索、修改和删除等基本操作功能，还具有对当年或历年体测数据进行统计分析功能，并对统计分析结果进行可视化展示，为数据分析提供形象直观的可视化效果图。

我们调研了目前主流的数据可视化技术路径，结合团队成员技术背景，选择了Python+Flask+Pandas+Matplotlib的数据可视化路径。

在数据可视化接口设计中，各Python函数库分工合作，完成数据读取、数据分析运算、可视化分析结果、可视化接口部署等工作：

（1）Python语言借助mysql-connector驅动模块可以直接访问MySQL数据库，取得学生体测数据。

（2）Matplotlib绘图函数库提供了实现数据可视化的绘图功能，可以绘制二维、三维的线型图、直方图、饼状图、散点图、雷达图等常见图形。

（3）Pandas作为Python的数据分析函数库，提供了高效易用的结构化数据分析能力，诸如归并、重组、选择、清洗和加工等数据操作。

（4）Flask是Python平台的Web应用程序框架，可以快速构建符合RESTful风格的API，实现网络应用程序（包括前端和后端）的开发，可以让数据分析的可视化结果部署到网络环境中。

数据可视化接口最终体现在前端APP界面中，如图6所示。

4  问题与展望

本文介绍项目已经初步实现并开始试用，目前已进入软件著作权申请阶段。试用过程中遇到的主要问题，包括：

（1）体测数据采集和记录仍然需要手工录入APP。

（2）数据分析模型如何更好地与体育专业理论和方法结合，提供更加实用的可视化图表。

针对上述问题，我们考虑在下一步研发工作中，引入视觉识别和人工智能技术，利用智能手机摄像头读取并识别某些体测设备数据，如身高、体重数据，进一步减轻体测教师工作量。其次，研发团队成员加强与体测教师合作，深入研究体育专业理论和方法，改进可视化图表，提升实用价值。

5  结  论

本项目作为大学生体质健康测试系统的后端数据服务子系统，其设计与实现为前端APP提供了开发与应用平台，同时作为省级大学生创新创业训练计划项目培养和锻炼了学生的综合开发能力，为项目后续研发打下了扎实基础。

参考文献：

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作者简介：贾震斌（1967—），男，汉族，江苏苏州人，讲师，博士研究生，研究方向：移动应用开发、人工智能应用。