智慧操场：AI大脑助力体育教学科学化

朱悦铭

摘  要：为解决传统校园体育教学中“难量化、难记录、难监督、难分析”的问题，本研究通过智慧操场AI智能技术数据实测，针对体测和中考项目实时分析和反馈学生的运动姿态、运动过程、运动成绩等关键指标，帮助学校实现对学生体质健康教育课中、课后服务一体化。

关键词：智慧操场；AI智能；体育教学

中图分类号：G623.8     文献标识码：B     文章编号：1005-2410（2023）05-0083-03

教育部在《关于进一步加强中小学生体质健康管理工作的通知》中要求学校着力保障学生校内外各一小时体育活动时间；提高教学质量，让每位学生掌握1～2项运动技能；做好体质健康监测，建立完善以体质健康水平为重点的“监测—评估—反馈—干预—保障”闭环体系。

近年来在诸多学校体育相关政策出台下，学生体质健康在我国学校体育事业发展中所占据的位置日渐凸显，特别是随着现代化、信息化的发展，人工智能已经慢慢渗透影响着日常生活，而传统体育教学中的问题日渐暴露。

一、体育教学中存在的问题

（一）体育教学手段的信息化和智能化水平偏低

体育教学设备信息化落后于其他学科，当微格教室、希沃教室和平板教学等走进教学时，体育学科仍在沿用皮尺、秒表等一成不变的教学器械，功能单一，设备缺乏交互性，枯燥乏味，无法激起学生运动兴趣，无法实现数据采集和上传的闭环。学生上课的质量完全依靠教师的观察和以往的教学经验，没有具体的数据做参考，无法量化体育教学效果，不利于提高体育教学的质量和科学化发展。

（二）体育教学方法的针对性和实效性有待提升

学校学生人数的增多、班级规模的扩大化，意味着体育教师在上课过程中难度加大，管理监督上更需要花时间精力；练习上水平参差不齐，无法真正实现因材施教，导致学生学练效率低。

体育成绩学期、学年会多次录入，纸质录入、整理上传等工作流程耗时耗力不易保存，数据分析周期时间长，不能长时间对比分析。课堂效果没有稳定的留存记录，无法对长时间的教学内容进行数据分析，得到的结果一般都是靠教师的感官经验判断，不利于快速地对教学内容进行改善调优。训练和测试后反馈不足，缺少针对性评价和指导，无法进行有效的课后监督执行。

综上这些“难量化、难记录、难监督、难分析”的问题也进一步推动了人工智能在校园体育教学中的应用和发展的迫切需求，为解决传统教学存在的问题，滨江区教育局引进智慧操场AI体育自主测试技术进校园，以浙江省杭州高新实验学校和闻涛中学为试点，利用AI视觉分析技术的自助测试套件，针对体测和中考项目实时分析和反馈学生的运动姿态、运动过程、运动成绩等关键指标，为学校实现对学生体质健康教育课中课后服务一体化提供启发与借鉴意义。

二、解决问题的技术方法和经验

（一）AI智能——助力体育教学过程便捷化

AI评测教学系统自主测试套件包括运动摄像机、互动查询屏幕、人脸识别机、立杆、声音提示器等，是首创利用终端视频采集设备采集学生运动数据，是整个课堂的基础环节同时也是核心系统之一，利用终端视频采集设备可以实时精准的获取学生的课堂运动情况，为整个系统提供数据支撑。首先进行学籍、人脸信息录入，其次从不同的阶段帮助师生实现信息化体育课的教学实践，从课前的教学准备，到课中的数据采集，再到课后的多维度分析，统计学生成绩并形成相应的运动处方，包括错误的提示和纠正的方法，然后反馈给学生，学生自主学习提升。AI评测教学系统认真服务每个教学环节，使体育教学过程变得更智能、更便捷，成绩数据更加精准。

以八年级男生原地双手头上前掷实心球为例阶段教学为例，传统课堂中，体育教师安排好单元教学计划，分别从持球、预备姿势、预摆和最后用力四个动作方法来教授，辅助技术要点教学分别从两腿用力蹬地、展胸送髋以及出手角度、速度调整等，逐个击破教学重难点，整个教学过程都是由体育教师教授指导，学生认真学练去完成；而智慧操场课堂上，体育教师同样从示范讲解开始，不同的是，AI智能评测系统会利用采集到的数据自动识别其出手速度、角度实时播报不足之处及相应的运动处方，像“出手速度慢，建议通过仰卧起坐、俯卧背弓等项目练习，提高腰腹肌力量”“出手角度偏低，建议采用仰头标记参照物练习”等，这样教师就不会因为管理不到位、纠错不及时而造成学生的错误动作定形。整个教学过程以体育教师监督为主，学生无论是在课堂上还是课后，都可以到相应场地进行自主练习，很大程度上为整个体育教学过程提供了便利。

（二）智慧操场——推进体育教学手段创新化

智慧操场解决方案采用AI智能视频识别、云计算和大数据技术，实时采集和分析学生在体育锻炼运动过程的各项数据，覆盖项目包括：50/100米、立定跳远、跳绳、引体向上、投实心球等，其深度结合体育教学的全过程，能够实际应用于各种类型的课堂及多样化的教学内容，体育教学手段的创新贯穿于课堂始终，让体育课教学可量化和可视化，体育教师实时掌握课堂教学效果并及时调整锻炼内容，辅助体育教学达到因材施教的效果（图1）。

在七年级男生快速跑起跑教学课堂上时，体育教师经过准备部分的常规教学后，先让学生进行50米快速跑测试，智慧操场系统智能发令，跑完后学生通过后台大屏成绩数据播报记住自己的第一个成绩，进而在学习完教师教授的起跑姿势进行先后数据的比较，使其了解到起跑后蹬抬腿折叠发力带给快速跑的好处以及其速度成绩的提升，这样大大激发起了这些青春期孩子的运动兴趣和好胜心，使他们发自内心地去认可起跑技术，自主学练。学生每次通过数据端自己查询成绩，体育教师不必再位于终点处计时，只需在起点处指导起跑动作。相较于之前的传统课堂，体育教师用哨子发令，秒表计时，纸笔记录成绩，既耗时长，又误差大。应用智慧操场，可以节省时间留给学生练习，同时又因为新奇技术学生更愿意主动去学习，這大大提升了体育课堂效率，提高了学生成绩的精确度，符合体育课堂精讲多练的原则。

（三）数据共享——拓展体育教学方法科学化

体育课堂期间实现数据实时收集、连续不间断分析、数据可视化实时展示。师生可以通过大屏或者平板电脑端实时查看运动情况，让学生及时了解自己的运动反馈数据情况，及时调整自身的运动姿势，同时授课教师可以通过查看实时视频数据，及时调整上课节奏，转换多种教学方法，实现课堂教学效益的最大化。实时数据的最大共享，充分利用数据价值，学生能清楚知道自己的运动情况，教师上课更有科学依据去调整体育教学方法，处理运动问题更有针对性（图2）。

从七年级女生立定跳远的智慧化课堂中可以观察出体育教师通过智慧操场打破了传统的单一或少许教学方法结合的体育课堂模式，利用实时数据分析的可视化不断调整体育教学方法，更加有针对性、时效性地去解决立定跳远课堂中所发生的问题。首先体育教师利用讲解示范法去测验一个自己的立定跳远数据并展示给学生看，激起学生的崇拜心理后，采用分解练习法对学生进行预摆、起跳腾空、落地三大技术的学习，进而采用完整练习法教学，一定程度后在场地排队测验练习，利用AI智能实时数据分析让学生自主化练习，自主练习中学生出现的像摆臂不充分、起跳高度角度不足等这些问题，可以自行观看后台实时数据分析知晓并获取改正方法自行纠错，这时体育教师需要做的是维持场地秩序，针对认知不足的学生进行个别指导，对症下药，像蹬摆结合、蹬伸充分、展体收腹等关键举措可以带动排队等候的学生体会，这样的做法可以让学生及时体会到改进动作带来的成就喜悦感。最后下课前，体育教师划分体育小组，布置课后任务，让学生课后采用小组形式自主去完成相应练习任务，教师则在后台监督。数据可视化的课堂，量化了学生的成绩，让体育教学方法更加科学，更加有实效。

（四）智能测试——促进体育教学评价效能化

课堂教学智能化是智慧操场第一步，同时这又能应用到项目测试和自主运动提高当中，仅需要教师设置测验名称、班级、测验的开始及结束时间，并选择需要测验的内容。测验项目包括50/100米、立定跳远、投实心球、跳绳、引体向上；测验项目确定后，按照考试标准设置次数。测验开始后，可查看测验相关信息。测验结束后，系统会自动为每位学生提供测验报告（图3）。

在自主运动中，学生能够利用“碎片化时间”进行自我测验，教师同样可以查看所有任务，并通过任务名称、班级、开始时间等过滤条件，查找各自负责班级的自主运动执行情况。在列表中，简要展示运动名称、班级、任务时间、任务涵盖的项目；创建计划时，需要指定运动名称、班级、计划生效时间，计划内容。指定自主运动任务后，要指定计划的执行周期及每个周期内执行的数量，周期可被限定为“天”或“周”，学生即可开始到设备场地进行自主任务“打卡”。周期内教师和学生都可在后台系统上查询任务详情及动作技能情况以及运动处方报告。

测验功能以教师监督执行为主，人工智能为辅。目的是提高教师在测验执行中的效率，而并非是用智能代替专业。对于任务详情，系统会按照项目及执行次数，逐个展示执行情况，参照评判标准进行成绩评价和提出相应问题（表1）。测验的智能化使体育教学评价更加高效便捷，教师与学生都能做到心中有数。

三、问题解决的成效和反思

（一）成效影响

1.减轻教师负担，提高教学质量

智慧操场的引进在一定程度上解决了教师上课过程中记录成绩难、学生多管理纠错难的问题，在智慧化课堂模式下，教学过程变得“数字化、可视化、精准化、结构化”，体育教师从而能识别学生个体差异，分层教学，因材施教，提高教学质量。从长远角度来看，每年的数据可以存入云端档案库保留下来，然后通过历年纵向数据分析比较，体育教师可以从中研究一套符合学情与校情的特有智能化教学新模式。

2.清晰学练过程，增强科学意识

智慧操场的出现能够实现智能化的课堂教学数据采集与分析，保障课堂教学的透明化与数据化。学生通过实时数据播报和自身运动情况及时做出调整；体育教师也可随时发现学生动作问题，及时进行指导纠错，避免因为技术动作不规范导致运动损伤的发生，保障教学安全性，引导课堂教学科学化。

3.反馈运动处方，提升运动水平

无论在课中还是运动结束后，每次锻炼前进行AI人脸识别，锻炼的项目和成果将会被录入到学生的个人数据端中，形成连贯的过程性发展数据。同时对他们的运动进行详细记录后可以针对每个人形成独特的“运动处方”反馈于学生，学生即可针对自身不足问题有效进行自主练习，纠正违规动作，改进动作方法，不断提升运动水平。

4.增强运动动机，营造乐学氛围

创新化下的体育课堂新模式，通过大屏榜单实时更新每一阶段的运动之星，充分调动了学生学习的主动性与积极性，让学生想学、肯练，大大增强了学生的运动动机，让他们乐在其中，乐在锻炼，营造出了浓厚的校园体育氛围。同时智慧操场的应用不止存在于体育课堂中，学生在课后也可以利用自己的“碎片化时间”自主训练，这在一定程度上培养了学生自觉坚毅的意志品质和终身体育观念的形成。

（二）经验反思

1.应用项目不够丰富

目前此套智慧操场设备对体育中考和体测的针对性较强，但应用项目不够丰富，会导致学生的体育技能学习有局限性。从发展的眼光来观察体育教学应用面，非田径项目教学模式应用也可开发起来，拓宽学生体育锻炼的选择面。

2.硬件设备存在局限

硬件设备具有适用条件，其受限于雨雪天气时，室外场地不能使用，只能转至室内跳绳和立定跳远场地；同时其受限于特定场地，学生课后只能在学校装有设备的区域进行自主测试，这导致周末节假日不能正常发挥其作用。目前AI識别技术受限于人数及其密集程度，人数过多导致测评精度有所下降。