基于智能手机的学生体质健康数据监测与利用研究

杨双燕

1 研究的背景和意义

“ 健康中国2030 ” 规划纲要中明确了青少年体育活动促进计划目标，到2030年，青少年学生每周参与体育活动达到中等强度3次以上，国家学生体质健康标准达标优秀率25%以上［1］。提出这样一个向世界都要做出交待的国家发展目标，充分说明中国已经决心把增强学生体质作为实现健康中国的明确标志与主要途径［2］。但相关研究表明：近30年来我国中学生体质健康达标优秀率呈波动趋势，距离 “ 健康中国2030 ” 规划纲要的目标差距较大［3］。同样地，一直秉承优良的体育运动传统的南开大学，在2017年公布毕业生体育成绩及格率只有37.1%，与国家95%的及格率要求相差甚远［4］。虽然2019年合格率有所上升，但离95%的及格率目标还是有差距。南开大学学生体质健康的现状反映了目前高校学生体质健康的一个状况。

造成学生体质健康水平现状有诸如学生学习压力过大、运动场所缺乏、运动中缺乏积极的体验感、缺乏有效的指导和监测等因素。

另据中国互联网络信息中心（CNNIC）在京发布《中国互联网络发展状况统计报告》截至2017年12月，我国网民规模达7.72亿，学生群体规模最大，占比为25.4%，约为1.96亿；10－19岁占比为19.6%，约为1.51亿［5］。同时，随着以互联网为代表的新媒介深度介入青少年日常生活，其健康行为与网络行为的交集不断扩大，媒介传播深刻改变了其生活方式， “ 日常生活媒介化 ” 成为当前青少年的基本生存事实［6］。

随着智能手机的普及以及国家 “ 互联网＋ ” 规划的推进，手机已成为用户线上与线下、软硬件共同发展的多样化平台，如何利用手机来加强学生锻炼过程监测和管理，提高学生体质健康水平也成为了一个当前体育界急需解决的课题。

针对以上情况，本文提出了一种基于智能手机的学生体质健康监测系统的方案，该方案能够实时监控学生运动状态和体质健康现状，并为学生体质下降查找原因，并有针对性地采取干预措施。本方案的实现能对学生体质健康数据的利用率和教学质量提高都会起到重要的促进作用。

2 智能手机监测与利用研究

2.1 手机传感器分类

系统的建立首先需要了解手机自身的感知能力，目前学生普遍使用的都是智能手机，且大部分都支持多种传感器，主要如下包括几类：

1）重力感应器、加速度感应器、方向感应器、陀螺仪：利用这些传感器，能够感知手机横竖姿势、旋转、倾斜、左右摆动等状态，通过该感知器能够感知手机是否处于运动状态以及处于怎样的运动状态，从而判断持有该设备的人的相应运动情况。

2）光线感应器：也就是感光器，能感知手机正面的光线亮度，此器件（与后台程序一起）有助于估算手机所处的外部环境。

3）位置感知器：主要包括GPS和手机基站两种方式（前者精度更高，通常要求在室外）感知手机当前所处的地理位置信息。

4）距离感应器、霍尔传感器、触屏：与后台运行的程序一起能够感知手机的工作状态。

5）语音和视频感知等器件。

2.2 系统框架设计

以下从数据流动的方向角度（主要包括学生与学校数据中心之间、学生与学生之间）方面描述系统的研究思路，其中学生与学校之间主要包括学生体质数据采集、运动场馆预约与管理、运动数据分析与处方推送等功能，学生之间包括运动伙伴寻找、运动场馆预约、伙伴交流平台，其整体框图如图一。

图一 学生体质健康系统框架

2.2.1 手机体质数据采集

根据前面提到的现有智能手机的传感器，开发相应的手机后台服务程序，持续间隔采集手机这些传感器的信息，并以手机状态信息的方式保存，一次状态信息记录包括：当前时间、手否触控、光感强度、位置、方位、重力加速度、陀螺仪角度、屏幕上方物体距离、视频播放是否打开、扬声器是否打开、Mic是否打开。后台服务将状态信息离线保存到手机本地，当手机网络在线时，自动将这些信息传输给学校数据采集接收服务器并入库保存。

2.2.2 运动数据分析与挖掘

针对学生采集的记录单条本身包含的信息量较少，但大量学生的持续的多条状态记录则能够分析并推断出大量信息，推断主要从针对个体学生进行纵向分析和针对群体的横向分析两方面。针对个体的纵向分析至少有如下5方面：

1）根据触屏记录能够分析出学生使用手机的习惯、每天使用手机多长时间；

2）根据位置、地图数据、重力加速度和陀螺仪数据，能够推断学员行走或跑步时是否使用手机，或者推断携带手机时的运动项目（如：时度不大于5公里时，可以推断为普通行走，10公里左右时推断为跑步，在篮球场旁时推断为打篮球等）；

3）根据一天的触屏时间可以推断学生使用手机的时长；

4）根据位置、地图数据以及时间长度，可以推断学员学习和生活轨迹。

5）根据推断的学员运动时间，可以推断平均锻炼时间，与相关的体育锻炼标准相结合，可以进一批推断学生运动量是否合理等。

此外，针对多个学生的群体，可以进行横向分析，分析和推断群体的行为，如从以下几个方面分析：1）不同专业、学生生源运动锻炼的差异和倾向性分析进行横向性分析。2）利用这个差异性，可以调整学校体育资源（如：场地建设、器材采购的合理规划）。3）整个学校学生锻炼状况的分析。

2.2.3 运动处方推送和提醒功能

根据手机上传的信息，可以分析学生的运动量和运动强度、身体健康等基本情况，并根据他们不同的年龄、不同的性别给出健身运动处方的意见和建议，形成运动处方。内容包括：健身项目和锻炼方法的选择，运动中身体活动的量和强度的安排、自我的运动医务监督、饮食建议和注意事项等。同时，还可以针对手机收集上来的信息，学生的锻炼进行提醒。如：对那些一周不能保证2－3次锻炼的学生进行提醒，这种提醒可以采用线上和线下相结合的方式，督促学生进行合理的健身运动。如：如果该学生每次运动的量和强度都很低，其身体健康程度存在着一定的隐患，针对这样的学生，体育教师应特别地关注，经常提醒和监督他们的训练状况。

2.2.4 体育伙伴寻找与约定

针对群体或对抗性的运行，利用运动伙伴APP，可以为学生提供一个寻找合适运动伙伴的功能，可以预先针对学生的不同项目划定一个项目运动等级（如在学校体育课程期间可由体育老师确定），当学生项目水有改变后，可以通用向学校体育机构申请并审核后进行改变。这样有助于项目（如乒乓球、羽毛球等）水平接近的学生进行运行伙伴寻找和运动预约，有助于运动项目的有效进行。当有学生想进行某项需要伙伴的运动是，可以通过该伙伴APP，很容易地寻找到类似需求且水平相当的伙伴，并能够方便地预定好场馆和设施，从而有效降低运动的 “ 难度 ” ，达到 “ 想运动，就能运动 ” 的目的。

2.2.5 运动场馆资源预定与管理

学校场馆经常会处于这样的现象，一方面场地有时候不够用；另一方面，场地空闲没人使用，导致体育场馆利用率低下。利用该系统，可以更加合理有效地管理和使用运动场馆的资源。学生在手机上查询到学校体育馆开放的时间、地点、运动项目、人流量的多少等情况后，便可根据自己的兴趣爱好随时预定运动场馆及运动项目，场馆管理员根据学生相应的需求匹配给学生合适的场地、时间和运动项目，确保他们的锻炼。

该功能包括三部分，其一为学生手机APP，主要提供运动资源状况查看、预定申请等功能，有效注册的学生能够通过该APP查看和预定各类开放给学生使用的场馆、运动器材等资源。其二为场馆管理APP，该APP主要维护运动资源的管理服务，包括审批预定、资源开放设置等功能；此外，针对运动资源还需提供一套设备基本管理的相同，包括新资源入库、使用日志、利用分析等功能。

2.2.6 运动激励

对学生运动的表现进行个人、学院、全校的排名，个人可以采用运动达人，一周排名一次，并适时通过手机APP公告给学生，半年对学院的运动健身达人进行排名，并记录学生锻炼的档案，每年进行全校学生体育达人的评比。对于运动表现好的学生可以采取颁发运动达人的证书、体育免考、加学分、给其校园卡充值一定的费用等激励措施。对于那些在运动中表现不好而且体质测试又不能过关的学生，如果经过多次谈话劝勉仍然不改的同学，实行体育考试一票否决制。对于那些表现好，但体育成绩仍然提高不明显的同学，可以集中起来进行培训。

3 平台部署

整个平台的部署包括两部分，其一是在学生的手机端，运行集运动数据采集、运动伙伴、场馆预定、激励公告、运动处方等功能一体的学校运动APP，此外系统APP的正常运行需要后台数据存储和处理的软件系统做支撑，因此平台的数据采集监测、数据分析与挖掘、数据展示、场馆使用管理和运动激励管理等功能以服务器软件的方式运行在学校的特定服务器中。整个平台软件的部署构思如图二。

图二 学生体质健康系统部署图

4 结语

随着电子产品技术的不断发展，未来手机的各项功能也会不断地增加，手机的使用已经成为当代大学生不可分开的一部分，合理规范地利用手机功能，对学生体质健康和运动相关方面的数据进行监测和利用，是促进学生体质健康的一种有效途径。